CN203535485U - 基于arm9两轮微电脑鼠探索控制器 - Google Patents

基于arm9两轮微电脑鼠探索控制器 Download PDF

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王应海
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Abstract

本实用新型公开了一种基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器,包括传感器、陀螺仪、ARM9控制器、L298N芯片、第一电机、第二电机、左轮和右轮,传感器位于两轮微电脑鼠的上部,陀螺仪与ARM9控制器相连接,ARM9控制器和L298N芯片焊接在一起,L298N芯片与两个电机相连接,第一电机和左轮相连,第二电机和右轮相连。通过上述方式,本实用新型的基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器,把控制系统中工作量最大的两轴伺服系统、人机界面、迷宫探知、在线输出、数据存储、I/O控制等功能交给ARM9完成,并与L298N通讯,实时进行数据交换和调用。

Description

基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及微型机器人领域,特别是涉及一种基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器。
背景技术
[0002] 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。
[0003]目前国内研发的微电脑鼠结构如图I所示,长时间运行发现存在着的安全问题有:
[0004] (I)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等问题,导致对位置的记忆出现错误,步进电机的使用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。
[0005] (2)由于微电脑鼠采用比较低级的算法,在迷宫当中的探索一般都要花费4飞分钟的时间,这使得其在真正的大赛中无法取胜。
[0006] (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。
[0007] (4)微电脑鼠相对采用的都是一些体积比较大的插件元器件,使得其体积比较庞大,无法满足快速探索的要求。
[0008] (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。
[0009] ( 6 )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,使得微电脑鼠在直道上行驶的时候要来回的补偿,而且有的时候在迷宫当中摇摆幅度较大,在快速探索时表现的尤其明显。
[0010] (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。
实用新型内容
[0011] 本实用新型主要解决的技术问题是提供一种基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器,该两轮微电脑鼠探索控制器处理速度快,运行顺畅。
[0012] 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ARM9两轮微电脑鼠探索控制器,包括传感器、陀螺仪、ARM9控制器、L298N芯片、第一电机、第二电机、左轮和右轮,所述传感器位于所述两轮微电脑鼠的上部,所述陀螺仪与所述ARM9控制器相连接,所述ARM9控制器和所述L298N芯片焊接在一起,所述L298N芯片与所述第一电机和所述第二电机相连接,所述第一电机和所述左轮相连,所述第二电机和所述右轮相连。[0013] 在本实用新型一个较佳实施例中,所述ARM9控制器为S3C2440A处理器。
[0014] 在本实用新型一个较佳实施例中,所述传感器为6个,所述6个传感器位于所述两轮微电脑鼠上部的上下左右前后的位置。
[0015] 在本实用新型一个较佳实施例中,所述两轮微电脑鼠采用贴片元器件材料。
[0016] 在本实用新型一个较佳实施例中,所述ARM9控制器生成PWM波,所述PWM波通过所述L298N芯片传输给所述第一电机和所述第二电机。
[0017] 本实用新型的有益效果是:本实用新型的基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器,把控制系统中工作量最大的两轴伺服系统、人机界面、迷宫探知、在线输出、数据存储、I/o控制等功能交给ARM9完成,并与L298N通讯,实时进行数据交换和调用。
附图说明
[0018] 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:
[0019] 图I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;
[0020] 图2是本实用新型中基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器一较佳实施例的原理图;
[0021] 图3是本实用新型中基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器一较佳实施例的系统框图;
[0022] 图4是本实用新型中基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器一较佳实施例的程序框图;
[0023] 图5是本实用新型中基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器一较佳实施例的16*16迷宫示意图;
[0024] 图6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;
[0025] 图7是本实用新型中基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器一较佳实施例的前进示意图;
[0026] 图8是本实用新型中基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器一较佳实施例的后退示意图;
[0027] 图9是本实用新型中基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器一较佳实施例的右进示意图;
[0028] 图10是本实用新型中基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器一较佳实施例的左退示意图;
[0029] 附图中各部件的标记如下:1、外壳,2、车轮,3、传感器。
具体实施方式
[0030] 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。
[0031] 请参阅图2、3、4、6,本实用新型提供一种基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器,包括传感器、陀螺仪、ARM9控制器、L298N芯片、电机X、电机Y、车轮I和车轮2。所述传感器位于所述两轮微电脑鼠的上部,所述陀螺仪与所述ARM9控制器相连接,所述ARM9控制器和所述L298N芯片焊接在一起,所述L298N芯片与所述电机X和所述电机Y相连接,所述电机X和所述车轮I相连,所述电机Y和所述车轮2相连,所述传感器为6个,所述6个传感器位于所述两轮微电脑鼠上部的上下左右前后的位置。
[0032] ARM9 芯片米用 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。
[0033] S3C2440A 采用 ARM920T 内核,其主要特点有:(I )1. 2V 内核,I. 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/I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1/0,24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IM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。
[0034] L298N是SGS公司的产品,比较常见的是20管脚PowerS020封装,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OUTl、0UT2和0UT3、0UT4的电平,来控制电机X和电机Y的正反转。此特点使得L298N特别适合驱动两轴伺服电机。
[0035] 请参阅图5、7_10,所述基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器的具体功能步骤为:
[0036] I)在微电脑鼠未接到探索命令之前,它一般会在起点坐标(0,0)等待控制器发出的探索命令,一旦接到任务后,会沿着起点开始向终点(7,7)、(7,8)、(8,7)、(8,8)探索。
[0037] 2)微电脑鼠放在起点坐标(0,0),接到任务后其前方的传感器SI、S6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发出中断请求,ARM9会对中断做第一时间响应,然后禁止控制左右轮的L298N使能端ENA、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。
[0038] 3)在微电脑鼠沿着Y轴向前运动,在任何一个方格的中心如果确定没有挡墙进入前方的运动范围,则微电脑鼠将存储其坐标(X,Y),并把向前运动一格的位置参数送给ARM9,然后由ARM9根据探索速度和加速度要求以及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电机X和电机Y要运行的一格距离。ARM9根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波,ARM9使能L298N,并控制OUTl和0UT3为高电平,0UT2和0UT4为低电平,由L298N驱动两个独立直流电机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+1),在Y+l〈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搜索到目标,然后置返航探索标志为I,微电脑鼠准备返程探索。
[0039] 4)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,并且此时左右的传感器S2、S3、S4、S5判断左右都有挡墙时,微电脑鼠将存储此时坐标(X,Y),根据传感器SI和S6的反馈计算出向前运动停车的位置参数,由ARM9根据探索速度和加速度要求生成速度-时间运动梯形图,这个梯形包含的面积就是微电脑鼠两个马达要停车的距离。ARM9根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波,ARM9使能L298N,并控制OUTl和0UT3为高电平,0UT2和0UT4为高电平,由L298N驱动两个独立电机依靠摩擦力向前减速运动并实现中心点停车,ARM9使能L298N使得两个电机运动方向相反,微电脑鼠原地由陀螺仪控制调转180度,然后沿着Y轴反向运动,在其Y轴反向运动过程中,把向前运动一格的位置参数送给ARM9,由ARM9根据探索速度和加速度要求以及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电机X和电机Y要运行的一格距离。ARM9根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波,ARM9使能L298N,并控制OUTl和0UT3为高电平,0UT2和0UT4为低电平,由L298N驱动两个独立直流电机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-1),在确定Y-1>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搜索到目标,然后置返航探索标志为1,微电脑鼠准备返程探索。
[0040] 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,并且此时左右的传感器S2、S3、S4、S5判断左方有挡墙时,微电脑鼠将存储此时坐标(X,Y),根据传感器SI和S6的反馈计算出向前运动停车的位置参数,由ARM9根据探索速度和加速度要求生成速度-时间运动梯形图,这个梯形包含的面积就是微电脑鼠两个马达要停车的距离
S。ARM9根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波,ARM9使能L298N,并控制OUTl和0UT3为高电平,0UT2和0UT4为高电平,由L298N驱动两个独立电机依靠摩擦力向前减速运动并实现中心点停车,ARM9使能L298N使得两个电机运动方向相反,微电脑鼠原地由陀螺仪控制向右调转90度,然后沿着X轴正向运动,在其X轴正向运动过程中,把向前运动一格的位置参数送给ARM9,然后由ARM9根据探索速度和加速度要求以及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电机X和电机Y要运行的一格距离。ARM9根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波,ARM9使能L298N,并控制OUTl和0UT3为高电平,0UT2和0UT4为低电平,由L298N驱动两个独立直流电机X和电机Y向前运动,当到达设定目标时,将更新其坐标为(Χ+1,Y),在确定X+l〈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搜索到目标,然后置返航探索标志为1,微电脑鼠准备返程探索。
[0041] 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,并且此时左右的传感器S2、S3、S4、S5判断右方有挡墙时,微电脑鼠将存储此时坐标(X,Y),根据传感器SI和S6的反馈计算出向前运动停车的位置参数,由ARM9根据探索速度和加速度要求生成速度-时间运动梯形图,这个梯形包含的面积就是微电脑鼠两个马达要停车的距离。ARM9根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波,ARM9使能L298N,并控制OUTl和0UT3为高电平,0UT2和0UT4为高电平,由L298N驱动两个独立电机依靠摩擦力向前减速运动并实现中心点停车,ARM9使能L298N使得两个电机运动方向相反,微电脑鼠原地由陀螺仪控制向左调转90度,然后沿着X轴反向运动,在其X轴反向运动过程中,把向前运动一格的位置参数送给ARM9,然后由ARM9根据探索速度和加速度要求以及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电机X和电机Y要运行的一格距离。ARM9根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波,ARM9使能L298N,并控制OUTl和0UT3为高电平,0UT2和0UT4为低电平,由L298N驱动两个独立直流电机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-1,Y),在确定X-DO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搜索到目标,然后置返航探索标志为1,微电脑鼠准备返程探索。
[0042] 7)当微电脑鼠到达(7,7)、(7,8)、(8,7)、(8,8)准备返程探索时,控制器会调出其已经存储的迷宫,然后根据快速迷宫算法计算出可能存在的最佳路径,返程开始进入其中认为最优的一条。
[0043] 8)在微电脑鼠进入迷宫正常返航运行时,其导航的传感器SI、S2、S3、S4、S5、S6将工作,并把反射回来的光电信号送给ARM9,经ARM9判断后使能L298N,导航电机X和电机Y:如果进入已经搜索的区域将更改探索速度进行快速前进,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O,微电脑鼠进入冲刺阶段,并置冲刺标志为I。
[0044] 9)为了能够实现微电脑鼠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,说明微电脑鼠已经开始当前的迷宫格子,ARM9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线的光电编码器,由于精度较高,使得微电脑鼠的坐标计算不会出现错误,为微电脑鼠的快速冲刺奠定了基础。
[0045] 10 )在微电脑鼠运行过程中,控制器会对高速直流电机X和电机Y的转矩进行在线辨识,如果转矩出现脉动,控制器会利用直流电机力矩与电流的关系进行线性补偿,减少了电机转矩抖动对微电脑鼠快速探索时导航的影响。
[0046] 11)当微电脑完成整个探索过程回到起始点(O,O ),ARM9将控制L298N使得微电脑中心点停车,重新调整L298N的0UT1、0UT2、0UT3和0UT4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I秒,调取迷宫信息,根据算法算出最优冲刺路径,然后置冲刺标志为1,系统进入快速冲刺阶段。
[0047] 本实用新型具有的有益效果是:
[0048] I、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。
[0049] 2、由ARM9处理微电脑鼠探索未知迷宫期间两只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。
[0050] 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,节省了控制板占用空间。
[0051] 4、在此微电脑鼠系统中引入了陀螺仪,可以精确的测量出微电脑鼠探索期间旋转的角度,实现了微电脑鼠速度大小和方向的独立控制,有利于提高微电脑鼠的稳定性和动态性能。
[0052] 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传感器0PE5594A,使得运算精度大大提高,防止了微电脑鼠在迷宫当中的摇摆。
[0053] 6、由于本控制器采用ARM9处理迷宫存储和探索算法,有效地防止了程序的“跑飞”,抗干扰能力大大增强。
[0054] 7、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。
[0055] 8、由ARM9输出探索时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X和电机Y,而且还可以接受L298N的电流传感器信号做闭环控制,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。
[0056] 9、为了更好的保护电池,当系统在探索过程中遇到低压时,微电脑鼠上的低压报警传感器S7会自动开启,并通过L298N限制放电电流,保证微电脑鼠可以完成整个探索,在探索完成回到起点时,会自动锁死在当前位置,并记录下迷宫信息,提示更换电池。
[0057] 10、在微电脑鼠运行过程中,控制器会对高速直流电机X和电机Y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探索的影响。
[0058] 11、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前进、倒退、左转和右转各个方向的运动。
[0059] 12、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。
[0060] 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ARM9两轮微电脑鼠探索控制器,其特征在于,包括传感器、陀螺仪、ARM9控制器、L298N芯片、第一电机、第二电机、左轮和右轮,所述传感器位于所述两轮微电脑鼠的上部,所述陀螺仪与所述ARM9控制器相连接,所述ARM9控制器和所述L298N芯片焊接在一起,所述L298N芯片与所述第一电机和所述第二电机相连接,所述第一电机和所述左轮相连,所述第二电机和所述右轮相连。
2.根据权利要求I所述的基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器,其特征在于,所述ARM9控制器为S3C2440A处理器。
3.根据权利要求I所述的基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器,其特征在于,所述传感器为6个,所述6个传感器位于所述两轮微电脑鼠上部的上下左右前后的位置。
4.根据权利要求I所述的基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器,其特征在于,所述两轮微电脑鼠采用贴片元器件材料。
5.根据权利要求I所述的基于ARM9两轮微电脑鼠探索控制器,其特征在于,所述ARM9控制器生成PWM波,所述PWM波通过所述L298N芯片传输给所述第一电机和所述第二电机。
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