嵌入式智能小车测控系统的设计与实现

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计算机测帚与控制
第１８卷
无线串口通讯模块ｎＲＦ４０１，作为智能小车与上位机的通 讯接口。ｎＲＦ４０１采用ＦＳＫ调制解调技术，具有通讯距离远、 低功耗，接口灵活特点Ｈ］。通过无线串口，上位机给智能小车 发送命令，同时接受智能小车反馈的参数信息。
控制器以三星公司３２位处理器芯片——Ｓ３Ｃ２４４０Ａ （ＡＲＭ９内核）为控制器，￥３Ｃ２４４０Ａ主频达５３３ ＭＨｚ，并提 供丰富的输入输出端口、时钟源、ＰＷＭ、外部中断接口。舵 机和直流电机为位置和速度控制的执行机构。 ２智能小车控制系统硬件设计
图２控制器及外围部件框图
２．２导航单元 选择十二对红外收发对管ＲＰＲ一２２０作为路径探测传感器，
十二对红外传感器“一”字排开作为智能小车的导航单元，安 装在车体的前端。为了提高抗干扰能力和节能，控制器通过十 二路通道定时发送高频通断信号驱动ＲＰＲ一２２０传感器的发射 管。ＲＰＲ－２２０接收管接收到的是模拟信号，控制器有两种方 式接收信息，一种是将模拟信号先经过放大电路，然后送给比 较器变成数字量信号再送给控制器；另一种是将模拟信号直接 传送给控制器的ＡＤ接口，这样做可简化外围电路，但ＡＤ转 化需要花费ＣＰＵ时间，降低了智能小车对路径信息采集的实 时性，本文选择了前者。 ２．３执行单元 ２．３．１直流电机驱动和速度检测
ＡＲＭ要求必须将中断向量表存放在规定的地址内，当有 中断发生时，ＣＰＵ通过中断向量表中存放的跳转指令，转到 对应的中断服务程序。ＡＲＭ要求异常中断向量表必须放在从 ０地址开始的连续８×４字节空间，对应ＡＲＭ的８种中断异常 情况。外部中断向量表放在从０ｘ２０到ＯｘｅＯ的连续地址空间。 本设计将中断向量表对应的中断处理程序入口地址统一存放在 ＳＤＲＡＭ中从０ｘ３３ＦＦＦＦ００开始的一段连续的地址空间中。 ３．２ Ｉ－Ｃ／ＯＳ－ＩＩ的移植
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文章编号：１６７１—４５９８（２０１０）０２—０３５７—０３
霞舞始劲
匝圄， ｉ固
图３应用程序软件流程图
处理器初始化时，通过配置￥３Ｃ２４４０Ａ的ＰＬＬ寄存器使 处理器工作在４００Ｍ的系统频率下。“Ｃ／ＯＳ－ＩＩ初始化时，０Ｓ— Ｉｎｉｔ（）初始化全局变量和数据结构，并创建具有最低优先级 和永远处于就绪状态的空闲任务ＯＳＴａｓｋｌｄｌｅ。调用０ｓＴａ— ｓｋＣｒｅａｔｅ（）函数创建优先级最高的ＭａｉｎＴａｓｋ任务，应用程 序划分为６个任务块来实现，这６个任务由主任务ＭａｉｎＴａｓｋ 创建，优先级依次降低，各个任务的详细功能描述如下。
中图分类号：ＴＰ２４２．６
文献标识码：Ａ
嵌入式智能小车测控系统的设计与实现
董宗祥，石红瑞，杨 杰
（东华大学信息科学与技术学院，上海２０１６２０）
摘 耍：智能小车作为智能车辆的仿真车，是研究智能车辆的基础；介绍了智能小车测控系统的结构和软硬件实现；系统以ＡＲＭ９ 为控制器，采用肛Ｃ／ＯＳ－ＩＩ操作系统，用红外传感器识别路径，采用模糊自适应ＰＩＤ控制策略得到控制量，并最终通过舵机和直流电机对 小车的位置和速度进行控制，测试结果表明，在该控制系统下，智能小车具有良好的位置跟踪和快速切换速度性能，该系统可以作为对 智能车辆进一步研究的平台。
本文设计的智能小车基于ＡＲＭ９控制器和ｐｃ／ｏｓ－ＩＩ操作 系统。首先概述智能小车的系统结构，然后介绍控制器、导 航、无线串口通讯、执行等单元的硬件设计，接着分析“Ｃ／ ＯＳ－ＩＩ操作系统的移植、路径提取方法和控制策略，最后在赛 道参数典型值为２５ ｍｍ的标准道路上对智能小车的性能指标 做了测试，并对测试结果进行分析。
本文研究的用于位置控制，舵机选择的是ＦＵＴＡＢＡ公司 的￥３０１０型扭力型伺服机，它直接由控制器输出的ＰＷＭ信号 控制。舵机的转角和ＰＷＭ的占空比存在一定的线性关系，控 制器只需改变ＰＷＭ的占空比即可灵活地控制智能小车行进的 方向。舵机的响应速度为０．１６ｓｅｃ／６０（６．０Ｖ），本设计通过延 长力臂的方式增强对小车位置控制的实时性。
图１ （ａ）系统结构层次图
图１ （ｂ）智能小车实物图 探测模块是智能小车的位置传感部分，起着导航的作用。 本文选用红外对射传感器作为探测装置。根据反射原理，智能 小车通过判断红外接收管的通断情况识别白色路面上的黑线， 并引导智能小车沿着黑色路径平稳地前进。 电源模块可以输出７．２Ｖ、６．０Ｖ、３．３Ｖ、５．０Ｖ电压，分 别为直流电机、舵机、控制器和外围电路提供能源。
系统启动后首先对处理器和外围电路进行初始化，然后初 始化“Ｃ／ＯＳ－ＩＩ，创建任务，启动系统调度任务等工作。应用
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第２期
董宗祥．等：嵌入式智能小车测控系统的设计与实现
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程序主要由以下几部分组成：通讯模块，实时路径探测模块， 实时速度获取模块，位置和速度闭环控制模块，ＬＣＤ显示模 块，电源监控模块。应用程序软件流程图如图３所示。
｝ｔＣ／ＯＳ－ＩＩ是一个可移植、固化、裁剪的占先式实时多任 务内核，它采用标准的ＡＮＳＩＣ语言编写，使之可供不同架构 的微处理器使用［６］。ＡＲＭ处理器完全满足ｔ－Ｃ／ＯＳ－ＩＩ移植到该 处理器上要求。
下面将移植过程与工作内容描述如下： ①ＯＳ—ＣＰＵ．Ｈ中用＃ｄｅｆｉｎｅｓ定义的与处理器相关的常 量，宏和类型定义。在此文件中设置ＯＳ—ｃＲＩＴＩＣＡＬ— ＭＥＴＨＯＤ的值为３，设置０Ｓ—ＳＴＫ—ＧＲ（）ｗＴＨ的值为１， 用ｔｙｐｅｄｅｆ命令定义１０种数据类型，定义堆栈的宽度为３２位。 ②ＯＳ—ＣＰＵ—Ｃ．Ｃ中编写６个函数，其中５个函数为钩 子函数只要声明没必要包含代码。另一个函数是ｏＳＴａｓｋＳｔ— ｋｌｎｉｔ（），这个函数实现为任务初始化堆栈，被ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅ （）和ＯＳＴａｓｋＣｒｅａｔｅＥｘｔ（）这两个函数调用，这里初始化了 处理器在任务切换时存入堆栈中的１５个寄存器为ＬＲ、Ｒ０～
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔ ｃａｒｉ ＡＲＭ９；ｔｔＣ／ＯＳ－ＩＩ；ｆｕｚｚｙ ａｕｔｏ－ａｄｊｕｓｔｅｄ ＰＩＤ．
Ｏ 引言
近年来，随着智能交通、人工智能以及控制技术的发展， 智能车辆的研究在智能交通领域已成为热门课题Ｌ１］。但是，现 今对智能车辆的结构、运动特性、智能控制策略的研究并不完 善，因此有必要对智能车辆的仿真版本一智能小车做更深入的 研究。智能小车是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控 制与执行等多种功能于一体的综合系统，涉及到传感器技术、 微处理器控制、信号处理、电机驱动、人工智能、驱动电源的 设计等诸多领域［２］。为了更逼真的模拟智能车辆，智能小车的 设计必须具备人工智能、信息交换、自我稳定等性能［３］。
文本选用的用于速度控制的直流电机型号为ＲＳ－３８０Ｓ，使 用Ｈ桥驱动芯片Ｍｃ３３８８６驱动直流电机，采用两路ＰＷＭ控制 驱动芯片为直流电机提供电流。选两路ＰＷＭ可以方便地控制 电机的正反转，以达到反转刹车的作用。智能小车前行的过程 中受到电池电压降低、电磁场、轮胎磨擦、转向轮转向阻力等
不定闪素的干扰，开环控制无法满足性能要求，凶此闭环控制 是必须的。实施闭环控制须对速度进行实时探测，这里使用的 速度传感器型号为ＩＳＣ３００４旋转编码器，精确度达到３６０ｐ／ｆｉ“。 ２．３．２舵机控制
１智能小车系统结构
图１（ａ）为基于ＡＲＭ９和ｇＣ／ＯＳ－ＩＩ的智能小车控制系统 结构层次图，控制系统主要包括４个模块：探测模块，电源模 块，通信模块，控制和执行模块。图１（ｂ）为智能小车实 物图。
收稿日期：２００９—０８—１５ｆ修回日期：２００９—０９—２０． 作者简介：董宗祥（１９８１一），男，黑龙江人，硕士研究生，主要从事检 测与控制、嵌入式系统的研究。 石红瑞（１９６８一），女，博士，副教授，硕士生导师，主要从事过程控 制，仪器仪表方向的研究。
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｃａｒ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｅａｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＡＲＭ９ ｃｏｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｉｎ ｇＣ／ＯＳ－ＩＩ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ。ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｅｎｓｏｒ ａｓ ｔｈｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ．Ｆｕｚｚｙ ａｕｔｏ－ａｄｊｕｓｔｅｄ ＰＩＤ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ａｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｓｔｅｅｒ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｃａｒ ｈａｄ ａ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｔｒａｃｋ ａｎｄ ｆａｓｔ ｓｐｅｅｄ ｓｗｉｔｃｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ａｕｔｏ．
３智能小车控制系统的软件设计
控制系统的软件设计分为３个层次：物理层、操作系统层 和任务层。物理层包括存储器分配、启动代码编写等底层软件 设计；操作系统层包括／，Ｃ／ＯＳ－ＩＩ移植和任务的分配。任务层 主要包括路径提取和控制策略等应用程序的设计。 ３．１物理层软件设计
本文设计的启动代码放在ｓ３ｃ２４４０ｉｎｉｔ．Ｓ文件里，启动代 码实现定义人口地址，初始化堆栈和外部数据空间，设置中断 异常向量表，Ｎｏｒ Ｆｌａｓｈ和Ｎａｎｄ Ｆｌａｓｈ启动选择，搬运程序wk.baidu.com ＳＤＲＡＭ中，搬运完成后跳转到ｍａｉｎ函数执行。
Ｒ１２、ＣＰＳＲ。
③在０ｓ—ＣＰＵ一八Ｓ文件里用汇编语言编写５个函数： ＯＳＣｔｘＳｗ（）——任务级的任务切换函数，ＯＳＩｎｔＣｔｘＳｗ （）——中断级的任务切换函数，ＯＳＳｔａｒｔＨｉｇｈＲｄｙ（）——优先 级最高的就绪任务函数，ＯＳ—ＣＰＵ—ＩＲＱ—ＩＳＲ（）——ｌＲＱ中 断服务函数。０ｓＴｉｃｋｌＳＲ（）——时钟节拍中断服务函数。 ３．３应用程序的设计
智能小车的硬件是整个控制系统能否顺利运行的基础。硬 件以ＡＲＭ９核控制芯片为控制器，用红外传感器识别路径， 使用舵机和直流电机分别进行位置控制和速度控制。硬件包 括：控制器及外围电路单元，导航单元，执行单元。 ２．１控制器与外围电路单元
Ｓ３Ｃ２４４０Ａ是整个控制系统的核心部件，它完成从导航单 元获取路径信息，采集瞬时速度，进行数据处理，控制算法运 算，输出控制量和上位机通讯等功能。为了使得控制器发挥更 稳定的处理性能，还需设计电源模块、复位电路、内存扩展、 ＬＣＤ显示和ＪＴＡＧ调试等外围辅助电路，控制器与外围部件 框图如图２所示。
关麓词：智能小车，ＡＲＭ９，“Ｃ／０§ＩＩ；模糊自适应ＰＩＤ
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｍａｒｔ Ｃａｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ
Ｄｏｎｇ Ｚｏｎｇｘｉａｎｇ，Ｓｈｉ Ｈｏｎｇｒｕｉ，Ｙａｎｇ Ｊｉｅ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄｏｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ａｎ ｅｍｕｌａｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ａｕｔｏ，ｔｈｅ ｓｍａｒｔ ｃａｒ ｉｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｏｂｊｅｃｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ａｕｔｏ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ。ｔｈｅ