基于ARM自主避障机器鱼设计

摘要：研究设计了基于ARM芯片和LINUX嵌入式系统具有自主避障功能的机器鱼。首先搭建了基于ARM芯片的硬件平台，然后对图像采集、图像显示和红外测距进行实现。通过红外传感器实现机器鱼的自主避障的功能。实验表明基于该方案设计的机器鱼能流畅地进行实时自主避障与图像显示。可以作为后续机器鱼的自主视觉功能开发的基础，提高了机器鱼的智能度。
关键词：自主避障；ARM；红外测距；LINUX嵌入式系统

    随着科技的发展与进步，出现了具有特殊功能的智能机器，如索尼公司生产的能够以自我“意识”来“感觉”“学习”和“饲养”的宠物机器狗，以弗吉尼亚理工大学研制的CHARLI-L1机器人为基础进行升级改造的SAFFIR的消防机器人等。机器鱼作为一项比较新的产品，涉及到机器鱼的智能开发并不深，因此机器鱼的智能化程度并不高，但随着机器鱼研究的加深，相信机器鱼的智能度会大大提高，功能也会更趋完善。目前的机器鱼类型主要有遥控机器鱼和语音控制机器鱼，例如曾在德国汉诺威电子展上展现的通过机器鱼体内收缩来提供动力的遥控式机器鱼和在西南民族大学诞生的国内首个的声控机器鱼等。据调查显示同内涉及到具有自主避障与自主视觉功能的智能机器鱼的研究与开发并不多。由于技术等诸多原因我们选择了设计自主避障的机器鱼。由于机器鱼具有机动性、高效性、低噪性等优点，所以高智能的机器鱼适合去完成如探测污染物质、绘制港口的实时立体图和对海底资源进行探测等具有一定难度和危险的任务。由于国内涉及到机器鱼智能的开发程度不高，所以高智能的机器鱼研发有较大的空间。

1 硬件系统设计
1．1 工作原理
    机器鱼主硬件原理如图1所示。机器鱼的自主避障功能是通过以ARM芯片、LINUX嵌入式系统、红外传感器等结合实现的。机器鱼在水中分别通过摄像头、红外传感器、LCD进行画面采集、自主避障和画而显示。摄像头采集到图片后，图像被缓存于SDRAM中。ARM芯片通过红外传感器的AD管脚向发射器传送命令，使探测器的发射模块不断地向外发送红外线，当接收器接收到返回的红外线后会立刻通过AD管脚向ARM芯片传送与红外线返回的光强相应的电压，电压经过ARM芯片的A／D转换器转变成十位的二进制数字量，通过一定的公式计算出此时与障碍物的距离。当计算出来的距离小于预设量时，ARM芯片的控制软件执行一个串行中断指令改变脉冲的脉宽即改变改PWM波的占空比变，进而改变机器鱼的游向从而避开障碍物。

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1．2 ARM芯片模块设计
    ARM处理器拥有16／32Bit内核和具有450MIPS运算能力。400MHz的标准工作频率可满足高速的应用要求。ARM主芯片有内置数字摄像头接口，可选配130万像素CMOS号业摄像头进行图像采集。ARM处理器的外围扩展了64M的SDRAM和FLASH，ARM主芯片支持Linux、uCOS-II、WINCE等操作系统。ARM芯片高度集成，主芯片拥有CPU、Nand flash、Nor flash、Ethernet controller等资源。CPU内的所有可用资源可通过200pin引脚引出。接口核心板可以单独构成系统，无需外围器件。
    嵌入式Linux (Embedded Linux)是指对标准Linux经过小型化裁剪处理之后，能够固化在容量只有几KB或者几MB字节的存储器芯片或单片机中。它具有成本低、源代码开放和移植性好的优点。在工程中得到了广泛的应用，适合于特定嵌入式的应用场合。
1．3 红外模块
    红外线是介于可见光和微波之间的一种电磁波。它兼具可见光折射、反射、直线传播以及微波的贯穿一些不透明物质和较强的穿透的能力。红外传感器包括红外发射模块和红外接收模块。科学实验表明温度高于绝对零度的任何物体均可产生红外辐射，因此红外传感器要有更强的发射红外的能力。
    距离探测器的类型主要有激光探测器、视觉探测器、超声波传感器和红外传感器。由于激光探测器和视觉探测器比较昂贵而且对控制器的要求很高，所以不选为机器鱼的避障器。超声波传感器测距范围一般在30～300 cm，可见短距离测距是超声波传感器的盲区。能“看”到几米之外障碍物对于机器鱼的意义并不大，而红外传感器的测距距离一般在几十厘米之内，因此我们选择红外传感器作为机器鱼的避障器。
    GP2YOA21YK0F是夏普的一款距离测量传感器。它由PSD(position sensitive detector)、IRFD(infrared emitting diode)以及信号处理电路三部分组成。由于采用了三角测量方法，所以被测环境温度、物体的材质以及测量时间均不会影响传感器的测量结果的精确度。接收到反射回来的红外线后，传感器输出一个与返回光强成正比模拟电压。输出的模拟电压经过ARM的A／D转换器变成数字量，数字量传到MCU后以一定的算法计算出机器鱼与障碍物之间的距离。将探测的结果与预设值比较，若大于预设值则不执行中断即继续前进，否则执行中断进行避障。红外传感器硬件原理如图2所示。

1．4 摄像头模块
    为机器鱼配备的摄像头是CMOS数字图象传感器。采用的是Ommvision公司的OV9650，OV9650具有130万的像素、10Bit的数据接口与标准SCCB接口，其分辨率达1280x1024并采用CSP-28封装该摄像头用类似于IIc总线的Secb总线连接到ARM主芯片的IIc接口进行通信。在ARM芯片中，摄像头的接口控制模块(CAMIF)由图像采集模块、视频预览尺度模块、模式混合模块、特殊功能寄存器(SFR)模块、码流尺度模块、视频预览DMA模块以及码流DMA模块构成。COMS摄像头OV9650输出的ITU-656格式视频码流，经CAMIF处理后，将采集到的视频码流成两路不同的格式进行传输，两路格式不同的信号分别进入不同的帧存储单元进行存贮，之后根据ARM控制器的指令通过视频DMA通道进行传输。摄像头原理如图3所示。

1．5 LCD模块
    LCD液品显示器是(Liquid Crystal Display)的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。LCD有扭转式向列型(Super Twisted Nematic，简称STN)和薄膜式晶体管型(Thin Film Transistor，简称TFT)两种主流类型。因为TFT有反应速度快、可视角度大、色彩丰富、分辨率高、对比度、亮度高等优点，所以我们选择TFT的LCD。LCD硬件原理、LCD控制器功能如图4所示。

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    LCD的工作受其控制器控制完成，图5为LCD控制器功能图。通过LCD控制器的寄存器组REGBANK来对LCD控制器的各项参数进行设置。而LCDCDMA则是LCD控制器专用的DMA通道，负责将视频数据从显存(显存是SDRAM中的一块区域，可利用REGBANK编程设定)中取出，并从VIDPRCS从VD[23：0]发送给LCD屏。同时LPC3600和TIMECEN负责产生LCD屏所需的控制时，然后从VIDEOMUX送给LCD屏。TIMEGEN包含可编程逻辑，可通过程序进行设定。TIMEGEN能产生不同LCD屏驱动电路所需要的时序信号。

    LCD部分接口介绍。VFRAME／VSYNC／STV接口：传送LCD控制器和LCD驱动器之间的帧同步信号。
    VLINE／HSYNC／CPV接口：传送LCD控制器和LCD驱动器之间的同步脉冲信号。
    VCLK／LCD_HCLK接口：传送LCD控制器和LCD驱动器之间的像素时钟信号。
    VM／VDEN／TP接口：传送LCD驱动器使用的交流信号。
    VD [23：0]接口：LCD的像素数据输出端即RGB信号线。

2 系统软件设计
2．1 主程序流程
    ARM芯片通过AD管脚对红外传感器的发射模块传送命令。发射模块发射红外线，接收模块接收遇到障碍物反射回来的红外线，根据返回光强产生相应的模拟电压，经过A／D转换器后变成十位的二进制数据量，通过一定算法计算出到障碍物的距离。ARM芯片判断计算出的距离与预设值的逻辑关系，根据结果判断是否进行避障。摄像头采集图片后，将图片缓存于SDRAM中，LCD读取数据并将图像显示出来。主程序流程如图6所示。

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2．2 红外模块
    在ARM的A／D进行转换时，首先要对ADC控制寄存器进行初始化，选择进行转换的模拟输入端，进行A／D转换，并从ADCDAT0读取转换结果。探测的结果小于预设值时ARM芯片执行中断，改变PWM波的占空比使机器鱼转向进行避障，反之继续前进。红外模块流程如图7所示。
2．3 摄像头模块
    摄像头属于字符类设备，所以能够像字节流一样被程序访问，而且只能够按顺序读写。Linux内核程序通过设备的位号来寻找摄像头。Linux内核发送测试信号到地址0X9650，以检测摄像头是否存在。OV9650拥有多组寄存器，图像的输出编码方式和分辨率等参数取决于OV9650的寄存器。IIC (Inter Integration Circuit)是指内部整合电路，是常用的标准串行接口。系统是通过IIC总线对寄存器进行整体配置，所以此过程不会占用系统数据总线。考虑到图像传输的效率，所以摄像头与ARM芯片之间的Data[0]～Data[7]的通道仅用以传输图像数据。以下为摄像头的部分初始化代码。
    SrcWidth=640-WinHorOffset*2；／／CAM_SRC_HSIZE为640，CAM_SRC_VSIZE为480
    SrcHeight=480-WinVerOffset*2；／／计算得SrcWidth=440，SrcHeight=280
    rCIWDOFST=0；／／窗口垂直偏移为0
    rCIWDOFST=(WinOfsEn<<31) | (WinHorOffset<<16) | (WinVerOffset)；／／水平偏移为100，垂直偏移为100
    rCISRCFMT=(1<<31) | (0<<30) | (0<<29) |(640<<16) | (0<<14) | (480)；／／30位设置为1后，图像颜色失真，偏彩色
    Calculate Prescaler RatioShift (SreWidth，PrDstWidth，&PreHorRatio，&H_Shin)；／／计算并设置突发长度
    Calculate Prescaler RatioShift (SrcHeight，PrDstHeight，&PreVerRatio，&V_Shift)；／／计算水平和垂直缩放比率和位移量、水平和垂直比率
    摄像头模块流程如图8所示。

3 结束语
    本文介绍了红外探测器在机器鱼上的应用以及画面的实时显示。通过红外传感器使机器鱼具有了自主避障的功能。实验表明基于ARM芯片和LINUX嵌入式系统平台开发的自主避障功能的机器鱼具有较高的实时避障功能，表明该机器鱼具有灵敏度较高的自主避障功能。此设计提高了机器鱼智能度，可作为后续自主视觉机器鱼开发的基础。相信随着高智能的机器鱼的研究与设计会给人类探索、开发海洋提供更多的帮助与便利。