基于ARMCortex—M3內(nèi)核的光機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計

【摘要】本項目主要針對以往在電腦鼠比賽中所發(fā)現(xiàn)的電腦鼠硬件及軟件存在的種種問題，采用高性能低功耗32位ARM處理器芯片STM32為核心，以新型的伺服直流電機、紅外探測模塊、無線模塊以及陀螺儀等為基礎(chǔ)，研制一款速度更快、穩(wěn)定性能好，更加準(zhǔn)確的電腦鼠。

【關(guān)鍵詞】電腦鼠；Cortex-M3；電機；紅外；陀螺儀；測速；上位機

1.概述

人類在科技的發(fā)展史上，一直在嘗試著想要創(chuàng)造出一個具有肢體、感官、腦力等綜合一體的智能機器人，而電腦鼠就是一個很能夠用來詮釋肢體、感官及腦力綜合工作的基本實例，這也是當(dāng)初電腦鼠被發(fā)明的理由，希望能夠借助電腦鼠的創(chuàng)作來進而研究與發(fā)明更加復(fù)雜的機械。21世紀(jì)是一個科技化、智能化的世界，對智能化進行更加深入的研究也是我們自動化專業(yè)將來發(fā)展的一個方向。

這一年來，通過對電腦鼠的不斷改進和研究，我們研發(fā)了一款新型的電腦鼠，該電腦鼠以ARM_CortexM3為核心，包括電源模塊、伺服電機模塊、紅外測距模塊、陀螺儀模塊以及藍(lán)牙通信模塊。以下針對研發(fā)步驟以及在研發(fā)過程中遇到的問題進行一些說明。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源模塊

電壓模塊我們采用了開關(guān)穩(wěn)壓電源以及線性穩(wěn)壓電源，在設(shè)計電源時，我們把每個模塊都分開來處理，開關(guān)穩(wěn)壓電源采用TPS5430芯片，主要給紅外發(fā)射模塊供電，線性穩(wěn)壓電源TPS77301以及TPS76033均輸出3.3V，分別給單片機、陀螺儀，電機及紅外驅(qū)動等供電。

開關(guān)穩(wěn)壓電源主要是給紅外發(fā)射管提供足夠大的電流，滿足其對發(fā)射功率的要求。同時，選擇了7.4V的可充電鋰電池，一方面，體積小、容量較大，另一方面，可以為電機直接提供電源，無需轉(zhuǎn)換。

2.2 伺服直流電機模塊

電機是電腦鼠的一個核心部分，以往的電機是采用步進電機，比較好控制，但不能提高速度，本系統(tǒng)選擇的電機為FAULHABER1524B-009SR直流伺服電機，該電機自帶編碼器與減速環(huán)，通過兩路編碼器輸出，我們可以很快測出電機的轉(zhuǎn)速以及電機轉(zhuǎn)動的方向。電機驅(qū)動芯片我們選取了DRV8833，通過兩路PWM控制一個電機以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。通過測試，電機的轉(zhuǎn)速可從0變化到3000r/min。

通過伺服直流電機的測速以及單片機的PWM控制，我們通過PID對電機的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)閉環(huán)控制，提高了準(zhǔn)確度。

2.3 紅外測距模塊

紅外測距主要使用了四對紅外收發(fā)管，以實現(xiàn)對前方、左右兩側(cè)的墻壁檢測，不僅可以判斷出是否有墻壁，同時還實現(xiàn)了對墻壁距離的檢測，紅外不僅僅是實現(xiàn)了從一個開關(guān)量到一個模擬數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)換。紅外發(fā)射管選擇為普通的紅外發(fā)射管，紅外接收管選擇的型號為TSL262R，它將距離轉(zhuǎn)換為電壓，通過對電壓的測量來得到電腦鼠當(dāng)前的位置信息。對于紅外數(shù)據(jù)的處理，主要使用了曲線擬合的方式，同時，通過PWM對發(fā)射功率進行控制，可以使四個紅外基本上一致，得到比較理想的結(jié)果。紅外發(fā)射管需要采用驅(qū)動芯片來滿足它對發(fā)射功率的要求，同時，采用了小電阻對其分壓。

2.4 陀螺儀模塊

陀螺儀的設(shè)計主要是為了讓電腦鼠在轉(zhuǎn)彎方面得到優(yōu)化，實現(xiàn)對角度的閉環(huán)控制，減少其在彎道上出錯的幾率。對陀螺儀主要是進行角加速度到角度的轉(zhuǎn)換，以往的電腦鼠上加上小羅盤來對方向進行控制，而電機中的磁場對羅盤的影響很大，使用陀螺儀很好的解決了這一問題，通過對角加速度進行積分可以轉(zhuǎn)換為角度，實現(xiàn)對速度的閉環(huán)控制，同時，電路簡單，易于縮小電腦鼠的體積。

2.5 無線通信模塊

在本系統(tǒng)中，無線通信模塊主要是為了對電腦鼠進行更方便的調(diào)試，在電腦鼠行進的過程中，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送回電腦通過對數(shù)據(jù)的處理實現(xiàn)對電腦鼠更加精確的控制，我們采用了編寫上位機的形式，將無線模塊采回來的位置進行處理，對迷宮的信息實現(xiàn)實時的記錄與控制。無線模塊使用的是藍(lán)牙BC04轉(zhuǎn)串口模塊。

3.系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的工作原理：通過微處理器的控制，由電機編碼器測速來獲取電機的當(dāng)前速度，通過速度閉環(huán)即可實現(xiàn)電腦鼠的直線行走，紅外測距避免電腦鼠與墻壁發(fā)生碰撞，通過判斷有無墻壁來控制電腦鼠轉(zhuǎn)彎，陀螺儀輔助電腦鼠直線行走與轉(zhuǎn)彎，確保電腦鼠轉(zhuǎn)到正確的角度，在正確的方向上行駛，無線通信模塊主要通過收發(fā)數(shù)據(jù)來實現(xiàn)對電腦鼠的準(zhǔn)確控制。

4.特色與創(chuàng)新

本系統(tǒng)相比以前的電腦鼠而言，有很多優(yōu)化的地方，這也使得這款電腦鼠在性能上更加先進。

首先，伺服直流電機在電腦鼠上面的使用。以往的電腦鼠為了能夠?qū)崿F(xiàn)更好的控制，往往使用步進電機來控制，雖然步進電機在控制上取得了優(yōu)勢，然而速度卻提不上來，尤其是在電腦鼠轉(zhuǎn)彎上面，浪費了大量的時間。我們研究的新型電腦鼠以直流電機為基礎(chǔ)，大大提高了電腦鼠的速度，同時，也減小了電腦鼠的體積，使其更加靈活。

其次，紅外模塊在布局上更加優(yōu)化，使其測試范圍更廣，抗干擾能力也得到了增強。而且新型的紅外接收頭可以將接收到的紅外光線的強弱轉(zhuǎn)化為電壓的大小，從而實現(xiàn)紅外測距的功能。

最后，陀螺儀模塊也是這款電腦鼠的特色，以往用步進電機控制的電腦鼠在轉(zhuǎn)彎時不能檢測轉(zhuǎn)彎角度是否準(zhǔn)確，是一種開環(huán)控制，出錯概率較大。而陀螺儀可以在轉(zhuǎn)彎時校正旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)閉環(huán)控制，使控制更加精確、轉(zhuǎn)彎速度大幅提升，出錯概率大大減小。

5.結(jié)語

自從電腦鼠被發(fā)明以來，它就受到了人們的青睞，它是使用嵌入式微控制器、傳感器和機電運動部件構(gòu)成的一種智能行走裝置，電腦鼠可以在不同“迷宮”中自動記憶和選擇路徑，采用相應(yīng)的算法，快速地達(dá)到所設(shè)定的目的地。現(xiàn)在國際上每年都有電腦鼠走迷宮的專業(yè)比賽，現(xiàn)在這項比賽也成為了各高校的熱門科技項目，各高校都對新型電腦鼠進行了一定的研究。它對于機器人、智能車的研究也有很大的幫助，隨著技術(shù)的發(fā)展，電腦鼠也將得到長足的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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