615-JL電腦鼠的硬件設計及幾種運行狀態的實現

范平平

摘要 為了更加穩定高效的完成迷宮的行走，論文設計了以LM3S615為核心處理器的電腦鼠。硬件結構采用空心杯直流電機，應用PWM技術調速，利用其自帶的編碼器得到電機的實際轉速，并判斷電機的正反轉。紅外傳感器是完成行走的先決條件，借助72 89板調節電腦鼠紅外至適合的強度狀態，從而達到檢測迷宮一定范圍內的障礙物。陀螺儀用于調節轉彎中的小車的角度。論文先對615 -兒電腦鼠硬件的整體結構進行綜述，然后詳細闡述了各部分硬件的設計，并對電腦鼠幾種運行狀態的實現提出了方案。試驗結果表明車體運行平穩靈活，控制精度高，滿足應用需求。

【關鍵詞】電腦鼠 紅外傳感器 空心杯直流電機 運行狀態

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電一體化智能機器人，它集感知、判斷、行走功能于一體，能夠自動尋找迷宮最佳路徑到達目的地。電腦鼠的制作結合了機械、電子、控制、電機、程序設計、光學和人工智能等多方面知識。其靈活性和智能程度不但取決于軟件設計的優良，更取決于硬件的結構和性能，越是智能的電腦鼠，其硬件結構越完善。

2 電腦鼠的整體結構

615-JL電腦鼠的硬件主要由核心微控制器，直流電機及電機驅動電路，紅外傳感器電路、陀螺儀、電源和接口等部分組成。結構如圖l。其中，微控制器是電腦鼠整個硬件的核心部分，它可以控制各模塊協調工作，使電腦鼠在迷宮中根據路況快速穩定的行進;紅外傳感器檢測迷宮的擋板狀況，為電腦鼠的行進提供依據。編碼器通過相關電路反饋電機的狀態。電機模塊控制直流電機的轉動速度和方向，電源模塊為整個系統供電。

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位計算引入的嵌入式微控制器應用中。Stellaris系列的LM3S615微控制器擁有ARM微控制器所具有的眾多優點，如擁有廣泛使用的開發工具，片上系統（ SoC）的底層結構IP的應用，以及眾多的用戶群體。控制器還采用了ARM可兼容Thumb@的Thumb-2指令集來降低內存的需求量，進而降低成本。

3.2 直流電機

直流電機選用FAULHABER1717SR空心杯直流電機，采用全橋結構驅動方式，輸入電壓7.4V，可以輸出1.96W的功率，最大轉速為14000rmps。MAX4427芯片增強電機驅動電流，ZXMHC3AOIT8是H橋電機驅動芯片，實現電機正反轉控制。

3.2.1 PWM（脈寬調制）技術調速

改變電樞電壓是直流調速的主要方法。本電腦鼠采用PWM（脈寬調制）調速方式，通過調節微處理器PWM觸發信號的占空比來改變外施的平均電壓，從而實現直流電機的調速。選用單極性PWM信號驅動直流電機，通過改變PWM占空比調節電機的速度大小。

3.2.2 直流電機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現的，我們的直流電機自身帶有編碼器（IE2-1024），因而我們就能通過編碼器就能得到電機的實際轉速，同時也能判斷出電機是正轉還是反轉。

編碼器測速的實現：電機編碼器的分辨率是1024，1024表示電機每旋轉一圈輸出的脈沖數是1024個，這樣我們只要在固定時間內讀取電機的輸出脈沖數，再除以1024就能得到在這段時間內電機旋轉了多少圈，再除以時間就可以得到電機的轉速（轉/min）了。若要得到電腦鼠的行駛速度，可以根據電機與車輪間的齒輪比得到車輪的轉速，再測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的轉速就只需在固定時間內讀出電機的輸出脈沖數就行了。

3.2.3 電機正反轉的判斷

由于在做閉環控制時我們需要知道電機的真實旋轉方向，因而需要判斷電機的正反轉。由于編碼器輸出的兩通道信號（A相、B相）存在這樣的特點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，電機的正反轉分別對應上面的一種情況，因而我們只需要判斷A相和B相的相位關系就能知道電機是正轉還是反轉。

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射和紅外線接收組成。借助紅外傳感器可以有效地檢測一定范圍內的障礙物和控制轉彎。MicroMouse615-JL上的紅外接收頭是一體化紅外線接收頭，其型號為IRM8601S。該接收頭內部集成自動增益控制電路、帶通濾波電路、解碼電路及輸出驅動電路。

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;U5、U6為一組，用來檢測左右擋板信息和修正電腦鼠姿態。通過7289板上的按鍵分別調節這三組的紅外發射頻率從而調節紅外發射強度，即調節傳感器的檢測范圍。

3.3.1 兩側都存在擋板的修正原理

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

（2）當電腦鼠向左偏移，左側45度紅外檢測到左側擋板，需要調整姿勢，使它回到中間位置。修正方法為：當電腦鼠左側斜45度紅外檢測到擋板而右側斜45度紅外沒有檢測到擋板就表明電腦鼠此時出現了左偏，這時應該調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。右偏調節方法類似。

3.3.2 當電腦鼠只有一側存在擋板的修正原理

迷宮只有左側有擋板，當電腦鼠靠近右側時，由于右邊沒有擋板，這時兩側斜45度紅外都檢測不到擋板信息，如果只看斜45度紅外，則這和電腦鼠在中間時現象是一樣的，因而無法檢測出此時電腦鼠已經右偏了，所以就要使用正左方的U5傳感器，當U5檢測到左方存在擋板，且距離擋板的距離太遠時，說明此時電腦鼠右偏，電腦鼠就應該向左靠，通過調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，以達到修正目的。

3.3.3 紅外調節助手7289板

強度適合的紅外傳感器是完成行走的先決條件。紅外傳感器調節的助手是7289REJDIS BOARD模塊，它是一個鍵盤控制以及數碼管驅動PACK板，控制芯片為ZLG7289B。7289小板8個數碼管從左到右分別編號1～8。1～6位數碼管分別用來指示Ul-U6六個傳感器的狀態;第6，7，8位數碼管顯示當前紅外的頻率。電腦鼠底板上的六個可調電阻可微調對應紅外傳感器的發射強度。使用時需要通過調節紅外驅動信號頻率和六個電位器來調整傳感器的探測距離，也就是調節電腦鼠的視覺距離。

3.4 MPU6050陀螺儀

陀螺儀用于調節轉彎中的小車的角度，其中MPU6050集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計。MPU6050用內部集成16位ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字信號。通過I2C接口進行寄存器的設置和對數據的讀取。MPU6050內部寄存器可通過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。

轉彎角度值的計算：MPU6050的陀螺儀輸出16位的數字信號，將其先轉換成電腦鼠運動過程中的角速度，角速度積分就能得到轉彎角度值了。

3.5 615-JL電腦鼠電源系統

615-JL電腦鼠電源系統由7.4V/350mAH可充電鋰電池提供系統輸入電源，包含7.4V、5V和3.3V三個電壓等級。

5V供電采用SPX1117-5轉換芯片獲得，為系統門電路、紅外傳感器等提供電源。3.3V供電采用SPX1117-33轉換芯片獲得，為系統CPU提供供電電源。電機額定電壓6V，采用MAX4427與ZXMHC3AOIT8實現對7.6V電源輸入的斬波，控制電機速度。

可充電鋰電池過放電導致電池損壞或減少其使用壽命，本系統采用LM311比較器對電池設定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。

4 電腦鼠幾種運行狀態的具體實現

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

4.1 電腦鼠直行

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

4.2 電腦鼠轉彎

4.2.1 原地轉彎

原地轉彎就是電腦鼠停在原地后一個輪胎正轉一個輪胎反轉就實現原地轉彎了，這時候第一個PI閉環的直行速度（xSpeed）設定值為O，通過設定旋轉速度（wSpeed）的正負和大小來使電腦鼠進行往左旋轉和往右旋轉。

4.2.2 原地左轉

原地左轉就是電腦鼠停在原地后左輪往后轉、右輪往前轉，這時候第一個PI閉環的直行速度設定值為O，設定旋轉速度的為正值大小為所需旋轉速度，這樣就能控制電腦鼠原地左轉了。

4.2.3 原地右轉

原地右轉就是電腦鼠停在原地后左輪往前轉、右輪往后轉，這時候第一個PI閉環的直行速度設定值為O，設定旋轉速度的為負值大小為所需旋轉速度，就能控制電腦鼠原地右轉了。

4.2.4 原地左轉90度，右轉90度，后轉180度

根據以上對原地左轉、右轉的分析可以知道，通過上面的設置就能是使電腦鼠在原地旋轉，我們若想電腦鼠旋轉90度或180度可通過陀螺儀來控制電腦鼠旋轉到90度或180度就停下來，就實現了90度轉彎和180度后轉。

4.3 前進中轉彎

前進中轉彎，就是一個電機快轉，另一個慢轉，通過兩輪速度差來實現前進中轉彎。由于原地轉彎在轉彎前需先停止下來，因而前進中轉彎相對于原地轉彎節約時間，效率高。

4.3.1 前進中左轉彎

前進中左轉彎就是電腦鼠左輪、右輪都往前轉，左輪速度小、右輪速度大，這時候第一個PI閉環的直行速度設定值為所需值，設定旋轉速度的為正值、大小為所需旋轉速度，就能控制電腦鼠在前進中左轉彎了。

4.3.2 前進中右轉彎

前進中右轉彎就是電腦鼠左輪、右輪都往前轉，左輪速度大、右輪速度小，這時候第一個PI閉環的直行速度設定值為所需值，設定旋轉速度為正值、大小為所需旋轉速度，就能控制電腦鼠在前進中左轉彎了。

5 結束語

為了使電腦鼠在迷宮里運行平穩靈活，控制系統實時性強、精度高。基于LM3S615微控制器設計了一款自主搜索迷宮的電腦鼠。文中詳細闡述了核心控制器模塊、直流電機模塊、紅外傳感模塊、陀螺儀模塊及電源模塊。經過測試，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越性。論文對電腦鼠幾種姿態的實現進行了研究并提出了實現方案，對于避障能力和路徑規劃能力具有重要參考價值。

參考文獻

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