CN203909615U - 基于arm9四轮快速微电脑鼠连转冲刺伺服系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于ARM9四轮快速微电脑鼠连转冲刺伺服系统，包括主控制电路、两个驱动电路和四个高速永磁直流电机，所述主控制电路分别与每一个所述驱动电路电性连接，每一个所述驱动电路分别与两个所述高速永磁直流电机电性连接，所述主控制电路包括ARM9处理器，所述驱动电路包括L298N芯片。本实用新型采用L298N芯片驱动电机，极大地减少了驱动电路所占用的空间，提高了系统的冲刺效率和稳定性；采用四轮驱动结构，提高了微电脑鼠冲刺时的稳定性和行驶能力；所述陀螺仪能够提高微电脑鼠冲刺时的稳定性和动态性能；所述数据存储模块能够存储微电脑鼠已经探索的迷宫信息，便于优化二次冲刺的路径，减少冲刺时间。

Description

基于ARM9四轮快速微电脑鼠连转冲刺伺服系统

技术领域

本实用新型涉及一种基于ARM9四轮快速微电脑鼠连转冲刺伺服系统。

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，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。微电脑鼠比赛在国外已经有30几年的历史，现在每年在国外都要举行上百场的国际微电脑鼠大赛。 

微电脑鼠竞赛采用运行时间、迷宫时间和碰触这三个参数，从速度、求解迷宫的效率和电脑鼠的可靠性三个方面来进行评分，不同的国家采用不同的评分标准，最有代表的四个国家标准为：

（1）美国 IEEE APEC国际微电脑鼠机器人竞赛：探索时间、冲刺时间和固定的接触扣分，都记入总成绩，得分 = 探索时间/30 +冲刺时间+固定接触扣分；

（2）全日本国际微电脑鼠机器人大会（专家级）：总成绩仅计算冲刺时间，得分 = 最佳冲刺时间；

（3）英国微电脑鼠机器人挑战赛：探索时间、冲刺时间和可变的接触扣分都记入总成绩，得分 = 探索时间/30 +冲刺时间+变动接触扣分；

（4）新加坡机器人大赛：探索时间、冲刺时间记入总成绩；每次接触机器人将减少一次尝试机会，得分 = 探索时间/30 +冲刺时间。

从上面的国际标准来看，冲刺时间决定整个微电脑鼠的成败，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，而且传感器的设置有误，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，研发的微电脑鼠基本上不会多次自动加速冲刺，在一般迷宫当中的冲刺一般都要花费15~30秒的时间，这使得在真正的国际复杂迷宫大赛中无法取胜。

（5）由于微电脑鼠在快速冲刺过程中需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和重量比较庞大，而且重心较高，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控制信号要同步，但是对于单一单片机来说很难办到，使得微电脑鼠在高速冲刺时会在迷宫当中摇摆幅度较大，经常出现撞墙的现象发生，导致冲刺失败。 

（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。

（10）由于没有角速度传感器的辅助进行转弯，经常出现转弯角度过小或者过大的现象发生，然后依靠导航的传感器进行补偿，导致在连续多次转弯的迷宫中出现撞墙的现象发生，致使冲刺失败。

（11）采用单个传感器探知前方迷宫的挡墙，极易收到外界干扰，致使前方传感器错误引导快速冲刺的微电脑鼠，导致微电脑鼠在迷宫中冲刺不到位或者撞墙，致使冲刺失败。

（12）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，特别是直线加速冲刺导航时，要求速度和加速度要追求严格的一致，否则直线导航将会失败，导致微电脑鼠出现撞墙的现象发生。

（13）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冲刺的发展。

（14）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。

（15）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。

（16）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。

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。

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ARM9四轮快速微电脑鼠连转冲刺伺服系统，采用L298N芯片驱动电机，极大地减少了驱动电路所占用的空间，提高了系统的冲刺效率和稳定性；采用四轮驱动结构，提高了微电脑鼠冲刺时的稳定性和行驶能力；所述陀螺仪能够提高微电脑鼠冲刺时的稳定性和动态性能；所述数据存储模块能够存储微电脑鼠已经探索的迷宫信息，便于优化二次冲刺的路径，减少冲刺时间。

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ARM9四轮快速微电脑鼠连转冲刺伺服系统，包括主控制电路、两个驱动电路和四个高速永磁直流电机，所述主控制电路分别与每一个所述驱动电路电性连接，每一个所述驱动电路分别与两个所述高速永磁直流电机电性连接，所述主控制电路包括ARM9处理器，所述驱动电路包括L298N芯片。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述连转冲刺伺服系统进一步包括电源供应单元，所述电源供应单元包括锂离子电池。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述连转冲刺伺服系统进一步包括角速度测量陀螺仪和车速测量陀螺仪，所述角速度测量陀螺仪和车速测量陀螺仪分别与所述主控制电路电性连接。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述连转冲刺伺服系统进一步包括光电补偿传感器、电压传感器和至少六个蔽障传感器，所述光电补偿传感器、所述电压传感器和每一个所述蔽障传感器分别与所述主控制电路电性连接。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述蔽障传感器包括红外发射器和红外接收器，所述红外发射器的型号为OPE5594A，所述红外接收器的型号为TSL262。

在本实用新型一个较佳实施例中，两个所述红外发射器的信号发射方向与所述两轮微电脑鼠的运动方向相同，两个所述红外发射器的信号发射方向相反且垂直于所述两轮微电脑鼠的运动方向，两个所述红外发射器的信号发射方向关于所述两轮微电脑鼠的运动方向对称且与所述两轮微电脑鼠的运动方向成45°夹角，其它所述红外发射器的信号发射方向与所述两轮微电脑鼠的运动方向的夹角为锐角。

本实用新型还提供一种四轮微电脑鼠，包括所述的连转冲刺伺服系统，所述连转冲刺伺服系统包括主控制电路、两个驱动电路和四个高速永磁直流电机，所述主控制电路分别与每一个所述驱动电路电性连接，每一个所述驱动电路分别与两个所述高速永磁直流电机电性连接，所述主控制电路包括ARM9处理器，所述驱动电路包括L298N芯片；所述四轮微电脑鼠进一步包括外壳和四个车轮，所述连转冲刺伺服系统设置在所述外壳内部，所述外壳两侧分别设置两个车轮，每一个所述车轮与一个所述高速永磁直流电机连接。

本实用新型的有益效果是：

（1）采用L298N芯片驱动电机，极大地减少了驱动电路所占用的空间，提高了系统的冲刺效率和稳定性，有效地防止了程序跑飞，抗干扰能力大大增强；

（2）采用高速永磁直流电机，电机的加速度和电机的电流呈一定的比例关系，便于所述ARM9处理器实时监测锂离子电池的能量状态，避免了大电流的产生，且能够提示操作人员在电脑鼠冲刺前更换能量不足的电池，减少了电池对高速冲刺的误干扰；

（3）采用四轮驱动结构，提高了微电脑鼠冲刺时的稳定性和行驶能力；能够依据具体路况在两轮驱动和四轮驱动之间自动切换，提高了冲刺效率；在加速冲刺时，把动力平均分配到四个电机上，能够防止打滑，转弯时更稳定；

（4）所述陀螺仪能够检测电脑鼠的角位移信息和速度信息，实现了四轮微电脑鼠的速度大小和方向的独立控制，对微电脑鼠的连续旋转具有导航作用，有利于提高微电脑鼠冲刺时的稳定性和动态性能；

（5）所述ARM处理器对四个电机的转矩进行在线识别并利用电机转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；

（6）设有数据存储模块，能够存储微电脑鼠已经探索的迷宫信息，便于优化二次冲刺的路径，减少冲刺时间；

（7）所述LM629控制模块依据不同的路径控制不同的冲刺模块工作，增强了冲刺的稳定性。

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是单片机控制的微电脑鼠的电路原理框图；

图2为本实用新型所述连转冲刺伺服系统的电路原理框图；

图3为本实用新型所述主控制电路和驱动电路的工作原理图；

图4为本实用新型所述的四轮微电脑鼠的控制方法的控制模块框图；

图5为本实用新型所述四轮微电脑鼠运动时的迷宫坐标示意图；

图6是本实用新型所述四轮微电脑鼠一较佳实施例的结构示意图；

图7是本实用新型所述四轮微电脑鼠的速度曲线图；

图8是本实用新型所述四轮微电脑鼠的速度曲线图；

图9为本实用新型所述的四轮微电脑鼠的控制方法的自动冲刺程序流程图；

图10为本实用新型所述四轮微电脑鼠的右转冲刺示意图；

图11为本实用新型所述四轮微电脑鼠的左转冲刺示意图；

图12为本实用新型所述四轮微电脑鼠运动时的楼梯形迷宫结构图；

图13为本实用新型所述四轮微电脑鼠沿着楼梯形迷宫进行连转冲刺的路径示意图；

图14为本实用新型所述四轮微电脑鼠沿着楼梯形迷宫进行连转冲刺的参数示意图；

图15为本实用新型所述四轮微电脑鼠运动时的M形迷宫结构图；

图16为本实用新型所述四轮微电脑鼠沿着M形迷宫进行连转冲刺的路径示意图；

图17为本实用新型所述四轮微电脑鼠沿着M形迷宫进行连转冲刺的参数示意图。

附图中各部件的标记如下：1、外壳，2、车轮，S1、第一蔽障传感器，S2、第二蔽障传感器，S3、第三蔽障传感器，S4、第四蔽障传感器，S5、第五蔽障传感器，S6、第六蔽障传感器，S7、光电补偿传感器，S8、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1至图17，本实用新型实施例包括：

一种基于ARM9四轮快速微电脑鼠连转冲刺伺服系统，包括主控制电路、两个驱动电路和四个高速永磁直流电机，四个所述高速永磁直流电机分别编号为X、Y、Z、R。所述主控制电路分别与每一个所述驱动电路电性连接，每一个所述驱动电路分别与两个所述高速永磁直流电机电性连接，所述主控制电路包括ARM9处理器，所述驱动电路包括L298N芯片。

ARM9处理器采用 R I SC ( 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。

L298N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）的输入脚，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）的输入脚，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。

其中，所述连转冲刺伺服系统进一步包括电源供应单元，所述电源供应单元包括锂离子电池。所述连转冲刺伺服系统进一步包括角速度测量陀螺仪和车速测量陀螺仪，所述角速度测量陀螺仪和车速测量陀螺仪分别与所述主控制电路电性连接。

所述连转冲刺伺服系统进一步包括光电补偿传感器、电压传感器和至少六个蔽障传感器，在本实施例中，所述蔽障传感器的数量为六个，分别编号为S1、S2、S3、S4、S5、S6。所述光电补偿传感器、所述电压传感器和每一个所述蔽障传感器分别与所述主控制电路电性连接。所述蔽障传感器包括红外发射器和红外接收器，所述红外发射器的型号为OPE5594A，所述红外接收器的型号为TSL262。

两个所述红外发射器的信号发射方向与所述两轮微电脑鼠的运动方向相同，两个所述红外发射器的信号发射方向相反且垂直于所述两轮微电脑鼠的运动方向，两个所述红外发射器的信号发射方向关于所述两轮微电脑鼠的运动方向对称且与所述两轮微电脑鼠的运动方向成45°夹角，其它所述红外发射器的信号发射方向与所述两轮微电脑鼠的运动方向的夹角为锐角。

本实用新型还提供一种四轮微电脑鼠，包括所述的连转冲刺伺服系统，所述四轮微电脑鼠进一步包括外壳1和四个车轮2，所述连转冲刺伺服系统设置在所述外壳1内部，所述外壳1两侧分别设置两个车轮2，每一个所述车轮2与一个所述高速永磁直流电机连接。

本实用新型所述四轮微电脑鼠的控制方法包括上位机控制模块和运动控制模块，所述上位机控制模块包括迷宫读取模块、坐标定位模块和在线输出模块，所述运动控制模块包括数据存储模块，输入输出模块和L298N控制模块，所述L298N控制模块包括直线冲刺模块、右转冲刺模块、左转冲刺模块、S曲线冲刺模块和U曲线冲刺模块。在本实施例中，所述直线冲刺模块、右转冲刺模块、左转冲刺模块、S曲线冲刺模块和U曲线冲刺模块依次编号为子程序1、子程序2、子程序3、子程序4、子程序5。

所述四轮微电脑鼠包括探索冲刺和直接冲刺两种冲刺模式，所述直接冲刺模式进一步包括定速冲刺模式和不定速冲刺模式；在所述探索冲刺模式下，所述四轮微电脑鼠自动搜索完成迷宫探索到达终点后再返回起点，最后调取探索过程中获取的迷宫信息快速冲刺到终点；在直接冲刺模式下，所述四轮微电脑鼠直接调取历史迷宫信息快速冲刺到终点。

所述四轮微电脑鼠在迷宫中运动，所述迷宫平均分为若干带坐标值的方格，当所述四轮微电脑鼠前方的迷宫路径为大于等于两个方格的直线路径时，所述直线冲刺模块工作；当所述四轮微电脑鼠的正前方和左边有挡墙而右边无挡墙时，所述右转冲刺模块工作；当所述四轮微电脑鼠的正前方和右边有挡墙而左边无挡墙时，所述左转冲刺模块；当所述四轮微电脑鼠前方的迷宫路径为楼梯形时，所述S曲线冲刺模块工作；当所述四轮微电脑鼠前方的迷宫路径为“M”形时，所述U曲线冲刺模块工作。

在具体应用时，本实用新型开发时采用S3C2440A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。

本实用新型的工作原理为：

1）在微电脑鼠打开电源瞬间，系统将会按照图9的方式完成冲刺，首先系统要完成初始化，然后等待按键信息，未接到按键信息命令之前，它一般会在起点坐标（0，0）等待控制器发出的冲刺命令，根据按键信息，本实用新型有多种冲刺方法：如果按下的是START（启动）键，说明系统要放弃以前的迷宫信息先进行搜索，然后搜索完成后生成优化的冲刺迷宫信息，微电脑鼠进入自动多次冲刺阶段；如果按下的是RESET（复位）+STRAT（启动）键，说明系统要调出已经探索后的最优迷宫，然后沿着起点开始快速向终点（7，7）、（7，8）、（8，7）、（8，8）冲刺；如果按下的是RESET（复位）+STRAT（启动）+SPEED（速度）键，说明系统要调出已经探索后的最优迷宫，然后沿着起点以设定的冲刺速度开始快速向终点（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、电机Y、电机Z和电机R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7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，系统进入自动冲刺子程序1，微电脑鼠将存储其现在的坐标（X,Y），处理器把向前运动Z格的位置参数传递给ARM9(S3C2440A)，ARM9(S3C2440A)根据此位置参数，计算出速度参数以及加速度参数，形成此时条件下的速度-时间梯形图，由于直流电机的速度和电压成正比例，根据这个梯形图结合光电编码器和电流传感器的反馈就可以生成控制左右轮直流电机的PWM波，然后ARM9(S3C2440A)使能前驱和后驱的两片驱动芯片L298N，通过调整两片L298N管脚OUT1、OUT2和OUT3、OUT4的电平，启动电机X、电机Y、电机Z和电机R，使系统按照图7的速度-时间运动图进入加速阶段，直到系统到达设定直线冲刺速度，并通过光电编码器记录下微电脑鼠已经运行的距离S1；然后ARM9(S3C2440A)禁止前驱的驱动芯片L298N使能，系统释放电机Z和电机R，微电脑鼠进入后驱方式，电机X和电机Y以设定的直线冲刺速度到达指定位置S1+S2，然后系统使能前驱的驱动芯片L298N，使电机X、电机Y、电机Z和电机R以相同的加速度驱动微电脑鼠开始减速，当速度为零时到达设定目标S1+S2+S1，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，系统进入自动冲刺子程序1，微电脑鼠将存储其现在的坐标（X,Y），处理器把向前运动Z格的位置参数传递给ARM9(S3C2440A)，ARM9(S3C2440A)根据此位置参数，计算出速度参数以及加速度参数，形成此时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，根据这个梯形图结合光电编码器和电流传感器的反馈就可以生成控制左右轮直流电机的PWM波，然后ARM9(S3C2440A)使能前驱和后驱的两片驱动芯片L298N，通过调整两片L298N管脚OUT1、OUT2和OUT3、OUT4的电平，启动电机X、电机Y、电机Z和电机R，使系统进入加速阶段，直到系统到达设定直线冲刺速度，并通过光电编码器记录下微电脑鼠已经运行的距离S1；然后ARM9(S3C2440A)禁止前驱的驱动芯片L298N使能，系统释放电机Z和电机R，微电脑鼠进入后驱方式，电机X和电机Y以设定的直线冲刺速度到达指定位置S1+S2，然后系统使能前驱的驱动芯片L298N，使电机X、电机Y、电机Z和电机R以相同的加速度驱动微电脑鼠开始减速，当速度为零时到达设定目标S1+S2+S1，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；

5）在微电脑鼠沿着Y轴向前运动过程中如果有迷宫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，系统进入自动冲刺子程序2，微电脑鼠将存储此时坐标（X,Y），然后进入图10所示的曲线运动轨迹，在右冲刺转弯时，ARM9(S3C2440A)首先把行走直线很短的距离 Leading按照各种冲刺条件不同的要求转化为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经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，然后控制左右轮以相同的加速度和速度控制电机X、电机Y、电机Z和电机R向前快速运动；当到达既定目标时，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。误差补偿结束后， ARM9(S3C2440A)把行走的曲线轨迹R_Arc1和R_Arc3按照各种冲刺条件不同的要求转化为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经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，控制前后左右四轮工作；当到达既定目标后， ARM9(S3C2440A)把行走的曲线轨迹R_Arc2和R_Arc4按照各种冲刺条件不同的要求转化为后驱和前驱的四轮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经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，控制前后左右四轮工作；当到达既定目标后，陀螺仪要保证微电脑鼠方向已右转90度，控制器把直线行走很短的距离 Passing按照各种冲刺条件不同的要求转化为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经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，控制电机X、电机Y、电机Z和电机R向前快速运动，当到达既定目标后完成整个右转弯的轨迹曲线运动。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迷宫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，系统进入自动冲刺子程序3，微电脑鼠将存储此时坐标（X,Y），然后进入图11所示的曲线运动轨迹，在左冲刺转弯时，ARM9(S3C2440A)首先把行走直线很短的距离 Leading按照各种冲刺条件不同的要求转化为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经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，然后控制左右轮以相同的加速度和速度控制电机X、电机Y、电机Z和电机R向前快速运动；当到达既定目标时，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。误差补偿结束后， ARM9(S3C2440A)把行走的曲线轨迹L_Arc1和L_Arc3按照各种冲刺条件不同的要求转化为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经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，控制前后左右四轮工作；当到达既定目标后， ARM9(S3C2440A)把行走的曲线轨迹L_Arc2和L_Arc4按照各种冲刺条件不同的要求转化为后驱和前驱的四轮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经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，控制前后左右四轮工作；当到达既定目标后，陀螺仪要保证微电脑鼠方向已左转90度，控制器把直线行走很短的距离 Passing按照各种冲刺条件不同的要求转化为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经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，控制电机X、电机Y、电机Z和电机R向前快速运动，当到达既定目标后完成整个右转弯的轨迹曲线运动。此时将更新其坐标为（X-1,Y），在X-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）在微电脑鼠沿着X轴、Y轴向前运动过程中如果有类似图12的楼梯型迷宫挡墙进入前方的运动范围，系统进入自动冲刺子程序4，微电脑鼠将存储此时坐标（X,Y），然后进入图13、图14所示的曲线运动轨迹，在一次左冲刺转弯时，ARM9(S3C2440A)首先把行走直线很短的距离 Leading1按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，然后控制前后左右四轮以相同的加速度和速度直线前进；当到达既定目标时，把此时的迷宫坐标更新为（X+1，Y），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。误差补偿结束后控制器会把曲线运动轨迹L_Arc1和L_Arc3按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，控制器会把曲线运动轨迹L_Arc2和L_Arc4按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，陀螺仪要保证微电脑鼠方向已左转90度，控制器把直线行走很短的距离 Passing1+Leading2，按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮以相同的加速度和速度前进，当传感器S5的值产生有高电平到低电平的跃变时，更新微电脑鼠坐标为（X+1,Y+1），微电脑鼠继续以当前的速度和加速前进，当到达既定目标时，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。误差补偿结束后控制器会把曲线运动轨迹R_Arc1和R_Arc3按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，控制器会把曲线运动轨迹R_Arc2和R_Arc4按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，陀螺仪要保证微电脑鼠方向已由转90度，控制器把直线行走很短的距离 Passing2+Leading3按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮以相同的加速度和速度前进，当传感器S2的值产生有高电平到低电平的跃变时，微电脑鼠完成一个楼梯的冲刺，更新微电脑鼠坐标为（X+2,Y+1），依此类推，当微电脑鼠完成Z格楼梯迷宫冲刺时，在Z格的坐标为（X+Z,Y+Z），冲出Z格楼梯迷宫的坐标为（X+Z+1,Y+Z），在X+Z+1<15和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；

8）在微电脑鼠沿着X轴、Y轴向前运动过程中如果有类似图15的M型迷宫挡墙进入前方的运动范围，系统进入自动冲刺子程序5，微电脑鼠将存储此时坐标（X,Y），然后进入图16、图17所示的曲线运动轨迹，在一次左冲刺转弯时，ARM9(S3C2440A)首先把行走直线很短的距离 Leading1按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，然后控制前后左右四轮以相同的加速度和速度直线前进；当到达既定目标时，把此时的迷宫坐标更新为（X+1，Y），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。误差补偿结束后控制器会把曲线运动轨迹L_Arc1和L_Arc3按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，控制器会把曲线运动轨迹L_Arc2和L_Arc4按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，陀螺仪要保证微电脑鼠方向已左转90度，控制器把直线行走很短的距离 Passing1+Leading2，按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮以相同的加速度和速度前进，当传感器S5的值产生有高电平到低电平的跃变时，更新微电脑鼠坐标为（X+1,Y+1），微电脑鼠继续以当前的速度和加速前进，当到达既定目标时，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。误差补偿结束后控制器会把曲线运动轨迹R_Arc1和R_Arc3按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，控制器会把曲线运动轨迹R_Arc2和R_Arc4按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，陀螺仪要保证微电脑鼠方向已右转90度，控制器把直线行走很短的距离 Passing2+Leading3按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮以相同的加速度和速度前进，当传感器S5的值产生有高电平到低电平的跃变时，更新微电脑鼠坐标为（X+2,Y+1），微电脑鼠继续以当前的速度和加速前进，当到达既定目标时，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。误差补偿结束后控制器会把曲线运动轨迹R_Arc1和R_Arc3按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，控制器会把曲线运动轨迹R_Arc2和R_Arc4按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，陀螺仪要保证微电脑鼠方向已右转90度，控制器把直线行走很短的距离 Passing3+Leading4按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮以相同的加速度和速度前进，当传感器S2的值产生有高电平到低电平的跃变时，更新微电脑鼠坐标为（X+2,Y），微电脑鼠继续以当前的速度和加速前进，当到达既定目标时，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。误差补偿结束后控制器会把曲线运动轨迹L_Arc1和L_Arc3按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制前后左右四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，控制器会把曲线运动轨迹L_Arc2和L_Arc4按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，陀螺仪要保证微电脑鼠方向已左转90度，控制器把直线行走很短的距离 Passing4+Leading5按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后结合电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器和电流传感器的反馈经内部位置、速度和加速度控制程序， 生成控制四轮的PWM波给L298N，然后控制四轮以相同的加速度和速度前进，当传感器S5的值产生有高电平到低电平的跃变时，微电脑鼠完成一个山形的冲刺，更新微电脑鼠坐标为（X+3,Y），依次类推，微电脑鼠经过Z个山形后，更新微电脑鼠坐标为（X+2*Z+1,Y），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；

9）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。

10）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、Y轴、电机Z和电机R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，保证了微电脑鼠快速冲刺迷宫信息的准请性。

11）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。

12）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。

13）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，本实用新型加入了硬件保护，否则将严重伤害电池。

14）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。

15）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）将控制两片L298N的电平输出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，使得两侧的电机：电机X、电机Z和电机Y、电机R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。

本实用新型的有益效果是：

（1）采用L298N芯片驱动电机，极大地减少了驱动电路所占用的空间，提高了系统的冲刺效率和稳定性，有效地防止了程序跑飞，抗干扰能力大大增强。

（2）采用高速永磁直流电机，电机的加速度和电机的电流呈一定的比例关系，便于所述ARM9处理器实时监测锂离子电池的能量状态，避免了大电流的产生，且能够提示操作人员在电脑鼠冲刺前更换能量不足的电池，减少了电池对高速冲刺的误干扰。

（3）采用四轮驱动结构，提高了微电脑鼠冲刺时的稳定性和行驶能力；能够依据具体路况在两轮驱动和四轮驱动之间自动切换，提高了冲刺效率；在加速冲刺时，把动力平均分配到四个电机上，能够防止打滑，转弯时更稳定。

（4）所述陀螺仪能够检测电脑鼠的角位移信息和速度信息，实现了四轮微电脑鼠的速度大小和方向的独立控制，对微电脑鼠的连续旋转具有导航作用，有利于提高微电脑鼠冲刺时的稳定性和动态性能。

（5）所述ARM处理器对四个电机的转矩进行在线识别并利用电机转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。

（6）设有数据存储模块，能够存储微电脑鼠已经探索的迷宫信息，便于优化二次冲刺的路径，减少冲刺时间。

（7）所述LM629控制模块依据不同的路径控制不同的冲刺模块工作，增强了冲刺的稳定性。

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 (7)

1.一种基于ARM9四轮快速微电脑鼠连转冲刺伺服系统，其特征在于，包括主控制电路、两个驱动电路和四个高速永磁直流电机，所述主控制电路分别与每一个所述驱动电路电性连接，每一个所述驱动电路分别与两个所述高速永磁直流电机电性连接，所述主控制电路包括ARM9处理器，所述驱动电路包括L298N芯片。

2.根据权利要求1所述的连转冲刺伺服系统，其特征在于，所述连转冲刺伺服系统进一步包括电源供应单元，所述电源供应单元包括锂离子电池。

3.根据权利要求1所述的连转冲刺伺服系统，其特征在于，所述连转冲刺伺服系统进一步包括角速度测量陀螺仪和车速测量陀螺仪，所述角速度测量陀螺仪和车速测量陀螺仪分别与所述主控制电路电性连接。

4.根据权利要求1所述的连转冲刺伺服系统，其特征在于，所述连转冲刺伺服系统进一步包括光电补偿传感器、电压传感器和至少六个蔽障传感器，所述光电补偿传感器、所述电压传感器和每一个所述蔽障传感器分别与所述主控制电路电性连接。

5.根据权利要求4所述的连转冲刺伺服系统，其特征在于，所述蔽障传感器包括红外发射器和红外接收器，所述红外发射器的型号为OPE5594A，所述红外接收器的型号为TSL262。

6.根据权利要求5所述的连转冲刺伺服系统，其特征在于，两个所述红外发射器的信号发射方向与微电脑鼠的运动方向相同，两个所述红外发射器的信号发射方向相反且垂直于微电脑鼠的运动方向，两个所述红外发射器的信号发射方向关于微电脑鼠的运动方向对称且与微电脑鼠的运动方向成45°夹角，其它所述红外发射器的信号发射方向与微电脑鼠的运动方向的夹角为锐角。

7.一种四轮微电脑鼠，其特征在于，包括如权利要求1至6任一所述的连转冲刺伺服系统，所述四轮微电脑鼠进一步包括外壳（1）和四个车轮（2），所述连转冲刺伺服系统设置在所述外壳内部，所述外壳两侧分别设置两个车轮，每一个所述车轮与一个所述高速永磁直流电机连接。