什么是智能小車?

　　智能小車是一種利用自動化技術(shù)和人工智能算法，實現(xiàn)自主導(dǎo)航和智能化操作的交通工具。隨著科技的不斷發(fā)展和人工智能的迅速崛起，智能小車已經(jīng)成為人們生活中的一部分。它具有自主感知、智能決策和精準執(zhí)行的能力，可以在無人駕駛或協(xié)助駕駛模式下行駛。

　　智能小車是一種自動駕駛的交通工具，它能夠通過搭載的傳感器、控制系統(tǒng)和計算機算法，實現(xiàn)自主導(dǎo)航和智能化操作。智能小車可以根據(jù)環(huán)境感知情況，自主地決策和規(guī)劃路徑，安全、高效地完成行駛?cè)蝿?wù)。

　　智能小車的應(yīng)用領(lǐng)域

　　智能小車在各個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，包括但不限于以下幾個方面：

　　1 自動駕駛汽車

　　智能小車被廣泛應(yīng)用于自動駕駛汽車領(lǐng)域。自動駕駛汽車利用激光雷達、攝像頭等傳感器感知周圍環(huán)境，通過人工智能算法進行決策和規(guī)劃路徑，實現(xiàn)無人駕駛或協(xié)助駕駛。自動駕駛汽車有望提高交通安全、減少交通擁堵，并為出行帶來更多便利。

　　2 物流和倉儲

　　智能小車在物流和倉儲領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。它可以代替人工完成貨物的搬運和配送任務(wù)，提高物流效率和準確性。智能小車可以根據(jù)倉庫布局和貨物需求，自主導(dǎo)航并執(zhí)行搬運操作，大大減輕了人力負擔。

　　3 農(nóng)業(yè)

　　智能小車在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也有著重要的應(yīng)用。農(nóng)業(yè)智能小車可以用于土壤監(jiān)測和作物管理。通過搭載各種傳感器，智能小車可以實時監(jiān)測土壤濕度、溫度、養(yǎng)分含量等參數(shù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)提供精確的灌溉和施肥方案。同時，智能小車還可以自主進行農(nóng)田巡視和病蟲害監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并處理植物問題，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。

　　4 城市服務(wù)

　　智能小車在城市服務(wù)方面也有著廣泛的應(yīng)用。例如，智能小車可以用于城市環(huán)衛(wèi)工作，代替人工進行垃圾清理和道路清潔。智能小車通過自主導(dǎo)航和感應(yīng)技術(shù)，可以準確識別垃圾并進行收集和分類。此外，智能小車還可以用于城市巡邏和安全監(jiān)控，提升城市的安全性和管理效率。

　　智能小車的工作原理

　　智能小車的工作原理主要包括感知、決策和執(zhí)行三個步驟：

　　1 感知：智能小車通過搭載各種傳感器，如激光雷達、攝像頭、超聲波傳感器等，實時感知周圍環(huán)境的信息。這些傳感器能夠獲取道路情況、障礙物位置、其他車輛行駛狀態(tài)等數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為計算機可識別的數(shù)字信號。

　　2 決策：基于感知到的環(huán)境信息，智能小車利用人工智能算法對數(shù)據(jù)進行處理和分析，進行決策制定。它可以根據(jù)交通規(guī)則和事先設(shè)定的目標，進行路徑規(guī)劃、交通優(yōu)化等決策，確保安全并高效地完成行駛?cè)蝿?wù)。

　　3 執(zhí)行：智能小車通過搭載的電動機、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和剎車系統(tǒng)等執(zhí)行部件，按照決策結(jié)果進行相應(yīng)的操作。它可以自主控制車輛的加速、轉(zhuǎn)向和剎車，并實時調(diào)整車輛的行駛姿態(tài)，以確保安全地達到目的地。

　　智能小車的技術(shù)挑戰(zhàn)

　　智能小車的發(fā)展還面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)，包括但不限于以下幾個方面：

　　1 精確感知

　　智能小車需要準確感知周圍環(huán)境的各種信息，包括道路情況、障礙物位置等。但是，在復(fù)雜多變的交通環(huán)境中，精確感知仍然是一個挑戰(zhàn)。傳感器的準確性和可靠性需要不斷提升，以確保智能小車能夠準確地感知并做出正確決策。

　　2 復(fù)雜決策

　　在復(fù)雜的交通環(huán)境中，智能小車需要做出合理的決策，包括路徑規(guī)劃、交通優(yōu)化等。這涉及到多個因素的綜合考慮，如交通規(guī)則、路況、行人安全等。為了使智能小車能夠做出準確、高效的決策，人工智能算法需要不斷優(yōu)化和改進。

　　3 安全性與可靠性

　　智能小車的安全性和可靠性是其發(fā)展過程中的重要問題。智能小車需要具備高度的自主導(dǎo)航和避障能力，以應(yīng)對突發(fā)狀況和緊急情況。此外，智能小車的系統(tǒng)穩(wěn)定性和故障處理能力也是必須考慮的因素，以確保其在各種條件下都能夠正常運行。

　　智能小車電路原理?

　　隨著科技的不斷進步，智能電子產(chǎn)品發(fā)展步驟不斷加快，各種應(yīng)用層次的機器人等大量出現(xiàn)，目前應(yīng)用在智能小車或機器人的微控制器主要是8/16單片機或ARM和數(shù)字信號處理器DSP等。

　　1主控芯片

　　該設(shè)計是以MSP430F2274單片機為控制的核心部件。MSP430是一款16位的超低功耗單片機，采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式，片內(nèi)資源豐富，處理能力強大、系統(tǒng)工作穩(wěn)定，主要是它具有多路PWM輸出，以作為該設(shè)計電機控制的有利資源

　　2超聲波模塊

　　避障是智能小車運動過程中最基本的功能，而避障首要是確定機器人自身與障礙物的距離并且定位。小車的避障探測模塊采用 SRF08超聲波收發(fā)模塊，其波頻率為40 kHz，檢測距離范嗣為3 cm~6 m，SDA和SCL分別為控制端和接收端，設(shè)計共采用4個超聲波收發(fā)模塊分別安裝在小車的正前方，右前方和左前方和后方，4個模塊分別接在MSP430單片機的I/OP1.0、I/OP1.1、I/OP1.2、I/OP1.3、I/OP1. 4、I/OP1. 5、I/OP1.6、I/OP1.6端口上，采用I/O觸發(fā)測距，單片機給SDA提供25μs高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40 Hz方波，并且檢測是否有返回信號，若有返回信號，SCL管腳輸出高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，從而計算出超聲波從發(fā)射到接收所用的時間t，常溫下聲波在空氣中的傳播速度(其中T為攝氏溫度)，此時可得到是否避障的距離為s=vt/2。

　　3測溫和電源模塊

　　為了使計算的距離更精確而不受溫度影響，該設(shè)計中加入了DS18B20溫度傳感器接在I/OP4.6上，實時檢測機器人周圍環(huán)境的溫度T(T的值要精確到小數(shù)點后3位)，以修正聲速的傳播公式V，從而提高測距的精確度。由于MSP430工作電壓最大是3.3 V，電機驅(qū)動采用12 V電壓，測速模塊和超聲波模塊采用5 V電壓，所以采用LM7812、LM7805和LM1117組成穩(wěn)壓電路

　　電機驅(qū)動模塊

　　電機驅(qū)動模塊是智能車的重要組成部分，它和電機共同組成智能小車的運動控制系統(tǒng)。該設(shè)計的驅(qū)動輪是由2個M1和M2交流永磁同步電機，因此采用的電機驅(qū)動器是高電壓大電流高功率的L298N雙H橋集成電路，L289N可以驅(qū)動兩個電機，通過控制輸入端IN1-IN4信號，來控制 H橋的通斷，使得電機形成正反轉(zhuǎn)或停止，通過控制L298N的使能端EnA、EnB，采用技術(shù)成熟的PWM調(diào)速原理來控制電機的轉(zhuǎn)速，從而達到控制小車運行的快慢和轉(zhuǎn)向的目的。為了防止在啟停電機的瞬間所形成的反饋電流損壞L298N，因此在L298N輸出端與電機之間加入8個二極管形成續(xù)流達到保護的作用，再則為了防止L298N輸出負載端電機對輸入端信號傳輸產(chǎn)生影響，以及對MSP430芯片產(chǎn)生不利的干擾，在L298N的信號輸入端通過連接 TLP521可控制的光電電耦合器件，達到對L298N信號輸入前端的信號電路與負載的完全隔離，從而增加了電路的安全性，減少了電路信號干擾。本設(shè)計中的驅(qū)動電機采用的是方波驅(qū)動的交流永磁同步電機，該電機的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動信號的頻率成正比，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速性能優(yōu)良，運行可靠且便于維護。

　　智能小車電路的原理是小車車頭處裝有三個光電開關(guān)，中間一個光電開關(guān)對向正前方，兩側(cè)的光電開關(guān)向兩邊各分開30度。

　　智能小車在行進過程中由光電開關(guān)向前方發(fā)射出紅外線，當紅外線遇到障礙物時發(fā)生漫反射，反射光被光電開關(guān)接收。

　　小車根據(jù)三個光電開關(guān)接受信號的情況來判斷前方障礙物的分布并做出相應(yīng)的動作。光電開關(guān)的平均探測距離為30cm。

　　智能遙控小車設(shè)計

　　1、手勢感應(yīng)無線遙控小車，一塊開發(fā)板就能360°遙控!

　　傳統(tǒng)的按鍵式遙控器已經(jīng)out了，這個小車采用加速度計代替，既可以實現(xiàn)小車的無極轉(zhuǎn)向，也更加方便、靈活的操作控制小車，使遙控小車更具有可控性，趣味性，以及準確實時性。

　　通過加速度器LIS302DL反饋使用者手勢的變化，將四個方向的傾斜角度經(jīng)過控制器進行數(shù)據(jù)處理后，通過無線模塊將指令發(fā)送給小車，實現(xiàn)小車前進、后退、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的功能。

　　2、51單片機的安卓藍牙小車 智能遙控小車

　　普通的遙控小車已經(jīng)滿足不了大眾的需求，要是手機能控制那就好玩多啦。這個小車材料很簡單，四個電機輪子、一個驅(qū)動模塊，把程序下載到51單片機就可以直接玩啦，手機上位機程序更是直接安裝使用。有了附件里的文件，零基礎(chǔ)這樣能玩轉(zhuǎn)小車。

　　3、三輪智能小車設(shè)計

　　三腿的蛤蟆不好找，但是三個輪子的小車還是可以設(shè)計出來的。這個小車不同于四個輪子的小車，前面的萬用輪使小車的轉(zhuǎn)向更加靈敏。采用PWM驅(qū)動芯片控制電機，紅外傳感器檢測黑線，金屬傳感器檢測鐵片，光敏器件檢測光強，紅外LED和一體化接收頭來避障。輕松完成避障、尋光、測速等功能。

　　4、避崖多方位蔽障小車(配視頻并提供技術(shù)支持)

　　制作難點：1.超聲波蔽障的時序，你要保證你在制作超聲波時序的同時，還有避崖，所以不能用delay;2.超聲波，舵機，電機三者的協(xié)調(diào);3.實時快速反應(yīng)，整個過程的程序要流暢，不能停留在某一處。

　　亮點：1.整個程序用時間片制作，沒有用到一個delay;2.超聲波，舵機，電機三者的協(xié)調(diào)得比較好。

　　5、基于樹莓派的環(huán)?！皳炖睓C器人小車(避障、攝像、紅外、WIFI)

　　雖然這個小車的硬件不是自己設(shè)計的，但從代碼實現(xiàn)上來看，難度應(yīng)該是最大的。這個小車的亮點是能識別設(shè)定的物體，當然這個設(shè)定要提前在代碼里實現(xiàn)。其他的一些功能在上述小車中也同樣涉及到，比如避障、wifi、攝像等。

　　6、基于單片機的智能自動尋光循跡滅火小車

　　小車可以按照給定的路線行走，找到光源并盡快的行走到光源附近，啟動風扇(相當于滅火)，滅火后還可以按照以前的路線繼續(xù)前進。這個工作受地面摩擦、機器人慣性、機器人電機的轉(zhuǎn)數(shù)差、電壓變化等多個因素影響，它模擬了現(xiàn)實機器人處理火警的過程，燈泡代表燃起的火源，機器人必須找到并熄滅它。如果產(chǎn)品化的話，一些非常危險的場合就能派上用場了。

　　7、兩輪平衡小車，提供全部原理圖、PCB、源程序、BOM

　　這個兩輪平衡小車采用的處理器是atmel的ATMEGA32A，下位機采用AS 6編寫，上位機可用手機安裝藍牙串口軟件，用于控制小車?？戳诵≤嚨臏y試視頻，不明白為什么要加了兩個那么大的音箱，還得請設(shè)計者說明呀。

　　8、簡單的WiFi視頻小車制作(原理圖，上位機、下位機代碼)

　　使用的是STC89C52單片機，P0口8個數(shù)據(jù)位兩兩控制一個電機，共四個電機;使用LM2575輸出正5v電源，主控板上有兩個usb接口，一個串口調(diào)試接口;附件提供了上位機安卓程序，下位機單片機源程序，編譯成功的文件。

　　本制作以STC89C52RC單片機和ADXL345加速度模塊。加速度模塊固定在手上時，當手向左傾斜，小車左轉(zhuǎn);手向右傾斜，小車右轉(zhuǎn);手向前傾斜，小車前進;手向后傾斜，小車倒退;手水平不動，小車停止任何動作。有效控制范圍 10米(開闊地)。小車視頻可以見教程附件。

　　10、基于Arduino開源平臺的wifi視頻監(jiān)控小車

　　這個創(chuàng)意是個舶來品。記得有個國外作者做了一個基于Arduino和wifi路由器的智能機器人。

　　要求有攝像頭，能夠拍攝小車經(jīng)過地方的影像。要求使用Arduino模塊實現(xiàn)控制。

　　基于ARM和FPGA的智能小車監(jiān)控系統(tǒng)

　　智能小車是機器人研究領(lǐng)域的一項重要內(nèi)容。它集機械、電子、檢測技術(shù)與智能控制于一體。在各種移動機構(gòu)中，智能小車的輪式移動機構(gòu)最為常見。輪式移動機構(gòu)之所以得到廣泛的應(yīng)用，主要是因為容易控制其移動速度和移動方向。智能小車可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度等條件的影響，完成危險地段、人類無法介入等特殊情況下的任務(wù)。一般的智能小車操作控制復(fù)雜、功能單一、不能遠程重構(gòu)。

　　本文介紹的智能小車可移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以“飛思卡爾杯”智能小車競賽提供的車模裝置為基礎(chǔ)，利用ARM芯片S3C2440A控制圖像采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸、速度采集干擾小的模塊，利用FPGA芯片控制電機驅(qū)動、舵機控制、電量采集干擾大的模塊，當上位機通過Internet訪問智能小車服務(wù)器時，在監(jiān)控界面上點擊按鈕來控制小車的運行、圖像拍攝、速度采集。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　該系統(tǒng)采用三星公司的ARM芯片S3C2440A作為主控制芯片及Altera公司的FPGA芯片EP2C5T144C8作為輔助控制芯片，ARM上裝有Windows CE5.0操作系統(tǒng)。S3C2440A內(nèi)置豐富的外設(shè)資源包括中斷控制器、GPIO、I2C、相機接口等接口電路，其內(nèi)核為16/32位的ARM920T處理器，它集MMU，AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)與一體，主頻可達400 MHz。

　　利用ARM9控制圖像采集、速度采集、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙男　⒏蓴_弱的模塊;利用FPGA單獨控制功耗大、干擾強的直流電機、舵機、固態(tài)繼電器以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。ARM9和FPGA以并行總線的方式進行數(shù)據(jù)和控制信號的傳輸，需要注意的是ARM的I/O口需要設(shè)置為禁止上拉，否則無法和FPGA進行通信。該系統(tǒng)具體組成如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　2.1 圖像采集電路設(shè)計

　　圖像采集模塊選用OmniVision公司的CMOS圖像傳感器OV9650，可達130萬像素，具有標準SCCB(setial camera control bus)接口，通過該接口可以方便地設(shè)置圖像像素大小、輸出YCbCr順序、白平衡、色飽和等重要參數(shù)。

　　S3C2440A可以直接和CMOS圖像傳感器OV9650連接，如圖2所示。OV9650的PWDN引腳與S3C2440A的GPG12引腳相連，這樣可以控制OV9650的工作狀態(tài)。當無須采集圖像時，將GPG12輸出高電平，OV9650芯片處于掉電模式，節(jié)省電能消耗。OV9650可輸出YCbCr，RGB兩種格式的數(shù)據(jù)，當輸出YCbCr格式時，要用到數(shù)據(jù)線的D2～D9;當輸出RGB格式時，則需要用數(shù)據(jù)線D0～D9。本文采用YCbCr格式，數(shù)據(jù)線D2～D9與S3C2440A的CAMDATA0～CAMDATA7相連。

　　S3C2440A芯片具有相機接口CAMIF，其內(nèi)部單元如圖3所示，CAMIF支持ITU-R BT.601/656YCbCr 8 b標準的圖像數(shù)據(jù)輸入，最大可采樣4 096×4 096像素的圖像。該接口可以使用兩種通道將圖像數(shù)據(jù)存儲在SDRAM中：一種是預(yù)覽通道模式，將從相機接口采集到的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為RGB數(shù)據(jù)，并在DMA控制下傳輸?shù)絊DRAM，這種模式通常用來提供圖像預(yù)覽功能;另一種是編碼通道模式，將圖像數(shù)據(jù)按照YCbCr 4：2：0或者YCbCr 4：2：2的格式傳輸?shù)絊DRAM，這種模式主要為JPEC，MPEG-4，H.263等編碼器提供圖像數(shù)據(jù)的輸入。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊電路設(shè)計

　　網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊選用DAVICOM公司推出的一款高速以太網(wǎng)接口芯片DM9000A，內(nèi)部集成10/100M物理層接口，16 KB SRAM用作接收發(fā)送的F-IFO緩存，支持8/16 b內(nèi)存數(shù)據(jù)存取接口。

　　S3C2440A內(nèi)部沒有專用以太網(wǎng)控制器，需要外部總線外掛一個以太網(wǎng)控制器，才能實現(xiàn)S3C2440A連接以太網(wǎng)的需要，該系統(tǒng)選用DM9000A作為以太網(wǎng)的物理層接口。DM9000A與S3C2440A的連接比較簡單，如圖4所示。S3C2440A數(shù)據(jù)總線DATA0～DATA15與芯片的SD0～SD15連接;地址線ADDR2與芯片的CMD連接;片選線nGCS3與芯片nCS的相連;9號外中斷與芯片的INT相連。DM9000A以太網(wǎng)控制器的工作基址為0x300，而S3C2440A的地址線ADDR2與芯片的命令/數(shù)據(jù)使能端CMD相連，所以對其進行操作時的地址是0x300(地址端口)或0x304(數(shù)據(jù)端口)。

　　2.3 運動控制電路設(shè)計

　　速度采集模塊由紅外傳感器和脈沖整形電路組成，經(jīng)整形后的脈沖送往ARM中斷進行脈沖捕獲。運動控制模塊選用型號為RS-380SH的直流電機控制車模的前進或后退，選用型號為FUTABA-S3010的舵機控制車模的轉(zhuǎn)向，電機驅(qū)動芯片選用L298N實現(xiàn)對電機調(diào)速、正反轉(zhuǎn)的控制。

　　該系統(tǒng)運動控制包括電機控制和舵機控制兩部分。電機控制如圖5所示，PWM1，PWM2用于控制電機的轉(zhuǎn)速，IN11，IN12，IN21，IN22用于控制電機正反轉(zhuǎn)。舵機控制電路簡單，外接有3根線，紅色為電源線，黑色為地線，另外一個為PWM信號輸入線。兩者的主要控制信號是PWM信號，S3C2440A發(fā)送命令控制FPGA輸出占空比可調(diào)的PWM信號。舵機PWM信號的周期固定為20 ms，脈寬分布在1～2 ms之間，因此選定PWM信號頻率為50 Hz，占空比固定在5%～10%之間。直流電機PWM信號頻率選定10 kHz，占空比可在0%～100%波動，當IN11=1，IN12=0，電機正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速隨PWM1信號的占空比不同而變化，當IN11=0，IN12=1，電機反轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速也隨著PWM1信號占空比變化。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 圖像采集驅(qū)動開發(fā)

　　該系統(tǒng)圖像采集模塊硬件電路由CMOS圖像傳感器芯片和S3C2440A的CAMIF單元組成。為此在編寫圖像采集驅(qū)動程序時，就需要對圖像傳感器芯片的寄存器和S3C2440A的CAMIF單元的寄存器同時配置，否則就得不到正常圖像。S3C2440A以I2C總線的方式對CMOS圖像傳感器芯片的寄存器進行配置。

　　在WinCE下，圖像采集驅(qū)動是基于流接口設(shè)計的。首先在CIS_Init函數(shù)下對相機接口的寄存器進行配置，主要配置功能包括：設(shè)置相機接口輸出時鐘;設(shè)置圖像輸入輸出格式;設(shè)置裁剪圖像偏移量;設(shè)置幀緩沖區(qū)中圖像像素大小;設(shè)置編碼通道和預(yù)覽通道幀緩沖區(qū)起始地址。然后S3C2440A以I2C總線方式對OV9650的寄存器進行配置，需要注意的是相機接口的配置功能要和OV9650的配置功能完全一致，否則采集不到圖像，兩者之間通信協(xié)議如圖6所示。最后利用API函數(shù)CreateThread()創(chuàng)建中斷服務(wù)線程。

　　中斷服務(wù)線程函數(shù)負責具體的中斷操作，在該線程函數(shù)內(nèi)利用CreateEent()函數(shù)創(chuàng)建CAMIF單元的中斷事件。然后調(diào)用InterruptInitia-lize()函數(shù)將該中斷事件與CAMIF單元的邏輯中斷相關(guān)聯(lián)。最后調(diào)用Wait For SingleObject()等待中斷事件的到來，當中斷到來時，將讀取事件置位，在應(yīng)用程序中即可利用ReadFile()函數(shù)讀取YCbCr數(shù)據(jù)，為圖像壓縮提供數(shù)據(jù)源。

　　3.2 速度采集程序設(shè)計

　　速度傳感器由紅外反射式傳感器和施密特觸發(fā)器組成，經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形后信號的頻率與速度相關(guān)，通過測量該信號頻率計算車模行駛速度。在Windows CE中，API函數(shù)SetTimer()可以設(shè)置定時器編號和定時時間，當定時時間到達時，執(zhí)行消息響應(yīng)函數(shù)OnTimer。速度采集流程如圖7所示。調(diào)用SetTimer函數(shù)設(shè)置定時器初值，當外部中斷EINT_19產(chǎn)生時，即一個脈沖信號到來，計數(shù)變量CNT加1，當SetTimer()函數(shù)設(shè)置的時間到來時，執(zhí)行OnTimer()函數(shù)，該函數(shù)負責計算車模速度并將計數(shù)變量CNT清0。

　　計數(shù)變量CNT雖然與速度成正比關(guān)系，但它并不是真正的行駛速度，需要經(jīng)過一定的數(shù)學轉(zhuǎn)換，才能傳送到遠程監(jiān)控端并顯示。假設(shè)車模后輪直徑為D，光柵編碼盤黑白相間的個數(shù)為M，在定時時間T秒內(nèi)記得脈沖個數(shù)為N，則車模行駛速度：

　　3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸程序設(shè)計

　　該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸程序是基于TCP協(xié)議來實現(xiàn)的。S3C2440A組成的嵌入式設(shè)備作為服務(wù)器負責圖像采集、速度采集、車?？刂?。服務(wù)器調(diào)用accept()函數(shù)等待客戶端的連接請求，服務(wù)器端接收該連接請求后，雙方就此建立了連接。客戶端通過send()發(fā)送請求命令，服務(wù)器調(diào)用recv()函數(shù)接收該請求命令，通過命令解析來執(zhí)行具體的操作，若收到圖像采集命令，服務(wù)器端打開攝像頭驅(qū)動，設(shè)置圖像像素大小后，將采集到Y(jié)CbCr數(shù)據(jù)進行JPEG的壓縮并保存為.jpg格式的圖片。然后將該圖片發(fā)送到客戶端，客戶端將該圖片在圖像顯示區(qū)域顯示;若收到速度采集命令，服務(wù)器端打開定時器，打開外部中斷EINT19，用于計數(shù)，當定時時間到后，將計數(shù)脈沖轉(zhuǎn)換為以cm/s為單位的速度發(fā)送到客戶端，客戶端將采集到速度在速度顯示區(qū)顯示;若收到控制車模運行狀態(tài)，如前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，服務(wù)器端打開GPIO驅(qū)動，通過GPIO端口輸出控制信號，控制FPGA輸出占空比可調(diào)的PWM信號，即可控制車模的運行狀態(tài)。

　　客戶端負責發(fā)送控制車模、圖像采集、速度采集的命令，然后將服務(wù)器端發(fā)送過來的圖像、速度信息進行顯示?？蛻舳说谋O(jiān)控界面如圖8所示。

　　遠程地址欄輸入服務(wù)端IP地址，點擊“創(chuàng)建連接”按鈕即可和服務(wù)器端進行連接，連接成功后，就可以進行一系列的命令發(fā)送。

　　4 結(jié)語

　　該設(shè)計在自制電路板板上進行了軟、硬件的系統(tǒng)集成及測試。測試結(jié)果為：圖像采集時鐘24 MHz;圖像采集速度為30 f/s;行同步頻率為14.5 kHz，圖像采集像素為640×480;JPEG壓縮比達到10：1;運動控制命令響應(yīng)時間為5μs，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率達10 Mb/s。

　　基于FPGA的智能小車設(shè)計方案

　　智能監(jiān)控機器人是近年來機器人應(yīng)用工程中一項前沿性的題目，智能化探測小車是智能行走機器人的一種。智能監(jiān)控機器小車就是針對上述情況，在參考了目前大多數(shù)智能機器人的基礎(chǔ)上，以降低成本為原則設(shè)計的。小車具備溫濕度和環(huán)境監(jiān)測、無線通信、躲避障礙物以及無線遙控等功能。此智能監(jiān)控機器小車與目前已有的同類設(shè)計相比，有性價比高、操作方便、可靠性好、功耗小等優(yōu)點。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計

　　整個系統(tǒng)由發(fā)送端(智能小車部分)和接收端(控制臺：控制和顯示部分)組成，如圖1所示。系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)、動力及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、CCD圖像傳感器模塊、LCD顯示、溫度和濕度測量電路和供電系統(tǒng)等組成，整個系統(tǒng)的控制核心以2片Altera公司的EP2C20F484為核心，在Altera公司的QuartusⅡ和SoPC Builder開發(fā)環(huán)境中完成。根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)添加所需要的外圍模塊并生成NiosⅡCPU。

　　1.1 供電系統(tǒng)

　　小車安裝了兩塊充電電池，分別為FPGA開發(fā)板(FPGA控制電路)和小車運動提供能量，電池置于車身底部。

　　1.2 傳感器系統(tǒng)

　　系統(tǒng)采用了6個紅外對射傳感器，通過FPGA配置的NiosⅡCPU來檢測傳感器信號實現(xiàn)小車躲避障礙物的功能。漫反射型紅外對射傳感器也稱光電開關(guān)，是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，多用于檢測障礙物。原理是由光電開關(guān)輻射出來的調(diào)制紅外光束被檢測物體反射回來，紅外線經(jīng)同步選通接收，由電子開關(guān)線路驅(qū)動回路，從而來檢測物體的有或無。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測模式。這種電路模塊體積小，信號容易轉(zhuǎn)化為標準電平。

　　1.3 動力及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

　　本小車有左右輪兩個電機及龜機驅(qū)動。驅(qū)動電路采用了CT Microelecttonics公司的大功率直流電機驅(qū)動芯片L298，最高支持50 V電壓，最大電流為5 A，滿足大功率電動機的要求，外圍電路簡單，同時，由于該芯片為雙路結(jié)構(gòu)，分別控制左右電動機，增加了電路的可靠性，減少了復(fù)雜性。電機控制采用PWM脈沖寬度調(diào)制方式來控制汽車的前進速度。由NiosⅡCPU寫入控制字，可得到不同占空比的PWM驅(qū)動信號，此PWM信號送入電機驅(qū)動芯片的控制端來調(diào)節(jié)速度。

　　1.4 小車自動避障系統(tǒng)

　　小車自動避障系統(tǒng)采用Verilog HDL語言編寫驅(qū)動電路。該模塊(見圖2中的MOTOR)和一個數(shù)據(jù)選擇器(見圖2中的select_2)相連來實現(xiàn)自動避障與人工遙控之間的切換。當小車上NiosⅡCPU的SEL管腳輸出低電平時，數(shù)據(jù)選擇器將把該模塊的輸出作為電機的控制指令。這樣設(shè)計的好處在于設(shè)計具有響應(yīng)迅速，不需要NiosⅡ CPU參與，提高了CPU處理濕度、溫度數(shù)據(jù)并控制無線模塊收發(fā)數(shù)據(jù)的效率。該邏輯電路的工作原理是根據(jù)紅外傳感器發(fā)回來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過邏輯判斷來控制電機的工作狀態(tài)。

　　小車自動避障系統(tǒng)

　　1.5 小車的人工控制

　　小車的人工控制和自動避障之間的轉(zhuǎn)換由一個數(shù)據(jù)選擇器控制，當小車上NiosⅡCPU的SEL管腳輸出高電平時，數(shù)據(jù)選擇器將把無線模塊所發(fā)送過來的指令作為電機的控制指令，實現(xiàn)了對小車的無線控制。

　　1.6 溫度和濕度測量

　　在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強的新型數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該系統(tǒng)設(shè)計中將DS18B20的1，3引腳分別接于FPGA板的GND 和+3.3 V管腳，2引腳接FPGA的I/O腳，傳輸控制及數(shù)據(jù)信號。DS18B20最高可用12位表示溫度值，最高5位為符號位。

　　采用HS1101濕度傳感器，具有響應(yīng)速度快，工作溫區(qū)寬(-40～+100℃)，測量范圍大(0%～100%RH)，可靠性高，穩(wěn)定性好，功耗低，外圍電路簡單等優(yōu)點。

　　工作原理為：用HS1101傳感器與TLC555構(gòu)成多諧振蕩器，HS1101傳感器內(nèi)部電容會隨濕度的變化而變化，從而使輸出頻率發(fā)生變化。編寫VHDL程序在FPGA設(shè)計一個頻率計可精確的測出頻率值，通過輸出頻率與濕度的關(guān)系便可得到濕度值。

　　1.7 無線收發(fā)系統(tǒng)

　　系統(tǒng)采用PTR4000無線嵌入式模塊，工作頻率為2.4 GHz，最高工作速率可達1 Mb/s，高效GMSK調(diào)制，且有CRC檢錯功能。具有低功耗，抗干擾能力強，體積小等優(yōu)點。主要有三種工作模式，分別為：配置模式、 ShockBurst發(fā)送模式和ShockBurst接收模式。

　　2 軟件設(shè)計和調(diào)試

　　采用NiosⅡ進行C語言編程。NiosⅡ集成開發(fā)環(huán)境(IDE)是NlosⅡ系列嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具。所有軟件開發(fā)任務(wù)都可以在Nios ⅡIDE下完成，包括編輯、編譯和調(diào)試程序。NiosⅡIDE是基于開放式的、可擴展Eclipse IDE project工程以及EclipseC/C++開發(fā)工具(CDT)工程，NiosⅡIDE為GCC編譯器提供了一個圖形化用戶界面，可以支持標準C。 NiosⅡIDE編譯環(huán)境自動地生成一個基于用戶特定系統(tǒng)配置(SoPC Builder生成的SoPC文件)的makefile，有利于程序的開發(fā)。

　　NiosⅡIDE包含一個強大的、在GNU調(diào)試器基礎(chǔ)之上的軟件調(diào)試器——GDB。完成軟件代碼的編寫后，可以對代碼進行仿真和調(diào)試。Nios-Ⅱ IDE提供了一個方便的閃存編程方法。任何連接到FPGA的兼容通用閃存接口(CFI)的閃存器件都可以通過NiosⅡIDE閃存編程器來燒結(jié)。針對本設(shè)計及應(yīng)用，編寫了系統(tǒng)控制程序和LCD顯示程序。流程圖如圖3所示。

　　3 系統(tǒng)調(diào)試

　　小車系統(tǒng)需要測試能否準確接收控制臺發(fā)送的指令并控制小車運動或停止，以及向前、后、左、右轉(zhuǎn)向。還要測試主控機能否準確接收小車采集到的溫度以及濕度信息，能否正確顯示。經(jīng)過多次測試，發(fā)現(xiàn)由于系統(tǒng)程序是采用收發(fā)循環(huán)轉(zhuǎn)換的模式，為了讓兩個系統(tǒng)能夠收到對方發(fā)的信息，對小車的遙控與自動部分進行簡單的分化。自動情況下，控制臺為主要接收端，小車為主要發(fā)送端，一般情況下小車發(fā)送數(shù)據(jù)到控制臺，需要自動到遙控的轉(zhuǎn)換時，通過在延時時間內(nèi)進行中斷來實行從自動到遙控的轉(zhuǎn)換;在遙控狀態(tài)下，控制臺為主要發(fā)射端，小車為接收端，一般情況下控制臺發(fā)送小車行進指令到小車，需要采集數(shù)據(jù)時，通過溫度、濕度采集按鍵來對小車進行收發(fā)轉(zhuǎn)換，同時小車發(fā)出采集數(shù)據(jù)指令，之后再次轉(zhuǎn)為接收模式。這樣做之后使小車與控制臺的軟件部分清晰明了，小車的行進以及采集顯示數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r的進行。

　　濕度測量系統(tǒng)需要測試是否能夠精準輸出頻率值。采用芯片LM555手冊上推薦的電路，由于元件的誤差，使輸出的頻率并不精確，經(jīng)過與標準的濕度儀進行比對，通過參數(shù)調(diào)整，用直線做近似，最后得到的頻率值誤差在幾赫茲(頻率范圍是6 008～7 314Hz)，經(jīng)過預(yù)算得到很準確的濕度值。開始求濕度值時用的是解一元三次方程的方法，由于計算量大，對小車的行進會有很大影響，后來在小車端只是把小車采集到的頻率值通過紅外天線傳輸?shù)街骺囟?，并將原先的小車自動避障由NiosⅡCPU控制改為由Verilog編寫的硬件模塊控制，最后在控制臺做濕度值的計算。這樣的更改既減少了小車NiosⅡCPU的工作量，同時由于小車的自動避障改為由獨立的Verilog模塊控制，運行起來很流暢。

　　對于無線收發(fā)系統(tǒng)，要測試其可靠性以及發(fā)送或接收的信息的準確性。測試方法是單獨設(shè)計了一個軟核下載到SoPC中，并編寫一段程序用于測試是否正確寫入配置控制字，是否能夠進行ShockBurst模式的接收或發(fā)送。問題是對天線各模式時序的把握，一開始寫的程序總是不能正確寫入配置字，反復(fù)調(diào)試，并用數(shù)字示波器觀察寫入配置字的瞬間過程以及各延時的時間，最后測試成功，并把發(fā)送或接收的狀態(tài)用LED顯示出來，每發(fā)送或接收到一個數(shù)據(jù)包就讓LED閃一下。

　　4 結(jié)語

　　本設(shè)計以FPGA嵌入NiosⅡ軟核處理器為核心，輔以必要的外圍電路，構(gòu)成了高度集成化的片上系統(tǒng)。另外，SoPC系統(tǒng)的柔性配置，使得可以基于此系統(tǒng)擴展片外存儲器和多路輸出。設(shè)計的小車具有較強的避障能力，且能通過接收端對其進行方便的控制，溫度和濕度采集均達了較高的精度，并且能實現(xiàn)動態(tài)顯示，無線收發(fā)模塊的有效范圍最遠可達300 m，可應(yīng)用于較為惡劣的環(huán)境，可代替人進行溫度和濕度的實地檢測。

　　智能小車機器人的智能化對我們的生產(chǎn)生活有哪些影響?

　　關(guān)于這個問題，智能小車機器人的智能化對我們的生產(chǎn)生活有以下影響：

　　1. 提高生產(chǎn)效率：智能小車機器人能夠自主導(dǎo)航、自動避障、自動充電等，可以減少人工干預(yù)，提高生產(chǎn)效率，降低人力成本。

　　2. 降低安全風險：智能小車機器人可以在危險環(huán)境下代替人工操作，減少工人的傷亡和生產(chǎn)安全事故發(fā)生的可能性。

　　3. 提高產(chǎn)品質(zhì)量：智能小車機器人可以精準、快速地完成生產(chǎn)任務(wù)，減少人為因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　4. 促進生產(chǎn)自動化：智能小車機器人的智能化使得生產(chǎn)自動化程度更高，減少人為干預(yù)，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

　　5. 釋放人力資源：智能小車機器人能夠代替人工完成一些重復(fù)性、繁瑣的工作，釋放人力資源，讓工人更加專注于高級、復(fù)雜的工作。

　　6. 推動產(chǎn)業(yè)變革：智能小車機器人的智能化將會推動產(chǎn)業(yè)變革，改變生產(chǎn)模式，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，促進產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展。

　　智能小車機器人可以在很多場景中作為輔助性工具，在我們的生產(chǎn)和生活中有著越來越重要的作用，具有以下影響：

　　1. 提高生產(chǎn)效率：智能小車機器人能夠協(xié)助生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，降低勞動成本。

　　2. 提升生活質(zhì)量：可以讓機器人代替人類完成某些繁重、危險或無聊的工作，讓人類從中解脫出來，更加便利。

　　3. 智能服務(wù)：智能小車機器人可以擔當客服、咨詢等服務(wù)工作，解決顧客疑問和咨詢。