范平平

摘要 為了更加穩(wěn)定高效的完成迷宮的行走，論文設(shè)計(jì)了以LM3S615為核心處理器的電腦鼠。硬件結(jié)構(gòu)采用空心杯直流電機(jī)，應(yīng)用PWM技術(shù)調(diào)速，利用其自帶的編碼器得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，并判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。紅外傳感器是完成行走的先決條件，借助72 89板調(diào)節(jié)電腦鼠紅外至適合的強(qiáng)度狀態(tài)，從而達(dá)到檢測(cè)迷宮一定范圍內(nèi)的障礙物。陀螺儀用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎中的小車的角度。論文先對(duì)615 -兒電腦鼠硬件的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜述，然后詳細(xì)闡述了各部分硬件的設(shè)計(jì)，并對(duì)電腦鼠幾種運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)提出了方案。試驗(yàn)結(jié)果表明車體運(yùn)行平穩(wěn)靈活，控制精度高，滿足應(yīng)用需求。

【關(guān)鍵詞】電腦鼠 紅外傳感器 空心杯直流電機(jī) 運(yùn)行狀態(tài)

1 引言

615-JL電腦鼠是由各種電子元器件組成，由核心微處理器控制的機(jī)電一體化智能機(jī)器人，它集感知、判斷、行走功能于一體，能夠自動(dòng)尋找迷宮最佳路徑到達(dá)目的地。電腦鼠的制作結(jié)合了機(jī)械、電子、控制、電機(jī)、程序設(shè)計(jì)、光學(xué)和人工智能等多方面知識(shí)。其靈活性和智能程度不但取決于軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)良，更取決于硬件的結(jié)構(gòu)和性能，越是智能的電腦鼠，其硬件結(jié)構(gòu)越完善。

2 電腦鼠的整體結(jié)構(gòu)

615-JL電腦鼠的硬件主要由核心微控制器，直流電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，紅外傳感器電路、陀螺儀、電源和接口等部分組成。結(jié)構(gòu)如圖l。其中，微控制器是電腦鼠整個(gè)硬件的核心部分，它可以控制各模塊協(xié)調(diào)工作，使電腦鼠在迷宮中根據(jù)路況快速穩(wěn)定的行進(jìn);紅外傳感器檢測(cè)迷宮的擋板狀況，為電腦鼠的行進(jìn)提供依據(jù)。編碼器通過相關(guān)電路反饋電機(jī)的狀態(tài)。電機(jī)模塊控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電。

3 電腦鼠各部分硬件

3.1 LM3S615處理器

選用Luminary Micro Stellaris～系列微控制器，是首款基于ARM～CortexTM-M3的控制器，它將高性能的32位計(jì)算引入的嵌入式微控制器應(yīng)用中。Stellaris系列的LM3S615微控制器擁有ARM微控制器所具有的眾多優(yōu)點(diǎn)，如擁有廣泛使用的開發(fā)工具，片上系統(tǒng)（ SoC）的底層結(jié)構(gòu)IP的應(yīng)用，以及眾多的用戶群體?？刂破鬟€采用了ARM可兼容Thumb@的Thumb-2指令集來降低內(nèi)存的需求量，進(jìn)而降低成本。

3.2 直流電機(jī)

直流電機(jī)選用FAULHABER1717SR空心杯直流電機(jī)，采用全橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式，輸入電壓7.4V，可以輸出1.96W的功率，最大轉(zhuǎn)速為14000rmps。MAX4427芯片增強(qiáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流，ZXMHC3AOIT8是H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。

3.2.1 PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)調(diào)速

改變電樞電壓是直流調(diào)速的主要方法。本電腦鼠采用PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)速方式，通過調(diào)節(jié)微處理器PWM觸發(fā)信號(hào)的占空比來改變外施的平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。選用單極性PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，通過改變PWM占空比調(diào)節(jié)電機(jī)的速度大小。

3.2.2 直流電機(jī)之速度反饋一一編碼器

在PI控制器中的速度反饋是通過編碼器來實(shí)現(xiàn)的，我們的直流電機(jī)自身帶有編碼器（IE2-1024），因而我們就能通過編碼器就能得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，同時(shí)也能判斷出電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

編碼器測(cè)速的實(shí)現(xiàn)：電機(jī)編碼器的分辨率是1024，1024表示電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一圈輸出的脈沖數(shù)是1024個(gè)，這樣我們只要在固定時(shí)間內(nèi)讀取電機(jī)的輸出脈沖數(shù)，再除以1024就能得到在這段時(shí)間內(nèi)電機(jī)旋轉(zhuǎn)了多少圈，再除以時(shí)間就可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/min）了。若要得到電腦鼠的行駛速度，可以根據(jù)電機(jī)與車輪間的齒輪比得到車輪的轉(zhuǎn)速，再測(cè)出車輪的直徑就能換算出電腦鼠的行駛速度了。那么我們要得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速就只需在固定時(shí)間內(nèi)讀出電機(jī)的輸出脈沖數(shù)就行了。

3.2.3 電機(jī)正反轉(zhuǎn)的判斷

由于在做閉環(huán)控制時(shí)我們需要知道電機(jī)的真實(shí)旋轉(zhuǎn)方向，因而需要判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。由于編碼器輸出的兩通道信號(hào)（A相、B相）存在這樣的特點(diǎn)A相和B相存在90度相位差，并且只有兩種情況，一種是A相超前B相90度，另一種是A相滯后B相90度，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)分別對(duì)應(yīng)上面的一種情況，因而我們只需要判斷A相和B相的相位關(guān)系就能知道電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

3.3 紅外傳感器

615-JL電腦鼠上共有6組紅外線傳感器，每組紅外線傳感器由紅外線發(fā)射和紅外線接收組成。借助紅外傳感器可以有效地檢測(cè)一定范圍內(nèi)的障礙物和控制轉(zhuǎn)彎。MicroMouse615-JL上的紅外接收頭是一體化紅外線接收頭，其型號(hào)為IRM8601S。該接收頭內(nèi)部集成自動(dòng)增益控制電路、帶通濾波電路、解碼電路及輸出驅(qū)動(dòng)電路。

六組紅外傳感器，分為前方（Ul、U2）、斜45度（U3、U4）、左右（U5、U6）三組，其位置如圖2。其中Ul、U2為一組，用來檢測(cè)前方擋板信息和行走斜45度;U3、U4為一組，用來修正電腦鼠姿態(tài);U5、U6為一組，用來檢測(cè)左右擋板信息和修正電腦鼠姿態(tài)。通過7289板上的按鍵分別調(diào)節(jié)這三組的紅外發(fā)射頻率從而調(diào)節(jié)紅外發(fā)射強(qiáng)度，即調(diào)節(jié)傳感器的檢測(cè)范圍。

3.3.1 兩側(cè)都存在擋板的修正原理

（1）正常運(yùn)行時(shí)，電腦鼠保持在迷宮格中間，左右45度均檢測(cè)不到擋板，此時(shí)電腦鼠處于最佳的姿勢(shì)，且不需要修正。

（2）當(dāng)電腦鼠向左偏移，左側(cè)45度紅外檢測(cè)到左側(cè)擋板，需要調(diào)整姿勢(shì)，使它回到中間位置。修正方法為：當(dāng)電腦鼠左側(cè)斜45度紅外檢測(cè)到擋板而右側(cè)斜45度紅外沒有檢測(cè)到擋板就表明電腦鼠此時(shí)出現(xiàn)了左偏，這時(shí)應(yīng)該調(diào)整電腦鼠左輪速度大于右輪速度使電腦鼠向右偏移回到中間位置。右偏調(diào)節(jié)方法類似。

3.3.2 當(dāng)電腦鼠只有一側(cè)存在擋板的修正原理

迷宮只有左側(cè)有擋板，當(dāng)電腦鼠靠近右側(cè)時(shí)，由于右邊沒有擋板，這時(shí)兩側(cè)斜45度紅外都檢測(cè)不到擋板信息，如果只看斜45度紅外，則這和電腦鼠在中間時(shí)現(xiàn)象是一樣的，因而無法檢測(cè)出此時(shí)電腦鼠已經(jīng)右偏了，所以就要使用正左方的U5傳感器，當(dāng)U5檢測(cè)到左方存在擋板，且距離擋板的距離太遠(yuǎn)時(shí)，說明此時(shí)電腦鼠右偏，電腦鼠就應(yīng)該向左靠，通過調(diào)整電腦鼠左輪速度小于右輪速度使電腦鼠向左偏移回到中間位置，以達(dá)到修正目的。

3.3.3 紅外調(diào)節(jié)助手7289板

強(qiáng)度適合的紅外傳感器是完成行走的先決條件。紅外傳感器調(diào)節(jié)的助手是7289REJDIS BOARD模塊，它是一個(gè)鍵盤控制以及數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)PACK板，控制芯片為ZLG7289B。7289小板8個(gè)數(shù)碼管從左到右分別編號(hào)1～8。1～6位數(shù)碼管分別用來指示Ul-U6六個(gè)傳感器的狀態(tài);第6，7，8位數(shù)碼管顯示當(dāng)前紅外的頻率。電腦鼠底板上的六個(gè)可調(diào)電阻可微調(diào)對(duì)應(yīng)紅外傳感器的發(fā)射強(qiáng)度。使用時(shí)需要通過調(diào)節(jié)紅外驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率和六個(gè)電位器來調(diào)整傳感器的探測(cè)距離，也就是調(diào)節(jié)電腦鼠的視覺距離。

3.4 MPU6050陀螺儀

陀螺儀用于調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)彎中的小車的角度，其中MPU6050集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)。MPU6050用內(nèi)部集成16位ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字信號(hào)。通過I2C接口進(jìn)行寄存器的設(shè)置和對(duì)數(shù)據(jù)的讀取。MPU6050內(nèi)部寄存器可通過400kHz的I2C接口來操作。本電腦鼠的陀螺儀I2C接口由通用I/O口模擬。

轉(zhuǎn)彎角度值的計(jì)算：MPU6050的陀螺儀輸出16位的數(shù)字信號(hào)，將其先轉(zhuǎn)換成電腦鼠運(yùn)動(dòng)過程中的角速度，角速度積分就能得到轉(zhuǎn)彎角度值了。

3.5 615-JL電腦鼠電源系統(tǒng)

615-JL電腦鼠電源系統(tǒng)由7.4V/350mAH可充電鋰電池提供系統(tǒng)輸入電源，包含7.4V、5V和3.3V三個(gè)電壓等級(jí)。

5V供電采用SPX1117-5轉(zhuǎn)換芯片獲得，為系統(tǒng)門電路、紅外傳感器等提供電源。3.3V供電采用SPX1117-33轉(zhuǎn)換芯片獲得，為系統(tǒng)CPU提供供電電源。電機(jī)額定電壓6V，采用MAX4427與ZXMHC3AOIT8實(shí)現(xiàn)對(duì)7.6V電源輸入的斬波，控制電機(jī)速度。

可充電鋰電池過放電導(dǎo)致電池?fù)p壞或減少其使用壽命，本系統(tǒng)采用LM311比較器對(duì)電池設(shè)定3.3v和電池分壓之后的電壓BATTLE比較，如果電池電壓過低LED燈亮，提醒使用者斷電保護(hù)。

4 電腦鼠幾種運(yùn)行狀態(tài)的具體實(shí)現(xiàn)

電腦鼠要在前進(jìn)的過程中不斷調(diào)整姿勢(shì)，以免碰到擋板。電腦鼠在迷宮中的理想姿勢(shì)是處于迷宮格的中央，且前進(jìn)方向平行于擋板，在這種狀態(tài)下電腦鼠才不容易碰觸擋板。

4.1 電腦鼠直行

設(shè)定直行速度（ xSpeed）為期望速度值，旋轉(zhuǎn)速度（wSpeed）為O，這樣就能控制電腦鼠直行了。

4.2 電腦鼠轉(zhuǎn)彎

4.2.1 原地轉(zhuǎn)彎

原地轉(zhuǎn)彎就是電腦鼠停在原地后一個(gè)輪胎正轉(zhuǎn)一個(gè)輪胎反轉(zhuǎn)就實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎了，這時(shí)候第一個(gè)PI閉環(huán)的直行速度（xSpeed）設(shè)定值為O，通過設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度（wSpeed）的正負(fù)和大小來使電腦鼠進(jìn)行往左旋轉(zhuǎn)和往右旋轉(zhuǎn)。

4.2.2 原地左轉(zhuǎn)

原地左轉(zhuǎn)就是電腦鼠停在原地后左輪往后轉(zhuǎn)、右輪往前轉(zhuǎn)，這時(shí)候第一個(gè)PI閉環(huán)的直行速度設(shè)定值為O，設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度的為正值大小為所需旋轉(zhuǎn)速度，這樣就能控制電腦鼠原地左轉(zhuǎn)了。

4.2.3 原地右轉(zhuǎn)

原地右轉(zhuǎn)就是電腦鼠停在原地后左輪往前轉(zhuǎn)、右輪往后轉(zhuǎn)，這時(shí)候第一個(gè)PI閉環(huán)的直行速度設(shè)定值為O，設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度的為負(fù)值大小為所需旋轉(zhuǎn)速度，就能控制電腦鼠原地右轉(zhuǎn)了。

4.2.4 原地左轉(zhuǎn)90度，右轉(zhuǎn)90度，后轉(zhuǎn)180度

根據(jù)以上對(duì)原地左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的分析可以知道，通過上面的設(shè)置就能是使電腦鼠在原地旋轉(zhuǎn)，我們?nèi)粝腚娔X鼠旋轉(zhuǎn)90度或180度可通過陀螺儀來控制電腦鼠旋轉(zhuǎn)到90度或180度就停下來，就實(shí)現(xiàn)了90度轉(zhuǎn)彎和180度后轉(zhuǎn)。

4.3 前進(jìn)中轉(zhuǎn)彎

前進(jìn)中轉(zhuǎn)彎，就是一個(gè)電機(jī)快轉(zhuǎn)，另一個(gè)慢轉(zhuǎn)，通過兩輪速度差來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)中轉(zhuǎn)彎。由于原地轉(zhuǎn)彎在轉(zhuǎn)彎前需先停止下來，因而前進(jìn)中轉(zhuǎn)彎相對(duì)于原地轉(zhuǎn)彎節(jié)約時(shí)間，效率高。

4.3.1 前進(jìn)中左轉(zhuǎn)彎

前進(jìn)中左轉(zhuǎn)彎就是電腦鼠左輪、右輪都往前轉(zhuǎn)，左輪速度小、右輪速度大，這時(shí)候第一個(gè)PI閉環(huán)的直行速度設(shè)定值為所需值，設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度的為正值、大小為所需旋轉(zhuǎn)速度，就能控制電腦鼠在前進(jìn)中左轉(zhuǎn)彎了。

4.3.2 前進(jìn)中右轉(zhuǎn)彎

前進(jìn)中右轉(zhuǎn)彎就是電腦鼠左輪、右輪都往前轉(zhuǎn)，左輪速度大、右輪速度小，這時(shí)候第一個(gè)PI閉環(huán)的直行速度設(shè)定值為所需值，設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度為正值、大小為所需旋轉(zhuǎn)速度，就能控制電腦鼠在前進(jìn)中左轉(zhuǎn)彎了。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了使電腦鼠在迷宮里運(yùn)行平穩(wěn)靈活，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高?；贚M3S615微控制器設(shè)計(jì)了一款自主搜索迷宮的電腦鼠。文中詳細(xì)闡述了核心控制器模塊、直流電機(jī)模塊、紅外傳感模塊、陀螺儀模塊及電源模塊。經(jīng)過測(cè)試，此款電腦鼠在電路的可靠性方面比以往的電腦鼠具有一定的優(yōu)越性。論文對(duì)電腦鼠幾種姿態(tài)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究并提出了實(shí)現(xiàn)方案，對(duì)于避障能力和路徑規(guī)劃能力具有重要參考價(jià)值。

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