CN203535483U - 基于arm9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，包括传感器、电池、ARM9芯片、L298N芯片、两个电机、两个车轮和电线，传感器位于两轮微电脑鼠的上部，电池通过电线与传感器、ARM9芯片、L298N芯片和两个电机相连接，ARM9芯片和L298N芯片通过电线焊接在一起，L298N芯片与电机相连接，电机与车轮一一对应相连接。通过上述方式，本实用新型的基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，在基于ARM9的控制器中引入多轴驱动集成专用芯片L298N，以ARM9为处理核心，实现数字信号的实时处理，实现L298N控制两台电机的控制逻辑，并响应中断，实现数据通信和存储实时信号。

Description

基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器

技术领域

本实用新型涉及微型机器人领域，特别是涉及一种基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器。

背景技术

微电脑鼠是一种使用嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的智能行走装置的俗称，它可以在迷宫中自动记忆和选择路径，寻找出口，最终到达所设定的目的地。一般在迷宫比赛中，将微电脑鼠放在起点，按下启动键之后，微电脑鼠自行决定搜寻法则并且在迷宫中实现前进、转弯、记忆迷宫墙壁资料、计算最短路径、搜寻终点等功能。微电脑鼠进行迷宫竞赛结合了机械、电机、电子、控制、光学、程序设计和人工智能等多方面的科技技术。

目前国内研发的微电脑鼠结构如图1所示，长时间运行发现存在着的安全问题有：

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

（2）由于微电脑鼠伺服系统采用的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，这使得微电脑鼠在真正的大赛中无法取胜。

（3）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。

（4）一般微电脑鼠采用的都是一些体积比较大的插件元器件，使得其体积和重量相对都比较大，无法满足快速探索的要求。

（5）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。

（6）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，在快速行走时表现的尤其明显。

（7）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。

（8）微电脑鼠在运行过程中，遇到撞墙情况时都会发生电机堵转现象，造成电机瞬间电流过大，严重时会烧坏电机。

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ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，该微电脑鼠全数字伺服控制器处理速度快，运行顺畅。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，包括传感器、电池、ARM9芯片、L298N芯片、两个电机、两个车轮和电线，所述传感器位于所述两轮微电脑鼠的上部，所述电池通过所述电线与所述传感器、所述ARM9芯片、L298N芯片和两个电机相连接，所述ARM9芯片和所述L298N芯片通过所述电线焊接在一起，所述L298N芯片与所述电机相连接，所述电机与所述车轮一一对应相连接。

在本实用新型一个较佳实施例中，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，所述红外线传感器为OPE5594A。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述L298N芯片为20管脚PowerS020封装，所述L298N芯片的7脚、9脚、13脚和15脚与所述ARM9芯片的输出脚相连。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述ARM9芯片产生PWM波，所述PWM波通过所述L298N芯片传输给所述两个电机。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，在基于ARM9的控制器中引入多轴驱动集成专用芯片L298N，以ARM9为处理核心，实现数字信号的实时处理，实现L298N控制两台电机的控制逻辑，并响应中断，实现数据通信和存储实时信号。

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是本实用新型的背景技术中单片机控制的微电脑鼠的原理图；

图2是本实用新型中L298N芯片的封装图；

图3是本实用新型中基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器一较佳实施例的原理图；

图4是本实用新型中所述微电脑鼠一较佳实施例的结构示意图；

图5是本实用新型中基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器一较佳实施例的系统框图；

附图中各部件的标记如下：1、外壳，2、车轮，3、红外线传感器，4、电压传感器。

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2-5，本实用新型提供一种基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，包括红外线传感器、电池、ARM9芯片、L298N芯片、两个电机、两个车轮和电线。所述传感器位于所述两轮微电脑鼠的上部，所述电池通过所述电线与所述传感器、所述ARM9芯片、L298N芯片和两个电机相连接，所述ARM9芯片和所述L298N芯片通过所述电线焊接在一起，所述L298N芯片与所述电机相连接，所述电机与所述车轮一一对应相连接。

ARM9芯片采用 RISC（Reduce Instruction Computer，精简指令集计算机）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。新一代的ARM9处理器，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。

S3C2440A采用ARM920T内核，其主要特点有：（1）1.2V内核，1.8V/2.5V/3.3V储存器，3.3V扩展I/O，16KB指令Cache（I-Cache）/16KB数据Cache（D-Cache）；（2）3路URAT；（3）4路PWM定时器/1路内部定时器/看门狗定时器；（4）8路10位ADC和触摸屏接口；（5）130个通用I/O，24个外部中断源；（6）32 bit定点RISC处理器，改进型ARM／Thumb代码交织，增强性乘法器设计，支持实时（real-time）调试；（7）片内指令和数据SRAM，而且指令和数据的存储器容量可调；（8）片内指令和数据高速缓冲器（cache）容量从4K字节到1M字节；（9）设置保护单元（protection unit），非常适合嵌入式应用中对存储器进行分段和保护；（10）采用AMBA AHB总线接口，为外设提供统一的地址和数据总线；（11）支持外部协处理器，指令和数据总线有简单的握手信令支持；（12）支持标准基本逻辑单元扫描测试方法学，而且支持BIST（built-in-self-test）；（13）支持嵌入式跟踪宏单元，支持实时跟踪指令和数据。

L298N芯片是SGS公司的产品，本实用新型用的是20管脚PowerSO20封装，其具体管脚分布如图2。内部包含4通道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压。L298N的 6脚VS接电源电压，VS电压范围为＋2.5～46 V，输出电流可达2.5 A，可驱动电感性负载。2脚和19脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298N的8脚和14脚EnA、EnB是使能控制端，分别控制电机X和电机Y的停转。L298N的7、9、13、15脚接ARM9（S3C2440A）的输出脚，由ARM9（S3C2440A）控制OUT1、OUT2和OUT3、OUT4的电平，来控制电机X和电机Y的正反转。

所述基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器的具体功能实现步骤为： 

1）为了能够驱动两轴微电脑鼠进行运动，本控制系统中引入了一片L298N，通过I/O口与ARM9连接，由ARM9通过使能端控制两个独立电机的开通和关断。

2）打开电源瞬间，ARM9会对电池电压进行检测，如果低压的话，将禁止L298N使能，OUT1、OUT2、OUT3和OUT4均为低电平，电机X和电机Y不能启动，同时电压传感器S7将工作，并提示报警信号。

3） ARM9即S3C2440A有5个16位的定时器，定时器0、1、2、3有脉宽调制功能，定时器0和定时器1生成两路PWM波。

4）在微电脑运动过程中，传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6（六个独立的红外发射管OPE5594A发出的红外光经接收器TSL262接受后转化为周围迷宫的信息）判断周围的环境并送给ARM9，ARM9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，然后由ARM9结合光电编码器的反馈生成实际的速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是微电脑鼠两个电机X和电机Y要运行的距离。ARM9根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波，ARM9中PWM频率由TCNTBn决定，PWM脉冲宽度由TCMPBn决定，占空比即为TCMPBn／TCNTBn。然后ARM9使能L298N，由L298N驱动两个独立电机运转，并把处理数据通讯给ARM9，由ARM9继续处理后续的运行状态。

 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ARM9（S3C2440A）发出中断请求，ARM9（S3C2440A）会对中断做第一时间响应，如果ARM9（S3C2440A）的中断响应没有来得及处理，微电脑鼠的X电机和Y电机将原地自锁。

6）装在电机X和电机Y上的光电编码器会输出其位置信号A和位置信号B，光电编码器的位置信号A脉冲和B脉冲逻辑状态每变化一次，ARM9（S3C2440A）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）光电编码器的位置信号A脉冲和B脉冲同时为低电平时，就产生一个INDEX信号给ARM9（S3C2440A）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，并储存当前迷宫信息。

8）控制器根据微电脑鼠在迷宫的具体位置，送相应的加速度、速度和位置数据等给ARM9（S3C2440A）作为参考值，然后ARM9根据外围干扰情况计算出微电脑鼠需要更新的实际加速度、速度和位置信号。

9）ARM9（S3C2440A）根据实际外围传感信号确定电机X（或者电机Y）正反转信号，然后通过控制IN1和IN2（或者是IN3和IN4）的电平高低来实现电机的方向控制，进而实现微电脑鼠系统电机X和电机Y的方向控制。

10）如果微电脑鼠在运行过程中遇到故障撞墙时，电机X和电流Y的电流将增大，当超过设定值时，L298N的电流采集电路将工作，ARM9（S3C2440A）将会向L298N发出禁止使能中断，此时控制器会立即控制L298N停止工作，进而释放电机X和电机Y，从而有效地解决了堵转问题。

11）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，传感器S7将开启并发出报警提示，有效地保护了锂离子电池。

本实用新型具有的有益效果是：

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+L298N控制器时刻都在对微电脑鼠的运行状态进行监测和运算，由于L298N内部集成了电流采集电路，时刻对电机的电流进行采集，从根本上避免了大电流的产生，解决了大电流对锂离子电池的冲击，避免了由于大电流放电而引起的锂离子电池过度老化现象。

2、由ARM9处理微电脑鼠的两只直流电机的独立伺服控制，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，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的稳定性和动态性能。

4、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传感器OPE5594A，使得运算精度大大提高。

5、由于本控制器采用ARM9处理迷宫信息的存储和读取以及探索、冲刺算法，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强。

6、由于本控制器采用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，并提高了系统的效率。

7、由ARM9输出探索和冲刺时整个伺服过程PWM调制信号和方向信号，通过L298N的使能端直接驱动直流电机X和电机Y，不仅减轻了ARM9的负担，简化了接口电路，使得系统的调试简单。

8、在微电脑鼠探索和冲刺运行过程中，控制器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行走动态性能的影响。

9、在控制中，ARM9可以根据实际周围迷宫情况调整控制器内部的PID参数，轻松实现分段P、PD、PID控制和非线性PID控制，使系统具有一定的自适应。

10、L298N的使能端可以很好的解决微电脑鼠在运行过程中遇到撞墙情况发生的电机堵转的问题，利用中断命令可在电流输出超出设定值时，L298N的电流采集电路立即发出禁止使能请求，ARM9禁止使能端，释放电机X和电机Y，从而有效地解决了堵转问题。

11、由于具有存储功能，这使得微电脑鼠掉电后可以轻易的调取已经探索好的迷宫信息，使二次探索的时间和路径大大降低。

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 (5)

1.一种基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，包括传感器、电池、ARM9芯片、L298N芯片、两个电机、两个车轮和电线，所述传感器位于所述两轮微电脑鼠的上部，所述电池通过所述电线与所述传感器、所述ARM9芯片、所述L298N芯片和两个电机相连接，所述ARM9芯片和所述L298N芯片通过所述电线焊接在一起，所述L298N芯片与所述电机相连接，所述电机与所述车轮一一对应相连接。

2.根据权利要求1所述的基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，所述传感器为超声波传感器或红外线传感器。

3.根据权利要求2所述的基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，所述红外线传感器为OPE5594A。

4.根据权利要求1所述的基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，所述L298N芯片为20管脚PowerS020封装，所述L298N芯片的7脚、9脚、13脚和15脚与所述ARM9芯片的输出脚相连。

5.根据权利要求1所述的基于ARM9两轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，所述ARM9芯片产生PWM波，所述PWM波通过所述L298N芯片传输给所述两个电机。

Images