CN103472832A

CN103472832A - 基于双核两轮微电脑鼠全数字伺服控制器

Info

Publication number: CN103472832A
Application number: CN2013104184673A
Authority: CN
Inventors: 张好明; 王应海
Original assignee: Suzhou Industrial Park Institute of Vocational Technology
Current assignee: Suzhou Industrial Park Institute of Vocational Technology
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明公开了一种基于双核两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，所述伺服控制器包括主控制单元、第一运动驱动单元、第二运动驱动单元、第一电机和第二电机，所述主控制单元包括主控制器和从控制器，所述主控制器与从控制器电性连接，所述从控制器分别与第一运动驱动单元和第二运动驱动单元电性连接，所述第一运动驱动单元进一步与所述第一电机电性连接，所述第二运动驱动单元进一步与所述第二电机电性连接。通过上述方式，本发明同时采用双核协同工作，每个控制芯片的工作量相对较小，有效地防止了程序跑飞，增强了抗干扰能力；避免产生大电流，运算精度较高，性能较稳定。

Description

基于双核两轮微电脑鼠全数字伺服控制器

技术领域

本发明涉及微型机器人领域，尤其涉及一种基于双核两轮微电脑鼠全数字伺服控制器。

背景技术

微电脑鼠是使用嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走机器人，在国外已经竞赛了将近30年，由其原理可以转化为多种实际的工业机器人，近几年内才引进国内，并逐渐成为一个新兴的竞赛项目。微电脑鼠可以在不同迷宫中自动记忆和选择路径，采用相应的算法，快速地到达所设定的目的地。一只优秀的微电脑鼠必须具备良好的感知能力，有良好的行走能力，优秀的智能算法，一只完整的微电脑鼠在大体分为以下几个部分：

1）传感器：传感器是微电脑鼠的眼睛，是微电脑鼠准确获取外部环境信息的依据，然后把外界信息输送到微处理器进行各种条件判断。

2）电机：执行电机是微电脑鼠的动力源，它根据微处理器的指令来执行微电脑鼠在迷宫中行走时的相关动作。

3）算法：算法是微电脑鼠的灵魂。微电脑鼠必须采用一定的智能算法才能找到终点，才能找到一条最短的路径，在最短的时间内到达终点。

4）微处理器：微处理器是微电脑鼠的核心部分，是微电脑鼠的大脑。微电脑鼠所有的信息，包括墙壁信息，位置信息，角度信息和电机状态信息等都需要经过微处理器处理并做出相应的判断。

电脑鼠结合了多学科知识，对于提升在校学生的动手能力、团队协作能力和创新能力，促进学生课堂知识的消化和扩展学生的知识面都非常有帮助。电脑鼠走迷宫技术的开展可以培养大批相关领域的人才，进而促进相关领域的技术发展和产业化进程。但是微电脑鼠在迷宫当中要时刻判断周围的环境，然后传输参数到控制器，由控制器反复控制其在迷宫的方格当中精确的加速和减速，稍不小心微电脑鼠就会撞到周围的迷宫挡墙，使得探索或者是冲刺失败，因此，对以微电脑鼠系统来说基于单片机的伺服系统性能是决定其胜败的关键，但是由于国内研发此机器人的单位较少，对国际规则读取水平较低，相对研发水平比较落后，研发的微电脑鼠结构如图1，长时间运行发现存在着很多安全问题，即：

（1）作为微电脑鼠的眼睛采用的是超声波或者是一般的红外传感器，使得微电脑鼠对周围迷宫的探索存在一定的误判。

（2）作为微电脑鼠的执行机构采用的是步进电机，经常会遇到丢失脉冲的问题出现，导致对位置的记忆出现错误。

（3）由于采用步进电机，使得机体发热比较严重，不利于在大型复杂迷宫中探索和冲刺。

（4）由于微电脑鼠伺服系统采用都是比较低级的算法，在迷宫当中的探索一般都要花费4~5分钟的时间，这使得在真正的大赛中无法取胜。

（5）由于微电脑鼠要频繁的刹车和启动，加重了单片机的工作量，单一的单片机无法满足微电脑鼠快速启动和停止的要求。

（6）相对采用的都是一些体积比较大的插件元器件，使得微电脑鼠的体积和重量相对都比较大，无法满足快速探索的要求。

（7）由于受周围环境不稳定因素干扰，单片机控制器经常会出现异常，引起微电脑鼠失控，抗干扰能力较差。

（8）对于差速控制的微电脑鼠来说，一般要求其两个电机的PWM控制信号要同步，由于受计算能力的限制，单一单片机伺服系统很难满足这一条件，使得微电脑鼠在直道上行驶时不能准确的行走在中线上，为了保证微电脑鼠的准确定位，伺服系统要来回的补偿，使得微电脑鼠在迷宫当中摇摆幅度较大，特别是对于快速行走时。

（9）由于受单片机容量和算法影响，微电脑鼠对迷宫的信息没有存储，当遇到掉电情况时所有的信息将消失，这使得整个探索过程要重新开始。

（10）微电脑鼠在运行过程中，一定遇到撞墙情况都会发生电机堵转情况，造成电机瞬间电流过大，严重时烧坏电机。

因此，需要对现有的基于单片机控制的微电脑鼠控制器进行重新设计。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于双处理器的两轮微电脑鼠及其伺服控制器，同时采用双核协同工作，每个控制芯片的工作量相对较小，有效地防止了程序跑飞，增强了抗干扰能力；避免产生大电流，运算精度较高，性能较稳定。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于双处理器的两轮微电脑鼠及其伺服控制器，包括主控制单元、第一运动驱动单元、第二运动驱动单元、第一电机和第二电机，所述主控制单元包括主控制器和从控制器，所述主控制器与从控制器电性连接，所述从控制器分别与第一运动驱动单元和第二运动驱动单元电性连接，所述第一运动驱动单元进一步与所述第一电机电性连接，所述第二运动驱动单元进一步与所述第二电机电性连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述全数字伺服控制器进一步包括电源供应单元，所述电源供应单元与所述主控制单元电性连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述电源供应单元包括锂离子电池。

在本发明一个较佳实施例中，所述主控制器为ARM920T（S3C2440A），所述从控制器为FPGA（A3P250）。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一电机和第二电机均为高速直流电机，所述第一电机和第二电机的转轴上均设有光电编码器。

本发明还提供一种两轮微电脑鼠，包括所述全数字伺服控制器，所述全数字伺服控制器包括主控制单元、第一运动驱动单元、第二运动驱动单元、第一电机和第二电机，所述主控制单元包括主控制器和从控制器，所述主控制器与从控制器电性连接，所述从控制器分别与第一运动驱动单元和第二运动驱动单元电性连接，所述第一运动驱动单元进一步与所述第一电机电性连接，所述第二运动驱动单元进一步与所述第二电机电性连接，所述两轮微电脑鼠进一步包括壳体，所述全数字伺服控制器设置在所述壳体内部。

在本发明一个较佳实施例中，所述壳体两侧均设有车轮，所述第一电机和第二电机分别与一个车轮连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述壳体上进一步设有至少六个蔽障传感器，每一个蔽障传感器分别与所述主控制器电性连接，其中，第一蔽障传感器和第二蔽障传感器的信号发射方向与所述车轮的运动方向相同，第三蔽障传感器3和第四蔽障传感器的信号发射方向相反且垂直于所述车轮的运动方向，第五传感器和第六传感器的信号发射方向远离所述壳体中心且与所述车轮的运动方向的夹角为锐角。

在本发明一个较佳实施例中，所述蔽障传感器包括红外传感器OPE5594A。

在本发明一个较佳实施例中，所述两轮微电脑鼠进一步包括电压传感器和光电补偿传感器，所述电压传感器和光电补偿传感器分别与所述主控制单元电性连接。

本发明的有益效果是：

（1）同时采用两个控制器，即主控制器和分控制器，两个控制器分工合作，处理不同的数据，避免产生大电流，防止因大电流放电而引起锂离子电池过度老化；

（2）所述分控制器采用FPGA（A3P250），且独立控制电机，减轻了ARM的负担，简化了接口电路，充分发挥FPGA（A3P250）控制方面的特长以及程序移植功能，使得控制比较简单，大大提高了运算速度，缩短了开发周期短，并且程序可移植能力强；

（3）有了从控制器的协助，所述主控制器的工作量减少，有效地防止了程序跑飞，增强了抗干扰能力；

（4）采用红外传感器OPE5594A，运算精度较高；

（5）采用高速直流电机，性能较稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是现有技术中的电脑鼠的伺服控制器的电路框图；

图2是本发明所述全数字伺服控制器的电路框图；

图3是本发明所述全数字伺服控制器的控制示意图；

图4是本发明所述电脑鼠一较佳实施例的结构示意图。

附图中各部件的标记如下：1、壳体，2、车轮，3、蔽障传感器3，4、光电补偿传感器,5、电压传感器。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图4，本发明实施例包括：

一种基于双核两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，包括主控制单元、第一运动驱动单元、第二运动驱动单元、第一电机和第二电机，所述主控制单元包括主控制器和从控制器，所述主控制器与从控制器电性连接，所述从控制器分别与第一运动驱动单元和第二运动驱动单元电性连接，所述第一运动驱动单元进一步与所述第一电机电性连接，所述第二运动驱动单元进一步与所述第二电机电性连接。

其中，所述全数字伺服控制器进一步包括电源供应单元，所述电源供应单元与所述主控制单元电性连接，所述电源供应单元包括锂离子电池。所述第一电机和第二电机均为高速直流电机，所述第一电机和第二电机的转轴上均设有光电编码器，所述光电编码器为光码盘。将第一电机编号为X，第二电机编号为Y。所述主控制器为ARM920T（S3C2440A），所述从控制器为FPGA（A3P250），ARM920T（S3C2440A）控制FPGA（A3P250）开通或关断。

ARM920T（S3C2440A）为新一代的ARM9处理器，具有寄存器多、寻址方式简单、批量传输数据、使用地址自动增减等特点。ARM920T（S3C2440A）通过全新的设计，采用了更多的晶体管，能够达到两倍以上于ARM7处理器的处理能力。这种处理能力的提高是通过增加时钟频率和减少指令执行周期实现的。

FPGA（A3P250）作为专用集成电路领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。采用这两种处理器协同工作，使得用户可以根据自己的设计需要，通过特定的布局布线工具对其内部进行重新组合连接，在最短的时间内设计出自己的专用集成电路，这样就减小成本、缩短开发周期。由于FPGA（A3P250）采用软件化的设计思想实现硬件电路的设计，这样就使得基于FPGA（A3P250）设计的系统具有良好的可复用和修改性。

本发明还提供一种两轮微电脑鼠，包括所述全数字伺服控制器，所述两轮微电脑鼠进一步包括壳体1，所述全数字伺服控制器设置在所述壳体1内部。所述壳体1两侧均设有车轮2，所述第一电机和第二电机分别与一个车轮2连接。

在本实施例中，所述壳体1上进一步设有六个红外传感器OPE5594A作为蔽障传感器3，每一个蔽障传感器3分别与所述主控制器电性连接，将六个蔽障传感器3分别编号为S1、S2、S3、S4、S5、S6，其中，蔽障传感器S1和蔽障传感器S6的信号发射方向与所述车轮2的运动方向相同，蔽障传感器S2和蔽障传感器S5的信号发射方向相反且垂直于所述车轮2的运动方向，蔽障传感器S3和蔽障传感器S4与所述车轮2的运动方向的夹角为一般为45度。所述两轮微电脑鼠进一步包括电压传感器5和光电传感器4，所述电压传感器5和光电传感器4分别与所述主控制单元电性连接，所述电压传感器5编号为S8，所述光电传感器4编号为S7。

在具体应用时，本发明开发时采用S3C2440A和A3P250作为开发板核心，所述电脑鼠基本实现全贴片元器件材料，实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，而且有利于体积和重量的减轻，有利于提高微电脑鼠伺服系统的稳定性和动态性能。

本发明所述微电脑鼠的工作原理为：

1）在电源打开状态下，微电脑鼠先进入自锁状态，微电脑鼠在迷宫起始点依靠前方、左右和侧面的蔽障传感器3根据实际导航环境传输参数给控制器中的ARM920T（S3C2440A），ARM920T（S3C2440A）把这些环境参数根据时间要求转化为微电脑鼠左右轮要运行的距离、速度和加速度指令值，同时ARM920T（S3C2440A）与FPGA（A3P250）通讯，FPGA（A3P250）根据这些参数指令值结合光电补偿传感器4的反馈处理两个独立电机的同步伺服控制，并把处理数据通讯给ARM920T（S3C2440A），由ARM920T（S3C2440A）继续处理后续的运行状态。

2）打开电源开关瞬间，ARM920T（S3C2440A）会对电池电压进行检测，如果低压的话，将禁止FPGA（A3P250）工作，电机不能自锁，同时电压传感器5将工作，并提示报警信号。

3）如果电压正常，系统将检测传感器电路和时钟电路，如果传感器电路和时钟电路出现故障，系统将自动复位，重新检测，如有问题，将报警。

4）在微电脑运动过程中，蔽障传感器3判断周围的环境并送给ARM920T（S3C2440A），ARM920T（S3C2440A）把这些环境参数转化为微电脑鼠左右轮要运行的距离、速度和加速度指令值，ARM920T（S3C2440A）然后与FPGA（A3P250）通讯，传输这些参数指令值给FPGA（A3P250），然后由FPGA（A3P250）根据各种探索和冲刺条件的不同结合光电编码器的反馈生成速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是微电脑鼠两个直流电机要运行的距离，由这个梯形图就可以求出来微电脑鼠实际运动的速度和加速度参数值，进而生成控制电机运动的PWM信号。

5）在运动过程中如果微电脑鼠发现迷宫求解出现死循环将向ARM920T（S3C2440A）发出中断请求，ARM920T（S3C2440A）会对中断做第一时间响应，如果ARM920T（S3C2440A）的中断响应没有来得及处理，微电脑鼠的第一电机和第二电机将原地自锁。

6）安装在第一电机和第二电机上的光电编码器会输出其位置信号A脉冲和位置信号B脉冲，A脉冲和B脉冲的逻辑状态每变化一次，FPGA（A3P250）内的位置寄存器会根据左右轮的运行方向加1或者是减1。

7）当位置信号A脉冲、B脉冲和Z脉冲同时为低电平时，就产生一个位置信号给FPGA（A3P250）寄存器，记录电机的绝对位置，然后换算成微电脑鼠在迷宫中的具体位置。

8）ARM920T（S3C2440A）根据微电脑鼠在迷宫的具体位置，送相应的加速度、速度和位置数据指令值给FPGA（A3P250），然后由FPGA（A3P250）结合光电编码器的反馈计算出微电脑鼠需要更新的实际加速度、速度和位置信号，生成新的速度-时间运动梯形图，以满足快速探索和冲刺伺服系统的要求。

9）如果微电脑鼠在运行过程中遇到故障撞墙时，电机的电流（I1或I2）将增大，当超过设定值时，FPGA（A3P250）的中断命令将会向ARM920T（S3C2440A）发出中断请求，此时ARM920T（S3C2440A）会立即控制FPGA（A3P250）停止工作，从而有效地解决了堵转问题。

10）微电脑鼠在运行过程会时刻检测电池电压，当系统出现低压时，系统发出报警提示，有效地保护了锂离子电池。

11）在微电脑鼠运行过程中，ARM920T（S3C2440A）会对电机的转矩进行在线辨识，当电机的转矩受到外界干扰出现较大抖动时，ARM920T（S3C2440A）会利用电机力矩与电流的关系进行时候补偿，减少了电机转矩抖动对微电脑鼠快速探索和冲刺的影响。

12）在微电脑鼠整个运动过程中，光电补偿传感器4会时刻对外界干扰光源进行采集，然后传输给ARM920T（S3C2440A），ARM920T（S3C2440A）会根据光电补偿传感器4的自动补偿外界干扰，减少了外界干扰光源对微电脑鼠快速探索和冲刺时的干扰。

综上所述，本发明同时采用两个控制器，即主控制器和分控制器，两个控制器分工合作，处理不同的数据，避免产生大电流，防止因大电流放电而引起锂离子电池过度老化；所述分控制器采用FPGA（A3P250），且独立控制电机，减轻了ARM的负担，简化了接口电路，充分发挥FPGA（A3P250）控制方面的特长以及程序移植功能，使得控制比较简单，大大提高了运算速度，缩短了开发周期短，并且程序可移植能力强；有了从控制器的协助，所述主控制器的工作量减少，有效地防止了程序跑飞，增强了抗干扰能力；采用红外传感器OPE5594A，运算精度较高；采用高速直流电机，性能较稳定。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种基于双核两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，包括主控制单元、第一运动驱动单元、第二运动驱动单元、第一电机和第二电机，所述主控制单元包括主控制器和从控制器，所述主控制器与从控制器电性连接，所述从控制器分别与第一运动驱动单元和第二运动驱动单元电性连接，所述第一运动驱动单元进一步与所述第一电机电性连接，所述第二运动驱动单元进一步与所述第二电机电性连接。

2.根据权利要求1所述的基于双核两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，所述全数字伺服控制器进一步包括电源供应单元，所述电源供应单元与所述主控制单元电性连接。

3.根据权利要求2所述的基于双核两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，所述电源供应单元包括锂离子电池。

4.根据权利要求1所述的基于双核两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，所述主控制器为ARM920T（S3C2440A），所述从控制器为FPGA（A3P250）。

5.根据权利要求1所述的基于双核两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，所述第一电机和第二电机均为高速直流电机，所述第一电机和第二电机的转轴上均设有光电编码器。

6.一种两轮微电脑鼠，其特征在于，包括权利要求1至5任一所述全数字伺服控制器，所述两轮微电脑鼠进一步包括壳体，所述全数字伺服控制器设置在所述壳体内部。

7.根据权利要求6所述的两轮微电脑鼠，其特征在于，所述壳体两侧均设有车轮，所述第一电机和第二电机分别与一个车轮连接。

8.根据权利要求7所述的两轮微电脑鼠，其特征在于，所述壳体上进一步设有至少六个蔽障传感器，每一个蔽障传感器分别与所述主控制器电性连接，其中，第一蔽障传感器和第二蔽障传感器的信号发射方向与所述车轮的运动方向相同，第三蔽障传感器和第四蔽障传感器的信号发射方向相反且垂直于所述车轮的运动方向，第五传感器和第六传感器的信号发射方向远离所述壳体中心且与所述车轮的运动方向的夹角为锐角。

9.根据权利要求8所述的两轮微电脑鼠，其特征在于，所述蔽障传感器包括红外传感器OPE5594A。

10.根据权利要求8所述的两轮微电脑鼠，其特征在于，所述两轮微电脑鼠进一步包括电压传感器和光电补偿传感器，所述电压传感器和光电补偿传感器分别与所述主控制单元电性连接。