【2021集创赛】航天微电子杯国二作品分享——基于BMTI高可靠SPARC处理器的智能控制系统设计

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团队价绍

参赛单位：上海应用技术大学
参赛队伍：犇犇牛
指导老师：蒋文萍丁肇红
参赛队员：温晓静韩文超黄辉
参赛赛道：航天微电子杯
获奖情况：全国总决赛二等奖，华东赛区二等奖

1.摘要

为了解并研究火星探测相关技术，本项目以北京航天微电子科技的BM3823微处理器为核心处理器，结合其高可靠性高抗辐射的特性，设计实现了一个具备基本功能的仿真“火星车”平台。该平台最大化利用BM3823外设资源，用GPIO实现红外检测、超声测距等,用UART中断实现远程控制、数据回传，制定了相关串口传输协议，用IIC实现机械臂舵机组控制、OLED显示和环境感知，用定时器中断实现二级线程划分，包括通讯线程与控制线程，用SPI转CAN实现了车体控制。整合上述相关资源，实现远程控制、图像回传、机械臂遥控抓取、系统状态监测、环境感知、智能避障等多种功能。

2.作品背景

天问一号火星探测器在成功抵达火星之后被一分为二，其中一部分继续围绕火星的轨道继续绕行，而另一部分携带着“祝融号”火星车成功着陆火星表面，2021年5月17日，祝融号火星车首次通过环绕器传回遥测数据。 2021年 5月22日10时40分，“祝融号”火星车已安全驶离着陆平台，到达火星表面，开始巡视探测。随着一系列的壮举完成之后，宣告着我国正式开启了对于火星的探索。

3.作品意义

在BMTI高可靠300MHz处理器SPARC处理器的基础上，扩展子板系统，构建一种智能控制系统，通过系统方案设计，旨在最大化利用处理器资源。根据目前航天需求，结合航天中的复杂环境，设计一种“火星车”，可以应对复杂环境，并可实现基本功能需求。本项目以火星车为研究对象，结合火星车在火星上执行任务的特点，设计开发相应功能Demo，对火星车控制技术技术研究开发有积极的探索和启蒙意义。

4.作品介绍

4.1 系统架构

系统架构图如上图所示，整个系统分为硬件系统和软件系统，我们根据整个系统的功能需求，确定了系统的电压等级与电流裕量，设计了电源系统，主要用于核心板的供电、“火星车”车体的供电、机械臂供电与外围传感器电路供电。根据每个功能模块设计了对应的电路子板，并在各个子板的基础上，编写了响应的驱动代码，旨在通过使用BM3823开发板实现相应功能，并最大化利用BM3823资源。除此之外，我们采用库函数编程思想，对BM3823的绝大多数基础外设资源进行了函数封装，并一一进行了稳定性测试，可最大化减少后续人员的开发时间，提升开发效率。

4.2 实现功能

远程行驶
用户可通过远程控制端实现远程控制功能，可控制“火星车”的基本运动，包括前进、后退、左转、右转，同时可控制车体的运行速度与车体前置灯光，用户可下发“漫游”命令，使“火星车”以自动避障状态行驶，也可下发机械臂控制指令，实现机械臂的控制。
系统状态回传及监测
系统状态可以通过无线串口回传至上位机，具体包括“火星车”移速与转速反馈、故障反馈、电机温度反馈、灯光状态反馈、测距反馈、控制指令反馈等，其中故障反馈又包括电池欠压故障、电机通讯故障、电机过流故障等，用户可通过遥控远程清除故障。
机械臂遥控抓取
为满足火星探测任务，设计了车载机械臂，机械臂驱动与BM3823开发板通过IIC通讯，可使用遥控器远程控制机械臂，机械臂上搭载摄像头，可以实时图传，从而实现抓取任务。
环境感知
为满足火星探测任务，设计了气体检测单元，包括有可燃气体检测、一氧化碳检测，增设了光敏与热敏感知单元，可以粗略检测环境光与环境温度，通过ADC芯片将数据传输至开发板，进而远程传输给用户控制端，实现基本的环境感知任务。

4.3 系统设计

4.3.1 硬件设计

“火星车”底盘选型

为了加快该作品关键技术研究，结合考虑需要实现的功能以及最后成品的美观，该项目直接选用了由松灵机器人（深圳）有限公司生产的SCOUT MINI机器人底盘，该底盘是一款全地形高速Mini UGV，具有四轮差速驱动、独立悬挂、原地差速自转等功能，非常符合火星车原型的需求，该底盘车载空间极大，可以非常方便的将BM3823开发板嵌入其中，而且也有富足的空间搭载机械手等“火星任务”设备。该底盘提供了CAN接口的控制方式。供电为24V。

扩展板设计
由于开发板并未将全部资源以排针形式引出，为了更加方便的扩展外设，自己设计了与开发板板对板连接的扩展板，其设计效果如下图所示：
无线遥控器设计
为了完成对“火星车”的远程遥控操作，采用STM32单片机设计了一款遥控器，其实物图如下图所示。

4.3.2 软件设计

底层库函数封装
由于所采用处理器是一款基于sparc内核的处理器，也是一款比较小众的处理器，可查可借鉴资料较少，编程都是基于配置寄存器进行编程，为了使系统的可维护性更高，本作品基于C语言对BM3823的寄存器进行了接口封装。
应用层软件设计
基于BM3823高性能处理器的“火星车”底盘控制为CAN总线控制，控制模式为指令控制，可以直接通过BM3823发送指令控制车体的移动，指令的接收是通过遥控远程实现的。车体上电后，BM3823等待遥控指令，并回传画面至上位机界面，可实现以下功能：
（1）遥杆控制“火星车”基本运动；
（2）发送“巡逻”命令实现自动避障；
（3）超声测距；
（4）灯光控制；
（5）机械臂操控；
（6）故障清除；
（7）数据回传；
（8）状态监测。
整体系统流程图如图所示：
远程监控软件
由于火星车工作场景的特殊，一般火星车的任务执行都是远程人员操控来完成，因此需要设计一个用于与火星车远程交互的上位机软件，我们使用PyQt来完成上位机设计。界面主要包含基本的火星车状态信息实时显示、现场画面回传显示，以及火星车远程操控，参数设置等人车交互功能。