基于ARM自主避障機(jī)器魚設(shè)計(jì)

摘要：研究設(shè)計(jì)了基于ARM芯片和LINUX嵌入式系統(tǒng)具有自主避障功能的機(jī)器魚。首先搭建了基于ARM芯片的硬件平臺(tái)，然后對(duì)圖像采集、圖像顯示和紅外測(cè)距進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。通過紅外傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚的自主避障的功能。實(shí)驗(yàn)表明基于該方案設(shè)計(jì)的機(jī)器魚能流暢地進(jìn)行實(shí)時(shí)自主避障與圖像顯示?？梢宰鳛楹罄m(xù)機(jī)器魚的自主視覺功能開發(fā)的基礎(chǔ)，提高了機(jī)器魚的智能度。
關(guān)鍵詞：自主避障；ARM；紅外測(cè)距；LINUX嵌入式系統(tǒng)

    隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，出現(xiàn)了具有特殊功能的智能機(jī)器，如索尼公司生產(chǎn)的能夠以自我“意識(shí)”來“感覺”“學(xué)習(xí)”和“飼養(yǎng)”的寵物機(jī)器狗，以弗吉尼亞理工大學(xué)研制的CHARLI-L1機(jī)器人為基礎(chǔ)進(jìn)行升級(jí)改造的SAFFIR的消防機(jī)器人等。機(jī)器魚作為一項(xiàng)比較新的產(chǎn)品，涉及到機(jī)器魚的智能開發(fā)并不深，因此機(jī)器魚的智能化程度并不高，但隨著機(jī)器魚研究的加深，相信機(jī)器魚的智能度會(huì)大大提高，功能也會(huì)更趨完善。目前的機(jī)器魚類型主要有遙控機(jī)器魚和語音控制機(jī)器魚，例如曾在德國(guó)漢諾威電子展上展現(xiàn)的通過機(jī)器魚體內(nèi)收縮來提供動(dòng)力的遙控式機(jī)器魚和在西南民族大學(xué)誕生的國(guó)內(nèi)首個(gè)的聲控機(jī)器魚等。據(jù)調(diào)查顯示同內(nèi)涉及到具有自主避障與自主視覺功能的智能機(jī)器魚的研究與開發(fā)并不多。由于技術(shù)等諸多原因我們選擇了設(shè)計(jì)自主避障的機(jī)器魚。由于機(jī)器魚具有機(jī)動(dòng)性、高效性、低噪性等優(yōu)點(diǎn)，所以高智能的機(jī)器魚適合去完成如探測(cè)污染物質(zhì)、繪制港口的實(shí)時(shí)立體圖和對(duì)海底資源進(jìn)行探測(cè)等具有一定難度和危險(xiǎn)的任務(wù)。由于國(guó)內(nèi)涉及到機(jī)器魚智能的開發(fā)程度不高，所以高智能的機(jī)器魚研發(fā)有較大的空間。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 工作原理
    機(jī)器魚主硬件原理如圖1所示。機(jī)器魚的自主避障功能是通過以ARM芯片、LINUX嵌入式系統(tǒng)、紅外傳感器等結(jié)合實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器魚在水中分別通過攝像頭、紅外傳感器、LCD進(jìn)行畫面采集、自主避障和畫而顯示。攝像頭采集到圖片后，圖像被緩存于SDRAM中。ARM芯片通過紅外傳感器的AD管腳向發(fā)射器傳送命令，使探測(cè)器的發(fā)射模塊不斷地向外發(fā)送紅外線，當(dāng)接收器接收到返回的紅外線后會(huì)立刻通過AD管腳向ARM芯片傳送與紅外線返回的光強(qiáng)相應(yīng)的電壓，電壓經(jīng)過ARM芯片的A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成十位的二進(jìn)制數(shù)字量，通過一定的公式計(jì)算出此時(shí)與障礙物的距離。當(dāng)計(jì)算出來的距離小于預(yù)設(shè)量時(shí)，ARM芯片的控制軟件執(zhí)行一個(gè)串行中斷指令改變脈沖的脈寬即改變改PWM波的占空比變，進(jìn)而改變機(jī)器魚的游向從而避開障礙物。

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1．2 ARM芯片模塊設(shè)計(jì)
    ARM處理器擁有16／32Bit內(nèi)核和具有450MIPS運(yùn)算能力。400MHz的標(biāo)準(zhǔn)工作頻率可滿足高速的應(yīng)用要求。ARM主芯片有內(nèi)置數(shù)字?jǐn)z像頭接口，可選配130萬像素CMOS號(hào)業(yè)攝像頭進(jìn)行圖像采集。ARM處理器的外圍擴(kuò)展了64M的SDRAM和FLASH，ARM主芯片支持Linux、uCOS-II、WINCE等操作系統(tǒng)。ARM芯片高度集成，主芯片擁有CPU、Nand flash、Nor flash、Ethernet controller等資源。CPU內(nèi)的所有可用資源可通過200pin引腳引出。接口核心板可以單獨(dú)構(gòu)成系統(tǒng)，無需外圍器件。
    嵌入式Linux (Embedded Linux)是指對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Linux經(jīng)過小型化裁剪處理之后，能夠固化在容量只有幾KB或者幾MB字節(jié)的存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)中。它具有成本低、源代碼開放和移植性好的優(yōu)點(diǎn)。在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，適合于特定嵌入式的應(yīng)用場(chǎng)合。
1．3 紅外模塊
    紅外線是介于可見光和微波之間的一種電磁波。它兼具可見光折射、反射、直線傳播以及微波的貫穿一些不透明物質(zhì)和較強(qiáng)的穿透的能力。紅外傳感器包括紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊。科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明溫度高于絕對(duì)零度的任何物體均可產(chǎn)生紅外輻射，因此紅外傳感器要有更強(qiáng)的發(fā)射紅外的能力。
    距離探測(cè)器的類型主要有激光探測(cè)器、視覺探測(cè)器、超聲波傳感器和紅外傳感器。由于激光探測(cè)器和視覺探測(cè)器比較昂貴而且對(duì)控制器的要求很高，所以不選為機(jī)器魚的避障器。超聲波傳感器測(cè)距范圍一般在30～300 cm，可見短距離測(cè)距是超聲波傳感器的盲區(qū)。能“看”到幾米之外障礙物對(duì)于機(jī)器魚的意義并不大，而紅外傳感器的測(cè)距距離一般在幾十厘米之內(nèi)，因此我們選擇紅外傳感器作為機(jī)器魚的避障器。
    GP2YOA21YK0F是夏普的一款距離測(cè)量傳感器。它由PSD(position sensitive detector)、IRFD(infrared emitting diode)以及信號(hào)處理電路三部分組成。由于采用了三角測(cè)量方法，所以被測(cè)環(huán)境溫度、物體的材質(zhì)以及測(cè)量時(shí)間均不會(huì)影響傳感器的測(cè)量結(jié)果的精確度。接收到反射回來的紅外線后，傳感器輸出一個(gè)與返回光強(qiáng)成正比模擬電壓。輸出的模擬電壓經(jīng)過ARM的A／D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量，數(shù)字量傳到MCU后以一定的算法計(jì)算出機(jī)器魚與障礙物之間的距離。將探測(cè)的結(jié)果與預(yù)設(shè)值比較，若大于預(yù)設(shè)值則不執(zhí)行中斷即繼續(xù)前進(jìn)，否則執(zhí)行中斷進(jìn)行避障。紅外傳感器硬件原理如圖2所示。

1．4 攝像頭模塊
    為機(jī)器魚配備的攝像頭是CMOS數(shù)字圖象傳感器。采用的是Ommvision公司的OV9650，OV9650具有130萬的像素、10Bit的數(shù)據(jù)接口與標(biāo)準(zhǔn)SCCB接口，其分辨率達(dá)1280x1024并采用CSP-28封裝該攝像頭用類似于IIc總線的Secb總線連接到ARM主芯片的IIc接口進(jìn)行通信。在ARM芯片中，攝像頭的接口控制模塊(CAMIF)由圖像采集模塊、視頻預(yù)覽尺度模塊、模式混合模塊、特殊功能寄存器(SFR)模塊、碼流尺度模塊、視頻預(yù)覽DMA模塊以及碼流DMA模塊構(gòu)成。COMS攝像頭OV9650輸出的ITU-656格式視頻碼流，經(jīng)CAMIF處理后，將采集到的視頻碼流成兩路不同的格式進(jìn)行傳輸，兩路格式不同的信號(hào)分別進(jìn)入不同的幀存儲(chǔ)單元進(jìn)行存貯，之后根據(jù)ARM控制器的指令通過視頻DMA通道進(jìn)行傳輸。攝像頭原理如圖3所示。

1．5 LCD模塊
    LCD液品顯示器是(Liquid Crystal Display)的簡(jiǎn)稱，LCD的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。LCD有扭轉(zhuǎn)式向列型(Super Twisted Nematic，簡(jiǎn)稱STN)和薄膜式晶體管型(Thin Film Transistor，簡(jiǎn)稱TFT)兩種主流類型。因?yàn)門FT有反應(yīng)速度快、可視角度大、色彩豐富、分辨率高、對(duì)比度、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，所以我們選擇TFT的LCD。LCD硬件原理、LCD控制器功能如圖4所示。

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    LCD的工作受其控制器控制完成，圖5為L(zhǎng)CD控制器功能圖。通過LCD控制器的寄存器組REGBANK來對(duì)LCD控制器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。而LCDCDMA則是LCD控制器專用的DMA通道，負(fù)責(zé)將視頻數(shù)據(jù)從顯存(顯存是SDRAM中的一塊區(qū)域，可利用REGBANK編程設(shè)定)中取出，并從VIDPRCS從VD[23：0]發(fā)送給LCD屏。同時(shí)LPC3600和TIMECEN負(fù)責(zé)產(chǎn)生LCD屏所需的控制時(shí)，然后從VIDEOMUX送給LCD屏。TIMEGEN包含可編程邏輯，可通過程序進(jìn)行設(shè)定。TIMEGEN能產(chǎn)生不同LCD屏驅(qū)動(dòng)電路所需要的時(shí)序信號(hào)。

    LCD部分接口介紹。VFRAME／VSYNC／STV接口：傳送LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)器之間的幀同步信號(hào)。
    VLINE／HSYNC／CPV接口：傳送LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)器之間的同步脈沖信號(hào)。
    VCLK／LCD_HCLK接口：傳送LCD控制器和LCD驅(qū)動(dòng)器之間的像素時(shí)鐘信號(hào)。
    VM／VDEN／TP接口：傳送LCD驅(qū)動(dòng)器使用的交流信號(hào)。
    VD [23：0]接口：LCD的像素?cái)?shù)據(jù)輸出端即RGB信號(hào)線。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 主程序流程
    ARM芯片通過AD管腳對(duì)紅外傳感器的發(fā)射模塊傳送命令。發(fā)射模塊發(fā)射紅外線，接收模塊接收遇到障礙物反射回來的紅外線，根據(jù)返回光強(qiáng)產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電壓，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器后變成十位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)量，通過一定算法計(jì)算出到障礙物的距離。ARM芯片判斷計(jì)算出的距離與預(yù)設(shè)值的邏輯關(guān)系，根據(jù)結(jié)果判斷是否進(jìn)行避障。攝像頭采集圖片后，將圖片緩存于SDRAM中，LCD讀取數(shù)據(jù)并將圖像顯示出來。主程序流程如圖6所示。

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2．2 紅外模塊
    在ARM的A／D進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，首先要對(duì)ADC控制寄存器進(jìn)行初始化，選擇進(jìn)行轉(zhuǎn)換的模擬輸入端，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并從ADCDAT0讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。探測(cè)的結(jié)果小于預(yù)設(shè)值時(shí)ARM芯片執(zhí)行中斷，改變PWM波的占空比使機(jī)器魚轉(zhuǎn)向進(jìn)行避障，反之繼續(xù)前進(jìn)。紅外模塊流程如圖7所示。
2．3 攝像頭模塊
    攝像頭屬于字符類設(shè)備，所以能夠像字節(jié)流一樣被程序訪問，而且只能夠按順序讀寫。Linux內(nèi)核程序通過設(shè)備的位號(hào)來尋找攝像頭。Linux內(nèi)核發(fā)送測(cè)試信號(hào)到地址0X9650，以檢測(cè)攝像頭是否存在。OV9650擁有多組寄存器，圖像的輸出編碼方式和分辨率等參數(shù)取決于OV9650的寄存器。IIC (Inter Integration Circuit)是指內(nèi)部整合電路，是常用的標(biāo)準(zhǔn)串行接口。系統(tǒng)是通過IIC總線對(duì)寄存器進(jìn)行整體配置，所以此過程不會(huì)占用系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線。考慮到圖像傳輸?shù)男?，所以攝像頭與ARM芯片之間的Data[0]～Data[7]的通道僅用以傳輸圖像數(shù)據(jù)。以下為攝像頭的部分初始化代碼。
    SrcWidth=640-WinHorOffset*2；／／CAM_SRC_HSIZE為640，CAM_SRC_VSIZE為480
    SrcHeight=480-WinVerOffset*2；／／計(jì)算得SrcWidth=440，SrcHeight=280
    rCIWDOFST=0；／／窗口垂直偏移為0
    rCIWDOFST=(WinOfsEn<<31) | (WinHorOffset<<16) | (WinVerOffset)；／／水平偏移為100，垂直偏移為100
    rCISRCFMT=(1<<31) | (0<<30) | (0<<29) |(640<<16) | (0<<14) | (480)；／／30位設(shè)置為1后，圖像顏色失真，偏彩色
    Calculate Prescaler RatioShift (SreWidth，PrDstWidth，&PreHorRatio，&H_Shin)；／／計(jì)算并設(shè)置突發(fā)長(zhǎng)度
    Calculate Prescaler RatioShift (SrcHeight，PrDstHeight，&PreVerRatio，&V_Shift)；／／計(jì)算水平和垂直縮放比率和位移量、水平和垂直比率
    攝像頭模塊流程如圖8所示。

3 結(jié)束語
    本文介紹了紅外探測(cè)器在機(jī)器魚上的應(yīng)用以及畫面的實(shí)時(shí)顯示。通過紅外傳感器使機(jī)器魚具有了自主避障的功能。實(shí)驗(yàn)表明基于ARM芯片和LINUX嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)的自主避障功能的機(jī)器魚具有較高的實(shí)時(shí)避障功能，表明該機(jī)器魚具有靈敏度較高的自主避障功能。此設(shè)計(jì)提高了機(jī)器魚智能度，可作為后續(xù)自主視覺機(jī)器魚開發(fā)的基礎(chǔ)。相信隨著高智能的機(jī)器魚的研究與設(shè)計(jì)會(huì)給人類探索、開發(fā)海洋提供更多的幫助與便利。