CN203535475U - 基于arm9的两轮微电脑鼠冲刺控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器，包括：主控制单元、L298N芯片、第一运动单元、第二运动单元和电源，所述电源与所述主控制单元电性连接，所述主控制单元为ARM9处理器，所述主控制单元与所述L298N芯片电性连接，所述L298N芯片分别电性连接所述第一运动单元和第二运动单元。通过上述方式，本实用新型基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器具有误干扰率低、控制简单、稳定性好、动态性能佳、抗干扰能力强、系统调试简单等优点，在微电脑鼠冲刺控制器的普及上有着广泛的市场前景。

Description

基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，特别是涉及一种基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器。 

背景技术

微电脑鼠是使用嵌入式微主控制单元、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包括传感器、电机、算法和微处理器，其中微处理器是微电脑鼠的核心部分，控制并判断所有信心，包括墙壁信息，位置信息，角度信息和电机状态信息等。 

现有的微处理器一般采用的是单片机。由于国内研发此机器人的单位较少，相对研发水平比较落后，研发的微电脑鼠在长时间运行发现存在着很多安全问题，如下： 

（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，使得微电脑鼠在快速冲刺时对周围迷宫的判断存在一定的误判，使得微电脑在快速冲刺的时候容易撞上前方的挡墙；

（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，导致对冲刺位置的记忆出现错误，有的时候找不到冲刺的终点；

（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快速冲刺；

（4）由于采用比较低级的算法，使得最佳迷宫的计算和冲刺路径的计算都有一定的问题在一般迷宫当中的冲刺一般都要花费15~30秒的时间，这使得在真正的大赛中无法取胜；

（5）由于微电脑鼠在快速冲刺过程中要频繁的刹车和启动，加重了单片机的工作量，单片信号处理器无法满足微电脑鼠快速冲刺的要求；

（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比较庞大，重心较高，无法满足快速冲刺的要求；

（7）由于受周围环境不稳定因素干扰，特别是周围一些光线的干扰，单片机主控制单元经常会出现异常，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控制信号要同步，但是对于单一单片机来说又很难办到，使得微电脑鼠在高速冲刺时会在迷宫当中摇摆幅度较大； 

（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，当遇到掉电情况时候所有的信息将消失，这使得整个冲刺过程无法完成。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器，为克服单片机不能满足微电脑鼠稳定性和快速性的要求，舍弃了国产微电脑鼠所采用的单片机工作模式，在吸收国外先进控制思想的前提下，自主研发了基于ARM9+L298N的全新控制模式。控制板以ARM9为处理核心，实现两轴直流电机同步伺服数字信号的实时处理，并实现 L298N的左右轮的控制逻辑，实现微电脑鼠快速冲刺时两轴电机的同步控制，简化操作，提高效率，在基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器的普及上有着广泛的市场前景。 

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器，包括：主控制单元、L298N芯片、第一运动单元、第二运动单元和电源，所述电源与所述主控制单元电性连接，所述主控制单元为ARM9处理器，所述主控制单元与所述L298N芯片电性连接，所述L298N芯片分别电性连接所述第一运动单元和第二运动单元，所述第一运动单元和第二运动单元均连接有光电编码器，所述电源为锂离子电池。 

在本实用新型一个较佳实施例中，所述第一运动单元和第二运动单元均包括电机。 

在本实用新型一个较佳实施例中，所述电机为高速直流电机。 

在本实用新型一个较佳实施例中，所述主控制单元还外接有上位机控制单元，所述上位机控制单元包括迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元，所述迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元均与所述ARM9处理器电性连接。 

在本实用新型一个较佳实施例中，所述主控制单元还连接有至少6个传感器，所述传感器为超声波传感器或红外线传感器。 

在本实用新型一个较佳实施例中，所述电机还连接车轮，所述车轮的数量与所述电机的数量相同。 

本实用新型的有益效果是：本实用新型基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器具有误干扰率低、控制简单、稳定性好、动态性能佳、抗干扰能力强、系统调试简单等优点，在微电脑鼠冲刺控制器的普及上有着广泛的市场前景。 

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是本实用新型的基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器一较佳实施例的结构示意图；

图2是本实用新型的基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器一较佳实施例的原理图；

图3是本实用新型的基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器一较佳实施例的程序框图；

图4是本实用新型的基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器一较佳实施例的迷宫示意图；

图5是本实用新型的基于ARM9的两轮微电脑鼠一较佳实施例的二维示意图；

图6是本实用新型的基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器一较佳实施例的速度曲线图；

图7是本实用新型的基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器一较佳实施例的右转冲刺示意图；

图8是本实用新型的基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器一较佳实施例的右转和左转的冲刺速度时间示意图；

图9是本实用新型的基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器一较佳实施例的左转冲刺示意图；

附图中各部件的标记如下：1、主控制单元，2、L298N芯片，3、第一运动单元，4、第二运动单元，5、电源。

具体实施方式

下面将对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。 

请参阅图1至图9，本实用新型实施例包括： 

一种基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器，包括：主控制单元1、L298N芯片2、第一运动单元3、第二运动单元4和电源5。

所述电源5与所述主控制单元1电性连接，所述主控制单元1为ARM9处理器，ARM9处理器采用精简指令集计算器结构，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，相比于ARM7处理器，这里通过增加时钟频率和减少指令执行周期实现了两倍以上于ARM7处理器的能力；所述主控制单元1与所述L298N芯片2电性连接，L298N芯片2为多轴驱动集成芯片，内部包含4通道逻辑驱动电路，可以方便驱动两个电机，提高效率；所述L298N芯片2分别电性连接所述第一运动单元3和第二运动单元4，所述第一运动单元3和第二运动单元4均连接有光电编码器，所述电源5为锂离子电池。 

优选地，所述第一运动单元3和第二运动单元4均包括电机。 

优选地，所述电机为高速直流电机。 

优选地，所述主控制单元还外接有上位机控制单元，所述上位机控制单元包括迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元，所述迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元均与所述ARM9处理器电性连接。 

优选地，所述主控制单元还连接有至少6个传感器，所述传感器为超声波传感器或红外线传感器，用于感应并传输外接环境信息。 

优选地，所述电机还连接车轮，所述车轮的数量与所述电机的数量相同。 

本实用新型的工作原理为： 

1）在微电脑鼠未接到冲刺命令之前，它一般会在起点坐标（0，0）等待控制器发出的冲刺命令，并调出已经探索后的最优迷宫，一旦接到冲刺命令后，会沿着起点开始快速向终点（7，7）、（7，8）、（8，7）、（8，8）冲刺。

2）微电脑鼠放在起点坐标（0，0），接到任务后为了防止放错冲刺方向，其前方的传感器S1、S6和会对前方的环境进行判断，确定有没有挡墙进入运动范围，如存在挡墙将向ARM9(S3C2440A)发出中断请求，ARM9(S3C2440A)会对中断做第一时间响应，然后禁止L298N的使能端ENA和ENB工作，封锁微电脑鼠的电机X和电机Y的PWM驱动信号，使其静止在原地，然后二次判断迷宫确定前方信息，防止信息误判；如果没有挡墙进入前方的运动范围，微电脑鼠将进行正常的冲刺。 

3）本实用新型舍弃了传统单一速度冲刺模式，按照图6的速度和时间曲线控制微电脑鼠的加速和减速，梯形图包含的面积为微电脑鼠运动Z格的距离。在微电脑鼠沿着Y轴向前快速冲刺过程中如果迷宫信息中显示前方有Z格直线坐标下没有挡墙进入前方的运动范围，微电脑鼠将存储其现在的坐标（X,Y），ARM9(S3C2440A)把向前运动Z格的位置参数根据冲刺条件的不同计算出速度参数以及加速度参数指令值，然后结合光电编码器和电流传感器的反馈生成形成当前条件下的速度-时间梯形图，由于直流电机的速度和电压成正比例，根据这个梯形图就可以生成控制左右轮直流电机的PWM波，然后ARM9(S3C2440A)通过调整L298N管脚OUT1、OUT3为高电平，OUT2、OUT4为低电平，控制左右轮的电机X和电机Y向前运动，当到达设定目标时，将更新其坐标为（X,Y+Z），为了快速冲刺需要，在其向前运动过程到达既定目标时，在Y+Z<15的前提下，判断其坐标是不是（7，7）、（7，8）、（8，7）、（8，8）其中的一个，如果不是将继续更新其坐标，如果是的话通知控制器已经冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为0，微电脑鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更优的迷宫路径； 

4）在微电脑鼠沿着Y轴反向向前快速冲刺过程中如果迷宫信息中显示前方有Z格直线坐标下没有挡墙进入前方的运动范围，微电脑鼠将存储其现在的坐标（X,Y），ARM9(S3C2440A)把向前运动Z格的位置参数根据冲刺条件的不同计算出速度参数以及加速度参数指令值，然后结合光电编码器和电流传感器的反馈生成形成当前条件下的速度-时间梯形图，由于直流电机的速度和电压成正比例，根据这个梯形图就可以生成控制左右轮直流电机的PWM波，然后ARM9(S3C2440A)通过调整L298N管脚OUT1、OUT3为高电平，OUT2、OUT4为低电平，控制左右轮的电机X和电机Y向前运动，当到达设定目标时，将更新其坐标为（X,Y-Z），为了快速冲刺需要，本实用新型舍弃了传统单一速度冲刺模式，按照图6的速度和时间曲线控制微电脑鼠的加速和减速，梯形图包含的面积为微电脑鼠运动Z格的距离。在其向前运动过程到达既定目标时，在确定Y-Z>0的前提下，判断其坐标是不是（7，7）、（7，8）、（8，7）、（8，8）其中的一个，如果不是将继续更新其坐标，如果是的话通知控制器已经冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为0，微电脑鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更优的迷宫路径；

5）在微电脑鼠沿着Y轴向前运动过程中如果有挡墙进入前方的运动范围，并且此时迷宫信息中左方有挡墙时，微电脑鼠将存储此时坐标（X,Y），然后进入图7所示的曲线运动轨迹，在右冲刺转弯时，控制器把此时的速度和离中心点A的距离传输给ARM9(S3C2440A)，ARM9(S3C2440A)根据当前的速度和冲刺时间要求生成图8速度梯形图控制微电脑鼠运动，当微电脑鼠到达迷宫中心点时，传感器参考值R90_FrontWallRef开始工作，防止外界干扰开始做误差补偿，保证微电脑鼠处在当前迷宫方格的中心，此时X马达和Y马达速度降为0，ARM9(S3C2440A)通过调整L298N管脚OUT1、OUT2和OUT3、OUT4的电平，使左轮正转，右轮发转，板载陀螺仪使微电脑鼠原地右转90度，然后以当前的速度加速冲出迷宫。此时将更新其坐标为（X+1,Y），在X+1<15的前提下，判断其坐标是不是（7，7）、（7，8）、（8，7）、（8，8）其中的一个，如果不是将继续更新其坐标，如果是的话通知控制器已经冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为0，微电脑鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更优的迷宫路径；

6）在微电脑鼠沿着Y轴向前运动过程中如果有挡墙进入前方的运动范围，并且此时迷宫信息中右方有挡墙时，微电脑鼠将存储此时坐标（X,Y），然后进入图9所示的曲线运动轨迹，在左冲刺转弯时，控制器把此时的速度和离中心点A的距离传输给ARM9(S3C2440A)，ARM9(S3C2440A)根据当前的速度和冲刺时间要求生成图8速度梯形图控制微电脑鼠运动，当微电脑鼠到达迷宫中心点时，传感器参考值L90_FrontWallRef开始工作，防止外界干扰开始做误差补偿，保证微电脑鼠处在当前迷宫方格的中心，此时X马达和Y马达速度降为0，ARM9(S3C2440A)通过调整L298N管脚OUT1、OUT2和OUT3、OUT4的电平，使左轮反转，右轮正转，板载陀螺仪使微电脑鼠原地左转90度，然后以当前的速度加速冲出迷宫。此时将更新其坐标为（X-1,Y），在X-1<15的前提下，判断其坐标是不是（7，7）、（7，8）、（8，7）、（8，8）其中的一个，如果不是将继续更新其坐标，如果是的话通知控制器已经冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为0，微电脑鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更优的迷宫路径；

7）当微电脑鼠冲刺到达（7，7）、（7，8）、（8，7）、（8，8）后会准备冲刺后的返程探索以便搜寻更优的路径，控制器会调出其已经存储的迷宫信息，然后计算出可能存在的其它最佳路径，然后返程开始进入其中认为最优的一条。

8）为了能够实现微电脑鼠快速冲刺准确的坐标计算功能，微电脑鼠左右的传感器S2、S3和S4、S5会时刻对周围的迷宫挡墙和柱子进行探测，如果S2、S3或者S4、S5发现传感器信号发生了跃变，则说明微电脑鼠进入了迷宫挡墙和柱子的交接点，此时侧面传感器S2或者是S5会精确探测这一时刻，当再次出现跃变时，说明老鼠已经开始离开当前的迷宫格子，ARM9（S3C2440A）会根据微电脑鼠当前运行的距离进行计算并根据对传感器反馈信息进行补偿，本实用新型在高速直流电机X轴和Y轴上加入了512线的光码盘，由于精度较高，使得微电脑鼠的坐标计算不会出现错误，保证了微电脑鼠快速冲刺迷宫信息的准请性。 

9）在微电脑鼠进入迷宫返程探索时，其导航的传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6将工作，并把反射回来的光电信号送给ARM9(S3C2440A)，经ARM9(S3C2440A)运算后确定现在迷宫所处位置，然后由ARM9(S3C2440A)根据当前迷宫生成PWM波和送控制信号给L298N：如果进入已经搜索的区域将加大PWM波的占空比，使微电脑鼠进行快速前进，减少迷宫搜索的时间；如果是未知返回区域则采用正常速度搜索，并时刻更新其坐标（X,Y），并判断其坐标是不是（0，0），如果是的话置返航探索标志为0，微电脑鼠进入冲刺阶段，并置冲刺标志为1。 

10）在微电脑鼠运动过程中，如果系统出现了干扰，ARM9(S3C2440A)会根据当前状态对电流加以补偿，快速调整电流环的PID参数，使得系统快速稳定下来，防止高速冲刺时干扰对系统的影响。 

11）在微电脑鼠快速冲刺过程中，电池提供的瞬时功率是一定的，在冲刺速度一定的条件下，加速度越大时，需要的力矩就越大，此时需要电池提供的电流就越大，为了保护电池，本实用新型加入了电流传感器，杜绝了加速时对电池的伤害。 

12）为了能够减少光源对微电脑鼠冲刺的干扰，本实用新型加入了光电传感器S7，此传感器会在微电脑鼠冲刺阶段对周围的异常光源进行读取，并自动送给控制器做实时补偿，消除了外界光源对冲刺的干扰。 

13）当微电脑完成整个冲刺过程到达（7，7）、（7，8）、（8，7）、（8，8），微电脑鼠会置探索标志为1，微电脑鼠返程探索回到起始点（0，0），ARM9（S3C2440A）将控制L298N使得微电脑起始点中心点停车，然后重新调整L298N的OUT1、OUT2、OUT3和OUT4的电平，使得电机X和电机Y以相反的方向运动，并在陀螺仪的控制下，原地旋转180度，然后停车1秒，二次调取迷宫信息，然后根据算法算出优化迷宫信息后的最优冲刺路径，然后置冲刺标志为1，系统进入二次快速冲刺阶段。然后按照冲刺----探索---冲刺，完成多次的冲刺，以达到快速冲刺的目的。 

本实用新型基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器的有益效果是： 

（1）在运动过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于ARM9主控制单元时刻都在对微电脑鼠的运行状态进行监测和运算，避免了大电流的产生，并且时刻显示锂离子电池的SOC，有利于了解电池的能量状态，由于本实用新型采用直流电机，电机的加速度和电机的电流呈一定比例关系，所以当电池SOC较低时，可以在冲刺前提前换掉电池，从而减少了电池因为放电电流过高对高速冲刺的误干扰；

（2）由ARM9处理微电脑鼠高速冲刺时的两只直流电机的伺服控制，使得控制比较简单，大大提高了运算速度，解决了单片机软件运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且程序可移植能力强；

（3）本实用新型基本实现全贴片元器件材料，实现了单板控制，不仅降低了微电脑鼠的体积和重量，而且也降低了其重心，有利于其快速冲刺的加速；

（4）本实用新型实现了两轮微电脑鼠的速度大小和方向的独立控制，有利于提高微电脑鼠冲刺时的稳定性和动态性能；

（5）为了提高运算速度和精度，本微电脑鼠采用了国际上使用最多的红外发射器OPE5594A和红外接收器TSL262，使得运算精度大大提高，有利于提高高速冲刺时对前面迷宫挡墙的探知；

（6）由于本主控制单元采用ARM9处理迷宫读取和冲刺算法，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强；

（7）由于本主控制单元采用来L298N来驱动两轴直流电机，极大地减少了驱动电路所占用的空间，并提高了冲刺系统的效率和稳定性；

（8）由ARM9输出冲刺时PWM调制信号和方向信号，然后通过L298N的使能端直接驱动直流电机，不仅减轻了ARM9的负担，而且简化了接口电路，使得系统的调试简单；

（9）在微电脑鼠快速冲刺过程中，主控制单元会对电机的转矩进行在线辨识并利用电机力矩与电流的关系进行补偿，减少了电机转矩抖动对微电脑鼠快速冲刺的影响；

（10）由于微电脑鼠的速度和方向独立控制，使得微电脑鼠更容易实现曲线轨迹的转动；

（11）由于具有存储功能，这使得微电脑鼠可以轻易调取已经探索好的迷宫信息，可以优化二次冲刺的路径，降低冲刺时间。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。 

Claims (6)

1.一种基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器，其特征在于，包括：主控制单元、L298N芯片、第一运动单元、第二运动单元和电源，所述电源与所述主控制单元电性连接，所述主控制单元为ARM9处理器，所述主控制单元与所述L298N芯片电性连接，所述L298N芯片分别电性连接所述第一运动单元和第二运动单元，所述第一运动单元和第二运动单元均连接有光电编码器，所述电源为锂离子电池。

2.根据权利要求1所述的基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器，其特征在于，所述第一运动单元和第二运动单元均包括电机。

3.根据权利要求2所述的基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器，其特征在于，所述电机为高速直流电机。

4.根据权利要求1所述的基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器，其特征在于，所述主控制单元还外接有上位机控制单元，所述上位机控制单元包括迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元，所述迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元均与所述ARM9处理器电性连接。

5.根据权利要求1所述的基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器，其特征在于，所述主控制单元还连接有至少6个传感器，所述传感器为超声波传感器或红外线传感器。

6.根据权利要求2所述的基于ARM9的两轮微电脑鼠冲刺控制器，其特征在于，所述电机还连接车轮，所述车轮的数量与所述电机的数量相同。

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