嵌入式月球車競賽方案設計

2010年全國職業(yè)院校技能大賽高職組“嵌入式產品開發(fā)”項目競賽方案設計嵌入式系統(tǒng)(EmbeddedSystem)在于結合微處理器或微控制器的系統(tǒng)電路與其專用的軟件，來達到系統(tǒng)運作效率成本的最優(yōu)化。今天凡移動電話、手表、電視機、電子游戲機、PDA、冰箱等家用電器和通訊產品乃至于電動交通工具的控制核心無不與嵌入式系統(tǒng)息息相關。而在后PC時代，家具、玩具、汽車、新一代手機、數碼產品、先進的醫(yī)療設備乃至于即將到來的智能型房屋、智能型辦公室、與其它跟電相關的器材設備更是缺少不了嵌入式系統(tǒng)的這個核心技術。我國高職院校針對這一發(fā)展趨勢，特別是電子信息方向大約有三百多家學校已經陸續(xù)開設了嵌入式應用技術的專業(yè)或專業(yè)方向。電子信息專業(yè)指導委員會也進行了嵌入式應用技術的課程立項研究，結合嵌入式系統(tǒng)工程師行業(yè)認證體系，明確了高職院校嵌入式應用技術的教學內容和發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)工程師行業(yè)認證體系包含：嵌入式硬件工程師、嵌入式軟件工程師和嵌入式調測工程師三個職業(yè)認證方向。工作過程包含嵌入式產品研發(fā)、生產、銷售等各個環(huán)節(jié)，可從事元器件檢驗，嵌入式產品生產、調測，嵌入式產品的銷售和售后服務，以及嵌入式產品的初級設計。為推動嵌入式應用技術專業(yè)的發(fā)展，促進各高職院校嵌入式技術應用人才的培養(yǎng)。電子信息專業(yè)教學指導委員會申請并承辦了2010年全國職業(yè)院校技能大賽高職組嵌入式產品開發(fā)的電子大賽。大賽專家組在調研和吸收各方面的意見后，采用了“探月車”做為嵌入式產品開發(fā)大賽的載體?！版隙鸸こ獭笔最w探月衛(wèi)星“嫦娥一號”10月24日發(fā)射成功，拉開中國探索外太空的序幕。2012年，“嫦娥工程”將實現“落地”，探月車也將發(fā)揮重要角色。見諸報端的至少有7家高校和科研單位在從事月球車的研制。參考最早從事探月車研究的哈爾濱工業(yè)大學的六輪搖臂式探月車的運動特點，將其作為嵌入式產品開發(fā)的應用對象。六輪搖臂式探月車具有自主行走，爬坡、避障、圖像識別，紅外測溫等功能。探月車可以在模擬月球環(huán)境的賽道上運行，小車自主行走，按照自己的行走方式向目標物靠近，途中會遇到障礙物，坡，溝壑等等，它能自己處理避障，爬坡，越溝，到達目標物，然后采集檢測點的圖像和溫度，處理好通過無線網絡傳輸到上位機，并在上位機上顯示出來。整個一系列的過程都用到嵌入式的知識，將學生學習的嵌入式知識最大程度的得到應用。一、探月車的整體結構功能特點：1、 6輪驅動電機，6舵機驅動2、 月球車直線行走3、 月球車轉彎行走4、 具有爬坡，臺階的功能5、 具有越障功能6、 CMOS攝像頭圖像采集7、 紅外溫度采集8、 無線傳輸9、 加速度計檢測小車行進中的姿態(tài)，保持車身平穩(wěn)

探月車由車體和上面的嵌入式電子線路兩大部分組成。車體包含驅動電機、舵機、搖臂、車架、鋰電池幾部分。嵌入式電子線路有嵌入式核心板、主板、驅動板和檢測板組成。嵌入式ARM控制器核心板采用三星ARM9S3C2440微處理器。以及內存、網絡控制器等芯片。3孝一空ARM9S3C2440核心板主板的主要功能有CMOS攝像頭的頭像采集、圖像識別以及處理，非接觸式紅外溫度傳感器溫度采集的處理，加速度傳感器對小車的姿態(tài)的檢測。主板上的外圍器件主要有串口、USB主從口、網口、音頻接口，蜂鳴器、按鍵和4個LED,以及實時時鐘電源，攝像頭、紅外溫度傳感器插座等等。以及與電機驅動控制部分進行通訊，向電機驅動模塊發(fā)送指令從而控制電機、舵機的運行?？刂浦靼弪寗影逋瓿蓪﹄姍C和舵機的控制功能。主要有單片機控制單元和電機驅動單元。單片機選用的是現在目前學生比較流行使用的宏晶單片機STC12C5A32S2,是一個單時鐘周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路探月車由車體和上面的嵌入式電子線路兩大部分組成。車體包含驅動電機、舵機、搖臂、車架、鋰電池幾部分。嵌入式電子線路有嵌入式核心板、主板、驅動板和檢測板組成。嵌入式ARM控制器核心板采用三星ARM9S3C2440微處理器。以及內存、網絡控制器等芯片。3孝一空ARM9S3C2440核心板主板的主要功能有CMOS攝像頭的頭像采集、圖像識別以及處理，非接觸式紅外溫度傳感器溫度采集的處理，加速度傳感器對小車的姿態(tài)的檢測。主板上的外圍器件主要有串口、USB主從口、網口、音頻接口，蜂鳴器、按鍵和4個LED,以及實時時鐘電源，攝像頭、紅外溫度傳感器插座等等。以及與電機驅動控制部分進行通訊，向電機驅動模塊發(fā)送指令從而控制電機、舵機的運行?？刂浦靼逍≤囼寗影?51/L298N)(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。電機驅動單元主要采用3個L298N電機驅動芯片，用來驅動6個電機，L298N是內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器可驅動46v,2A以下電機。小車驅動板(51/L298N)探月車上的一些傳感器模塊及外設模塊，主要有攝像頭模塊、非接觸式紅外傳感器模塊、加速度計模塊和無線網卡。攝像頭、紅外測溫、加速度計和無線網卡這里我們主要用紅外溫度傳感器測量被測物體（鋁塊）的體表溫度，其溫度測量范圍為0-80度，溫度精確度為0.2度，測量范圍為20mm,測量角度為120度。用來測量被測物體的溫度，將檢測回來的模擬量通過放大，AD轉換處理，通過無線網絡送回上位機。二、探月車的賽道探月車的賽道是用亞光白的鋼板制作而成，長300mm,寬300mm,高75mm,平臺地面放一層噴繪的圖片，模擬月球真實的地貌，更形象的反應出月球車的特點。在賽道中間布置有若干個不同形狀和顏色，并且溫度可控的的探測點。賽道上放還有攝像監(jiān)控設備和計時器，實時監(jiān)測比賽的過程并可在大屏幕上顯示出來，體現比賽的公平性。探月車賽道- —=_-三、探月車比賽方案針對嵌入式應用技術專業(yè)的培養(yǎng)目標，大賽將全面考核參賽選手在嵌入式應用技術方面的技能點和知識點?？紤]到大賽的時間比較短，把大賽的技能點放在驅動板的安裝、焊接和調測上，同時把知識點的考核放在控制軟件的編制上。參考探月車的任務，探月車從軟著陸器上跑下來，然后在月球上自主行走，探月車是個智能機器人，需要具備獨立處理各種環(huán)境的能力。探月車需要配置若干個傳感器，在得知周圍環(huán)境、自身姿態(tài)、位置等信息后，勾畫出到達目標點的路徑，并導航控制探月車走到目的地進行探測工作。探測任務包括土壤分析、地形、地貌等信息，然后將探測數據通過無線的方式發(fā)回地球。大賽設計的比賽任務為按設定的順序分別探測賽道上不同探測點的溫度和圖像，然后將所得結果通過無線網絡發(fā)回上位機。探測的順序可以是先探測紅色的球形，然后是黃色的柱形，然后是藍色的錐形，等等?？稍诒荣愰_始時隨機設定。探月車在賽道上指定位置起始后,根據攝像頭拍攝的照片，經過圖像識別自主確定行走的方向和路線，按比賽要求的順序對各探測點的溫度進行測量并對探測點拍攝圖片，通過無線網絡將溫度值和圖像發(fā)給上位機，以測量精度高且用時最少完成任務為勝利者。比賽分兩天、兩個階段進行，共16小時。第一階段的主要內容是：（1） 利用大賽提供的驅動電路PCB板和套件，按照大賽所提供的工藝文件裝配、焊接與調試驅動模塊電路，并對紅外測溫電路進行溫度標定；（2） 根據大賽的任務要求，將現場焊接、調試的電路模塊和各個參賽隊已經準備好的嵌入式系統(tǒng)核心板、主板、探測板、無線網絡等進行組裝，并進行軟件編寫、安裝與整機調測；（3） 按照要求編寫技術文件并與作品一并提交給競賽委員會封存；（4） 在完成產品基本功能的基礎上，參賽選手可以在一定范圍內進行擴展功能的發(fā)揮。（擴展功能可以有以下幾個方面：1、設置軟著陸器，從軟著陸器上通過一個三十度的坡道下到月球表面，要求在下坡過程中保持探月車車體保持水平。2、設置水分探測，對探測點的水分進行探測，并發(fā)回水分探測數據。3、對探測點的物質成分進行探測，并發(fā)回數據。）第二階段的主要內容是：（1） 按設定的探測順序進行任務比賽；（2） 獲得答辯資格的參賽隊進行答辯。第一階段的競賽時間為第一天8:00到第二天12:00；第二階段的競賽時間為第二天的12:00?16:00。采用A、B板制：提供給參賽隊兩套線路板，一套A板，一套B板。A板為比賽板，線路板為綠色，功放為散件，由學生自己安裝調試；核心板沒有程序，需要學生自己編寫下載。B板為標準板，線路板為紅色，功放板已經調試完畢，核心板也下載好了運行程序。這樣，當參賽隊功放板不能完成時，可以采用B板進行軟件部分的比賽。同樣當軟件部分不能完成時，可以采用B板核心板進行比賽，而得到硬件部分的成績。A、B板采用兩種不同的顏色可方便裁判區(qū)分。比賽工作區(qū)設置：每個參賽隊工作區(qū)間面積大約9平方米（3mx3m）,確保參賽隊之間互不干擾。每個工作區(qū)間需標明編號。工作區(qū)間內部配置1張有5孔單相電源插座2個的實訓工作臺作為焊接調試操作臺，上面擺放電子儀器儀表和電子制作工具等；每個工作間另有兩張電腦臺用來擺放組建局域網的微機；配備3把工作椅（凳）；電子儀器儀表和電子制作工具包括：穩(wěn)壓電源（1臺/組：0?30V/0?3A，兩路輸出）；示波器（1臺/組：雙蹤，20MH