1.摘要

為了解并研究火星探測相關技術，本項目以北京航天微電子科技的BM3823微處理器為核心處理器，結合其高可靠性高抗輻射的特性，設計實現了一個具備基本功能的仿真“火星車”平臺。該平臺最大化利用BM3823外設資源，用GPIO實現紅外檢測、超聲測距等,用UART中斷實現遠程控制、數據回傳，制定了相關串口傳輸協議，用IIC實現機械臂舵機組控制、OLED顯示和環(huán)境感知，用定時器中斷實現二級線程劃分，包括通訊線程與控制線程，用SPI轉CAN實現了車體控制。整合上述相關資源，實現遠程控制、圖像回傳、機械臂遙控抓取、系統狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境感知、智能避障等多種功能。

2.作品背景

天問一號火星探測器在成功抵達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，而另一部分攜帶著“祝融號”火星車成功著陸火星表面，2021年5月17日，祝融號火星車首次通過環(huán)繞器傳回遙測數據。2021年 5月22日10時40分，“祝融號”火星車已安全駛離著陸平臺，到達火星表面，開始巡視探測。隨著一系列的壯舉完成之后，宣告著我國正式開啟了對于火星的探索。

3.作品意義

在BMTI高可靠300MHz處理器SPARC處理器的基礎上，擴展子板系統，構建一種智能控制系統，通過系統方案設計，旨在最大化利用處理器資源。根據目前航天需求，結合航天中的復雜環(huán)境，設計一種“火星車”，可以應對復雜環(huán)境，并可實現基本功能需求。本項目以火星車為研究對象，結合火星車在火星上執(zhí)行任務的特點，設計開發(fā)相應功能Demo，對火星車控制技術技術研究開發(fā)有積極的探索和啟蒙意義。

4.作品介紹

4.1 系統架構

系統架構圖如上圖所示，整個系統分為硬件系統和軟件系統，我們根據整個系統的功能需求，確定了系統的電壓等級與電流裕量，設計了電源系統，主要用于核心板的供電、“火星車”車體的供電、機械臂供電與外圍傳感器電路供電。根據每個功能模塊設計了對應的電路子板，并在各個子板的基礎上，編寫了響應的驅動代碼，旨在通過使用BM3823開發(fā)板實現相應功能，并最大化利用BM3823資源。除此之外，我們采用庫函數編程思想，對BM3823的絕大多數基礎外設資源進行了函數封裝，并一一進行了穩(wěn)定性測試，可最大化減少后續(xù)人員的開發(fā)時間，提升開發(fā)效率。

4.2 實現功能

遠程行駛
用戶可通過遠程控制端實現遠程控制功能，可控制“火星車”的基本運動，包括前進、后退、左轉、右轉，同時可控制車體的運行速度與車體前置燈光，用戶可下發(fā)“漫游”命令，使“火星車”以自動避障狀態(tài)行駛，也可下發(fā)機械臂控制指令，實現機械臂的控制。

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

機械臂遙控抓取
為滿足火星探測任務，設計了車載機械臂，機械臂驅動與BM3823開發(fā)板通過IIC通訊，可使用遙控器遠程控制機械臂，機械臂上搭載攝像頭，可以實時圖傳，從而實現抓取任務。

環(huán)境感知
為滿足火星探測任務，設計了氣體檢測單元，包括有可燃氣體檢測、一氧化碳檢測，增設了光敏與熱敏感知單元，可以粗略檢測環(huán)境光與環(huán)境溫度，通過ADC芯片將數據傳輸至開發(fā)板，進而遠程傳輸給用戶控制端，實現基本的環(huán)境感知任務。

4.3 系統設計

4.3.1 硬件設計

“火星車”底盤選型

為了加快該作品關鍵技術研究，結合考慮需要實現的功能以及最后成品的美觀，該項目直接選用了由松靈機器人（深圳）有限公司生產的SCOUT MINI機器人底盤，該底盤是一款全地形高速Mini UGV，具有四輪差速驅動、獨立懸掛、原地差速自轉等功能，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械手等“火星任務”設備。該底盤提供了CAN接口的控制方式。供電為24V。

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

無線遙控器設計
為了完成對“火星車”的遠程遙控操作，采用STM32單片機設計了一款遙控器，其實物圖如下圖所示。

4.3.2 軟件設計

底層庫函數封裝
由于所采用處理器是一款基于sparc內核的處理器，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行編程，為了使系統的可維護性更高，本作品基于C語言對BM3823的寄存器進行了接口封裝。

應用層軟件設計
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，指令的接收是通過遙控遠程實現的。車體上電后，BM3823等待遙控指令，并回傳畫面至上位機界面，可實現以下功能：
（1）遙桿控制“火星車”基本運動；
（2）發(fā)送“巡邏”命令實現自動避障；
（3）超聲測距；
（4）燈光控制；
（5）機械臂操控；
（6）故障清除；
（7）數據回傳；
（8）狀態(tài)監(jiān)測。
整體系統流程圖如圖所示：

遠程監(jiān)控軟件
由于火星車工作場景的特殊，一般火星車的任務執(zhí)行都是遠程人員操控來完成，因此需要設計一個用于與火星車遠程交互的上位機軟件，我們使用PyQt來完成上位機設計。界面主要包含基本的火星車狀態(tài)信息實時顯示、現場畫面回傳顯示，以及火星車遠程操控，參數設置等人車交互功能。

4.4 系統測試驗證

最后作品的成品圖如圖所示：

①攝像頭
②超聲波
③機械臂
④光電傳感器
⑤網絡圖傳
⑥子板擴展
⑦無線串口
⑧BM3823開發(fā)板
⑨GPS導航儀
⑩“火星車”底盤

針對最初的功能需求，我們分別對無線遙控、實時圖傳、基礎避障、上位機顯示以及機械臂抓取進行了實驗，實驗結果表明，基本達到了預期要求。

審核編輯 ：李倩