基于BMTI高可靠SPARC處理器的智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.摘要

為了解并研究火星探測(cè)相關(guān)技術(shù)，本項(xiàng)目以北京航天微電子科技的BM3823微處理器為核心處理器，結(jié)合其高可靠性高抗輻射的特性，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具備基本功能的仿真“火星車”平臺(tái)。該平臺(tái)最大化利用BM3823外設(shè)資源，用GPIO實(shí)現(xiàn)紅外檢測(cè)、超聲測(cè)距等,用UART中斷實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)回傳，制定了相關(guān)串口傳輸協(xié)議，用IIC實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂舵機(jī)組控制、OLED顯示和環(huán)境感知，用定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)二級(jí)線程劃分，包括通訊線程與控制線程，用SPI轉(zhuǎn)CAN實(shí)現(xiàn)了車體控制。整合上述相關(guān)資源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、圖像回傳、機(jī)械臂遙控抓取、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、環(huán)境感知、智能避障等多種功能。

2.作品背景

天問一號(hào)火星探測(cè)器在成功抵達(dá)火星之后被一分為二，其中一部分繼續(xù)圍繞火星的軌道繼續(xù)繞行，而另一部分?jǐn)y帶著“祝融號(hào)”火星車成功著陸火星表面，2021年5月17日，祝融號(hào)火星車首次通過環(huán)繞器傳回遙測(cè)數(shù)據(jù)。2021年 5月22日10時(shí)40分，“祝融號(hào)”火星車已安全駛離著陸平臺(tái)，到達(dá)火星表面，開始巡視探測(cè)。隨著一系列的壯舉完成之后，宣告著我國(guó)正式開啟了對(duì)于火星的探索。

3.作品意義

在BMTI高可靠300MHz處理器SPARC處理器的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展子板系統(tǒng)，構(gòu)建一種智能控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，旨在最大化利用處理器資源。根據(jù)目前航天需求，結(jié)合航天中的復(fù)雜環(huán)境，設(shè)計(jì)一種“火星車”，可以應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境，并可實(shí)現(xiàn)基本功能需求。本項(xiàng)目以火星車為研究對(duì)象，結(jié)合火星車在火星上執(zhí)行任務(wù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)相應(yīng)功能Demo，對(duì)火星車控制技術(shù)技術(shù)研究開發(fā)有積極的探索和啟蒙意義。

4.作品介紹

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)圖如上圖所示，整個(gè)系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，我們根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的功能需求，確定了系統(tǒng)的電壓等級(jí)與電流裕量，設(shè)計(jì)了電源系統(tǒng)，主要用于核心板的供電、“火星車”車體的供電、機(jī)械臂供電與外圍傳感器電路供電。根據(jù)每個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的電路子板，并在各個(gè)子板的基礎(chǔ)上，編寫了響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)代碼，旨在通過使用BM3823開發(fā)板實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，并最大化利用BM3823資源。除此之外，我們采用庫(kù)函數(shù)編程思想，對(duì)BM3823的絕大多數(shù)基礎(chǔ)外設(shè)資源進(jìn)行了函數(shù)封裝，并一一進(jìn)行了穩(wěn)定性測(cè)試，可最大化減少后續(xù)人員的開發(fā)時(shí)間，提升開發(fā)效率。

4.2 實(shí)現(xiàn)功能

遠(yuǎn)程行駛
用戶可通過遠(yuǎn)程控制端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能，可控制“火星車”的基本運(yùn)動(dòng)，包括前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，同時(shí)可控制車體的運(yùn)行速度與車體前置燈光，用戶可下發(fā)“漫游”命令，使“火星車”以自動(dòng)避障狀態(tài)行駛，也可下發(fā)機(jī)械臂控制指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的控制。

系統(tǒng)狀態(tài)回傳及監(jiān)測(cè)
系統(tǒng)狀態(tài)可以通過無線串口回傳至上位機(jī)，具體包括“火星車”移速與轉(zhuǎn)速反饋、故障反饋、電機(jī)溫度反饋、燈光狀態(tài)反饋、測(cè)距反饋、控制指令反饋等，其中故障反饋又包括電池欠壓故障、電機(jī)通訊故障、電機(jī)過流故障等，用戶可通過遙控遠(yuǎn)程清除故障。

機(jī)械臂遙控抓取
為滿足火星探測(cè)任務(wù)，設(shè)計(jì)了車載機(jī)械臂，機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)與BM3823開發(fā)板通過IIC通訊，可使用遙控器遠(yuǎn)程控制機(jī)械臂，機(jī)械臂上搭載攝像頭，可以實(shí)時(shí)圖傳，從而實(shí)現(xiàn)抓取任務(wù)。

環(huán)境感知
為滿足火星探測(cè)任務(wù)，設(shè)計(jì)了氣體檢測(cè)單元，包括有可燃?xì)怏w檢測(cè)、一氧化碳檢測(cè)，增設(shè)了光敏與熱敏感知單元，可以粗略檢測(cè)環(huán)境光與環(huán)境溫度，通過ADC芯片將數(shù)據(jù)傳輸至開發(fā)板，進(jìn)而遠(yuǎn)程傳輸給用戶控制端，實(shí)現(xiàn)基本的環(huán)境感知任務(wù)。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.3.1 硬件設(shè)計(jì)

“火星車”底盤選型

為了加快該作品關(guān)鍵技術(shù)研究，結(jié)合考慮需要實(shí)現(xiàn)的功能以及最后成品的美觀，該項(xiàng)目直接選用了由松靈機(jī)器人（深圳）有限公司生產(chǎn)的SCOUT MINI機(jī)器人底盤，該底盤是一款全地形高速M(fèi)ini UGV，具有四輪差速驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立懸掛、原地差速自轉(zhuǎn)等功能，非常符合火星車原型的需求，該底盤車載空間極大，可以非常方便的將BM3823開發(fā)板嵌入其中，而且也有富足的空間搭載機(jī)械手等“火星任務(wù)”設(shè)備。該底盤提供了CAN接口的控制方式。供電為24V。

擴(kuò)展板設(shè)計(jì)
由于開發(fā)板并未將全部資源以排針形式引出，為了更加方便的擴(kuò)展外設(shè)，自己設(shè)計(jì)了與開發(fā)板板對(duì)板連接的擴(kuò)展板，其設(shè)計(jì)效果如下圖所示：

無線遙控器設(shè)計(jì)
為了完成對(duì)“火星車”的遠(yuǎn)程遙控操作，采用STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款遙控器，其實(shí)物圖如下圖所示。

4.3.2 軟件設(shè)計(jì)

底層庫(kù)函數(shù)封裝
由于所采用處理器是一款基于sparc內(nèi)核的處理器，也是一款比較小眾的處理器，可查可借鑒資料較少，編程都是基于配置寄存器進(jìn)行編程，為了使系統(tǒng)的可維護(hù)性更高，本作品基于C語(yǔ)言對(duì)BM3823的寄存器進(jìn)行了接口封裝。

應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)
基于BM3823高性能處理器的“火星車”底盤控制為CAN總線控制，控制模式為指令控制，可以直接通過BM3823發(fā)送指令控制車體的移動(dòng)，指令的接收是通過遙控遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)的。車體上電后，BM3823等待遙控指令，并回傳畫面至上位機(jī)界面，可實(shí)現(xiàn)以下功能：
（1）遙桿控制“火星車”基本運(yùn)動(dòng)；
（2）發(fā)送“巡邏”命令實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障；
（3）超聲測(cè)距；
（4）燈光控制；
（5）機(jī)械臂操控；
（6）故障清除；
（7）數(shù)據(jù)回傳；
（8）狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
整體系統(tǒng)流程圖如圖所示：

遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件
由于火星車工作場(chǎng)景的特殊，一般火星車的任務(wù)執(zhí)行都是遠(yuǎn)程人員操控來完成，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)用于與火星車遠(yuǎn)程交互的上位機(jī)軟件，我們使用PyQt來完成上位機(jī)設(shè)計(jì)。界面主要包含基本的火星車狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示、現(xiàn)場(chǎng)畫面回傳顯示，以及火星車遠(yuǎn)程操控，參數(shù)設(shè)置等人車交互功能。

4.4 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

最后作品的成品圖如圖所示：

①攝像頭
②超聲波
③機(jī)械臂
④光電傳感器
⑤網(wǎng)絡(luò)圖傳
⑥子板擴(kuò)展
⑦無線串口
⑧BM3823開發(fā)板
⑨GPS導(dǎo)航儀
⑩“火星車”底盤

針對(duì)最初的功能需求，我們分別對(duì)無線遙控、實(shí)時(shí)圖傳、基礎(chǔ)避障、上位機(jī)顯示以及機(jī)械臂抓取進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基本達(dá)到了預(yù)期要求。

審核編輯 ：李倩