CN203535484U - 基于arm9四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ARM9四轮微电脑鼠全数字伺服控制器，包括传感器、ARM9芯片、两个L298N芯片、四台电机和四个车轮，传感器位于四轮微电脑鼠的上部，ARM9芯片和两个L298N芯片焊接在一起，每个L298N芯片与两台电机相连接，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ARM9四轮微电脑鼠全数字伺服控制器，以ARM9为处理核心，实现四轴直流电机伺服系统的数字信号实时处理，并实现两片L298N控制四台电机的响应中断，实现数据通信和存储实时信号。

Description

基于ARM9四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ARM9四轮微电脑鼠全数字伺服控制器。

背景技术

微电脑鼠是由嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走机器人，其原理可以转化为多种实际的工业机器人，也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，有良好的行走能力和优秀的智能算法。

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，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，这使得其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）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。

（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，在快速行走时特别明显。

（7）由于受单片机容量和算法的影响，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）由于受单片机容量影响，现有的微电脑鼠基本上都只有两个动力驱动轮，采用两轮差速方式行驶，使得系统对两轴的伺服要求较高，特别是直线导航时，要求速度和加速度追求严格的一致，否则直线导航将会失败，导致微电脑鼠出现撞墙的现象。

（9）两轮微电脑鼠系统在加速时由于重心后移，使得老鼠前部轻飘，即使在良好的路面上微电脑鼠也会打滑，有可能导致撞墙的现象出现，不利于高速微电脑鼠的发展。

（10）两轮微电脑鼠系统在正常行驶时如果设计不当造成重心前偏，将导致驱动轮上承受的正压力减小，这时微电脑鼠系统更加容易打滑，也更容易走偏，导致导航失败。

（11）两轮微电脑鼠系统在正常行驶时如果设计不当造成重心侧偏将导致两个驱动轮承受的正压力不同，在快速启动时两轮打滑程度不一致，瞬间就偏离轨迹，转弯时，其中正压力小的轮子可能打滑，导致转弯困难。

（12）由于采用两个动力轮驱动，为了满足复杂状态下的加速和减速，使得单个驱动电机的功率较大，不仅占用的空间较大，而且有时候在一些相对需求能量较低的状态下造成“大马拉小车”的现象出现，不利于微电脑鼠本体微型化发展和微电脑鼠系统能源的节省。

（13）微电脑鼠在运行过程中，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。

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ARM9四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ARM9四轮微电脑鼠全数字伺服控制器，包括传感器、ARM9芯片、第一L298N芯片、第二L298N芯片、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第一前轮、第二前轮、第一后轮和第二后轮，所述传感器位于所述四轮微电脑鼠的上部，所述ARM9芯片和所述第一L298N芯片和所述第二L298N芯片焊接在一起，所述第一L298N芯片与所述第一电机和所述第二电机相连接，所述第二L298N芯片与所述第三电机和所述第四电机相连接，所述第一电机和所述第一前轮相连，所述第二电机和所述第二前轮相连，所述第三电机和所述第一后轮相连，所述第四电机和所述第二后轮相连。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机和所述第四电机为永磁直流电机。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述第一L298N芯片的8脚和14脚与所述第一电机和所述第二电机相连，所述第二L298N芯片的8脚和14脚与所述第三电机和所述第四电机相连。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述四轮微电脑鼠采用贴片元器件材料。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的基于ARM9四轮微电脑鼠全数字伺服控制器，以ARM9为处理核心，实现四轴直流电机伺服系统的数字信号实时处理，并实现两片L298N控制四台电机的响应中断，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ARM9四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ARM9四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、传感器，4、传感器S7，5、光电传感器。

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，提供一种基于ARM9四轮微电脑鼠全数字伺服控制器，包括传感器、ARM9芯片、L298N芯片1、L298N芯片2、电机R、电机Z、电机Y、电机X、前轮1、前轮2、后轮1和后轮2。所述传感器位于所述四轮微电脑鼠的上部，所述ARM9芯片和所述L298N芯片1和所述L298N芯片2焊接在一起，所述L298N芯片1与所述电机R和所述电机Z相连接，所述L298N芯片2与所述电机Y和所述电机X相连接，所述电机R和所述前轮1相连，所述电机Z和所述前轮2相连，所述电机Y和所述后轮1相连，所述电机X和所述后轮2相连。

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。其中一片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；另外一片L298N的8脚和14脚EnA、EnB分别控制电机Z和电机R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Z和电机R的正反转。

所述基于ARM9四轮微电脑鼠全数字伺服控制器的功能实现的具体步骤为：

1）为了能够实现分时四驱，驱动四轴微电脑鼠进行运动，本控制系统引入了两片L298N，但是通过I/O口与ARM9（S3C2440A）连接，由ARM9（S3C2440A）通过使能端控制四个独立电机的开通和关断。

2）打开电源瞬间，ARM9（S3C2440A）会对电池电压进行检测，如果低压的话，将禁止两片L298N使能，OUT1、OUT2、OUT3和OUT4均为低电平，直流电机X、电机Y、电机Z和电机R不能启动，同时电压传感器S7将工作，并发出报警信号。

3） S3C2440A有5个16位的定时器。定时器0，1，2，3有脉宽调制功能。由于本实用新型需要四轴独立的伺服控制，所以采用定时器0、定时器1、定时器2和定时器3来生成四路PWM波，通过L298N驱动四轮微电脑鼠运动。

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（S3C2440A），ARM9（S3C2440A）把这些环境参数转化为微电脑鼠前后左右四轮要运行的距离、速度和加速度指令值，然后由ARM9（S3C2440A）结合光电编码器和电流传感器的反馈生成微电脑鼠速度-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、电机Y、电机Z和电机R要运行的距离。ARM9（S3C2440A）根据这个梯形图的加速度和速度距离参数生成驱动四轴直流电机的PWM波，S3C2440A系统中PWM频率由TCNTBn决定，PWM脉冲宽度由TCMPBn决定，占空比即为TCMPBn／TCNTBn。ARM9（S3C2440A）根据外部分时四驱要求决定使能其中的一片L298N或者是全部，然后由L298N驱动后轮两个独立电机或者是四个独立电机，并把处理数据通讯给ARM9（S3C2440A），由ARM9（S3C2440A）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，微电脑鼠的电机X、电机Y、电机Z和电机R将原地自锁。

6）装在电机电机X、电机Y、电机Z和电机R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、B脉冲和Z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、电机Z和电机R）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（或者是电机Y、电机Z和电机R）的方向控制。

10）在微电脑鼠正常直线匀速行驶环境下，ARM9（S3C2440A）一般会禁止前轮L298N使能，释放微电脑鼠的前轮电机Z和电机R，采用电机X和电机Y驱动的方式；而一旦遇到路面灰尘较多或驱动轮打滑的情况，ARM9（S3C2440A）会自动检测并立即使能前轮的L298N，把微电脑鼠需求扭矩部分分配给电机Z和电机R，微电脑鼠自然切换到四轮驱动状态，增强了微电脑鼠的附着力和操控性。

11）在微电脑鼠正常直线加速行驶环境下，ARM9（S3C2440A）立即使能前轮的L298N，把微电脑鼠需求扭矩平均分配到四个电机，一旦任何一个动力轮离开地面，ARM9（S3C2440A）可以重新分配扭矩，把更多的扭矩分配在不打滑的驱动轮上，使系统迅速脱离打滑状态，重新回到四轴动力平衡状态。

12）当微电脑鼠转向时，为了保证旋转的稳定性，ARM9（S3C2440A）立即使能前轮的L298N，采用四轮同步伺服控制来实现转弯：在前进停车时，四轮转弯停车时是四段相同的直线，由ARM9（S3C2440A）结合停车时间、光电编码器和电流传感器的反馈生成四路PWM控制直流电机X、电机Y、电机Z和电机R，完成四轴伺服系统的同步停车控制，然后在陀螺仪控制下旋转转弯的角度；在加速前进时，四轮的加速曲线也是四段相同的直线，由ARM9（S3C2440A）结合加速时间的要求生成四路PWM控制直流电机X、电机Y、电机Z和电机R，完成四轴伺服系统的同步加速控制。

13）如果微电脑鼠在运行过程中遇到故障撞墙时，电机X、电机Y、电机Z和电机R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、电机Y、电机Z和电机R，从而有效地解决了堵转问题。

14）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。

15）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S8，此传感器会在微电脑鼠运动过程时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。

16）在微电脑鼠运动过程中，如果系统转矩出现了脉动干扰，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，防止转矩脉动对伺服系统性能的影响。

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的发生。

2、为了充分提高微电脑鼠系统的稳定性和行驶能力，本实用新型采用四轮驱动结构，前置驱动和后置驱动的四个电机功率一致，由于采用四轮驱动技术，微电脑鼠前后轮都有动力，可按迷宫地面和周围环境状态不同而将需求扭矩按不同比例分布在前后所有的轮子上，以提高微电脑鼠的行驶能力。

3、根据需要实现分时四驱。在正常行驶环境下，微电脑鼠一般会采用释放前轮，采用后轮驱动的方式；而一旦遇到路面灰尘较多或驱动轮打滑的情况，ARM9（S3C2440A）会自动检测并立即将微电脑鼠需求扭矩部分分配给前方两个驱动轮，自然切换到四轮驱动状态，增强了微电脑鼠的附着力和操控性。

4、由于采用四轮驱动方式，当需要加速行驶时，把动力平均分配到四个电机上，一旦一个动力轮离开地面，ARM9（S3C2440A）可以重新分配扭矩，把更多的扭矩分配在不打滑的驱动轮上，使系统迅速脱离打滑状态，重新回到四轴动力平衡状态，使得微电脑鼠具有更好的直线行走功能。

5、微电脑鼠转向时，为了保证旋转的稳定性，采用四轮同控来实现转弯：需要停车时，ARM9（S3C2440A）把动力平均分配到四个电机，四个电机采用相同的加速度进行同步减速，使微电脑鼠准确停车；需要加速启动时，ARM9（S3C2440A）把动力平均分配到四个电机，四个电机采用相同的加速度进行同步加速，到达设定速度时，释放前轮采用后轮驱动；由ARM9（S3C2440A）结合转弯时间的要求根据轨迹的不同生成四路PWM控制直流电机X、电机Y、电机Z和电机R，完成四轴直流伺服系统的同步控制。

6、四轮微电脑鼠系统在正常行驶时如果设计不当造成重心前偏，将导致后侧驱动轮上承受的正压力减小，ARM9（S3C2440A）会自动调整后侧的动力分配，使系统处于一种新的平衡状态，防止微电脑鼠打滑。

7、四轮微电脑鼠系统在正常行驶时如果设计不当造成重心侧偏，将导致一侧驱动轮上承受的正压力减小，ARM9（S3C2440A）会自动调整这一侧的动力分配，使系统处于一种新的平衡状态，防止微电脑鼠打滑。

8、由ARM9（S3C2440A）处理微电脑鼠的四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。

9、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。

10、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。

11、由于本控制器采用ARM9（S3C2440A）处理迷宫读取、读取和探索、冲刺算法，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强。

12、由于本控制器采用来L298N来驱动四轴直流电机，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。

13、由ARM9（S3C2440A）输出探索和冲刺时整个伺服过程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X、电机Y、电机Z和电机R，不仅减轻了ARM9（S3C2440A）的负担，简化了接口电路，使得系统的调试简单。

14、由于采用永磁直流电机，使得电机磁场恒定，电机的力矩正比于电机的电流，呈线性变化，有利于控制系统的设计。

15、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。

16、在控制中，ARM9（S3C2440A）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。

17、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问题，利用中断命令可在输出超出设定值时，L298N的电流采集电路立即发出禁止使能请求，ARM9（S3C2440A）静止使能端，释放直流电机X、电机Y、电机Z和电机R，从而有效地解决了堵转问题。

18、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。具体实施步骤是：对于基于ARM9（S3C2440A）+LN298N控制器，人为把微电脑鼠放在迷宫起始点，在电源打开状态下，微电脑鼠先进入自锁状态，然后此时微电脑鼠依靠前方、左右侧面蔽障传感器S1、S2、S3、S4、S5 、S6根据实际导航环境传输参数给控制器中的ARM9（S3C2440A），ARM9（S3C2440A）把这些环境参数转化为微电脑鼠四轮要运行的距离、速度和加速度，ARM9（S3C2440A）然后结合光电编码器和电流传感器的反馈生成驱动四轴直流电机的PWM波，然后使能L298N，然后由L298N通过使能端驱动四个独立电机，实现四轴电机的同步伺服控制，并把处理数据通过光电编码器通讯给ARM9（S3C2440A），由ARM9（S3C2440A）继续处理后续的运行状态。

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 (4)

1.一种基于ARM9四轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，包括传感器、ARM9芯片、第一L298N芯片、第二L298N芯片、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机、第一前轮、第二前轮、第一后轮和第二后轮，所述传感器位于所述四轮微电脑鼠的上部，所述ARM9芯片和所述第一L298N芯片和所述第二L298N芯片焊接在一起，所述第一L298N芯片与所述第一电机和所述第二电机相连接，所述第二L298N芯片与所述第三电机和所述第四电机相连接，所述第一电机和所述第一前轮相连，所述第二电机和所述第二前轮相连，所述第三电机和所述第一后轮相连，所述第四电机和所述第二后轮相连。

2.根据权利要求1所述的基于ARM9四轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，所述第一电机、所述第二电机、所述第三电机和所述第四电机为永磁直流电机。

3.根据权利要求1所述的基于ARM9四轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，所述第一L298N芯片的8脚和14脚与所述第一电机和所述第二电机相连，所述第二L298N芯片的8脚和14脚与所述第三电机和所述第四电机相连。

4.根据权利要求1所述的基于ARM9四轮微电脑鼠全数字伺服控制器，其特征在于，所述四轮微电脑鼠采用贴片元器件材料。

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