基于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電腦鼠設(shè)計(jì)

詹　杰，劉學(xué)兵,張　浩

(湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

?

基于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電腦鼠設(shè)計(jì)

詹杰，劉學(xué)兵,張浩

(湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

摘要：電腦鼠是一種由微處理器控制的，集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的微型機(jī)器人.傳統(tǒng)的電腦鼠采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，易于控制但轉(zhuǎn)速較慢.提出了一種基于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電腦鼠設(shè)計(jì)方案，該電腦鼠具有成本低、可靠性高等特點(diǎn).仿真測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能成功地完成迷宮競(jìng)賽所有任務(wù).

關(guān)鍵詞：電腦鼠;驅(qū)動(dòng);直流電動(dòng)機(jī)

電腦鼠由微控制器、傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成，集感知、判斷、行走等功能于一體，能夠在迷宮中自動(dòng)尋找最佳路徑的微型機(jī)器人，國(guó)際電工和電子工程學(xué)會(huì)每年舉辦一次國(guó)際性的賽事[1-3].該項(xiàng)賽事對(duì)于提升團(tuán)隊(duì)的動(dòng)手能力、協(xié)作能力、創(chuàng)新能力非常有益.中國(guó)已成功地舉辦了4屆電腦鼠走迷宮競(jìng)賽，參與比賽的高校和學(xué)生人數(shù)逐屆增多，影響越來(lái)越大.

根據(jù)IEEE電腦鼠競(jìng)賽規(guī)則，電腦鼠的傳感器、控制器、電機(jī)等硬件選型上沒(méi)有任何限制，只要求電腦鼠外形尺寸不得超過(guò)競(jìng)賽迷宮的單個(gè)單元空間，因而現(xiàn)有電腦鼠種類(lèi)較多，其最大區(qū)別體現(xiàn)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案.[6-7]以周立功公司研發(fā)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電腦鼠是國(guó)內(nèi)參與競(jìng)賽的首選，控制精度高，但存在力矩小、轉(zhuǎn)速慢等缺點(diǎn).筆者采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，成功地完成了其硬件與軟件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)測(cè)試達(dá)到了預(yù)期目標(biāo).該電腦鼠具有轉(zhuǎn)速高、調(diào)速方便、負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn).

1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1　電腦鼠硬件結(jié)構(gòu)

該電腦鼠硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)由電機(jī)、紅外線(xiàn)傳感器、陀螺儀、無(wú)線(xiàn)通信及按鍵、LED、電源等部分構(gòu)成.無(wú)線(xiàn)通信部分主要用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)供調(diào)試時(shí)使用；按鍵和LED燈完成控制和狀態(tài)顯示作用；電源采用鋰電池，分別為電機(jī)、傳感器和微控制器等供電.電腦鼠在運(yùn)行過(guò)程中，直流電機(jī)啟動(dòng)頻繁，將會(huì)產(chǎn)生高頻諧波.為保證系統(tǒng)工作電壓穩(wěn)定，連續(xù)降壓2次得到3.3 V直流電壓.為消去高頻干擾，降低紋波，提高系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性，電路設(shè)置CP1和PC1等高頻電容.系統(tǒng)直流電源設(shè)計(jì)如圖2所示.

圖2　直流電源電路

1.1 行走電路

該電腦鼠的行走電路采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，電機(jī)型號(hào)為Faulhaber-2224.電機(jī)自帶1個(gè)16線(xiàn)雙相編碼器，5 V直流電源供電，具有A與B這2個(gè)輸出通道.驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速比為5∶1，即輪子轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，每個(gè)編碼器通道可獲得80個(gè)脈沖信號(hào)，具有控制精度較高等特點(diǎn).電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路如圖3所示.

圖3　電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

圖3中L293DD為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片.在芯片輸入信號(hào)中，IN1和IN2為電機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號(hào)，使能端EN1接入一路PWM信號(hào)，通過(guò)改變IN1、IN2電平和PWM占空比即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向.由于L293DD無(wú)內(nèi)置保護(hù)二極管，在驅(qū)動(dòng)電路的每個(gè)輸出端均設(shè)置了2個(gè)1N4148二極管，以釋放電機(jī)停止瞬間產(chǎn)生的反向電流，起到保護(hù)電路的作用.

1.2 紅外線(xiàn)傳感電路

電腦鼠在迷宮中行走時(shí)需要檢測(cè)周邊墻壁信息.系統(tǒng)的紅外線(xiàn)傳感器探測(cè)墻壁信息，由紅外線(xiàn)發(fā)射管發(fā)射信號(hào)，根據(jù)接收管接收信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)獲得墻壁信息和距墻壁距離.紅外線(xiàn)傳感器電路如圖4所示.

圖4　紅外線(xiàn)傳感器電路

圖5　硬件布局

為保證電腦鼠在單元格間距為18.5 cm的迷宮中順利行進(jìn)，設(shè)計(jì)采用功率為0.3 W、發(fā)射角為20°的大功率紅外線(xiàn)發(fā)射二極管.為防止分布集中的傳感器相互之間干擾，引入了反向驅(qū)動(dòng)器MC1413，其分時(shí)信

號(hào)分別對(duì)每個(gè)發(fā)射管進(jìn)行單獨(dú)控制.在信號(hào)接收上，采用和發(fā)射管波長(zhǎng)相同的紅外線(xiàn)接收二極管，串接電阻，并將此電阻兩端電壓輸入至控制器AD端，從而將迷宮墻壁信息轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào).

1.3 系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)

電腦鼠設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)電路布局提出了較高要求.由于探測(cè)范圍較寬(5~15 cm)，單個(gè)紅外線(xiàn)傳感無(wú)法滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)范圍，因此設(shè)計(jì)中引入了6個(gè)紅外線(xiàn)傳感器，分別探測(cè)電腦鼠左前、右前、左斜、右斜、正左和正右等6個(gè)方位信息(圖5).

2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則，電腦鼠必須完成3個(gè)階段性任務(wù)，即迷宮搜尋、最優(yōu)路徑計(jì)算和最后沖刺.[8-10]電腦鼠從起點(diǎn)至終點(diǎn)，再?gòu)慕K點(diǎn)回到起點(diǎn)對(duì)迷宮進(jìn)行2次搜尋，找到最優(yōu)路徑.程序控制對(duì)象為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，電腦鼠分別采集紅外線(xiàn)傳感器和編碼器數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)前電腦鼠運(yùn)行運(yùn)行狀態(tài)，并在軟件算法指令下修正狀態(tài).程序具體執(zhí)行過(guò)程如圖6所示.

圖6　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

3系統(tǒng)調(diào)試

電腦鼠的系統(tǒng)調(diào)試工作分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試.硬件調(diào)試主要包括紅外線(xiàn)傳感器控制、電腦鼠行走控制，軟件調(diào)試主要是迷宮搜索和最優(yōu)路徑規(guī)劃.

3.1 紅外線(xiàn)檢測(cè)調(diào)試

圖7　紅外線(xiàn)接收二極管信號(hào)幅值響應(yīng)曲線(xiàn)

紅外線(xiàn)接收二極管信號(hào)幅值響應(yīng)曲線(xiàn)如圖7所示.二極管對(duì)高頻信號(hào)有一定的響應(yīng)延遲，控制器發(fā)出紅外線(xiàn)發(fā)射信號(hào)，約0.5 ms后接收端開(kāi)始出現(xiàn)變化，并經(jīng)過(guò)2 ms后信號(hào)達(dá)到峰值，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài).這表明單個(gè)紅外線(xiàn)傳感器完成1次數(shù)據(jù)采集至少需要2 ms時(shí)間.在實(shí)際傳感器測(cè)試中，還需考慮AD采樣保持時(shí)間.為提高控制器效率，本設(shè)計(jì)利用定時(shí)器提供定時(shí)信號(hào)并完成數(shù)據(jù)采集任務(wù).

紅外線(xiàn)傳感器采樣規(guī)則如圖8所示.定時(shí)器中斷6次為1個(gè)采樣周期，每次中斷采樣1個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，關(guān)閉對(duì)應(yīng)的發(fā)射管，同時(shí)開(kāi)啟下一個(gè)將要檢測(cè)的發(fā)射管.紅外線(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)采樣處理后，運(yùn)用閾值判斷方法獲得當(dāng)前電腦鼠坐標(biāo)點(diǎn)的四周墻壁信息及距墻壁間的距離信息.前者用來(lái)標(biāo)記迷宮信息，后者用來(lái)校正電腦鼠的姿態(tài).

圖8　紅外線(xiàn)傳感器采樣規(guī)則

3.2 行走控制調(diào)試

圖9　內(nèi)環(huán)速度控制的PID算法

調(diào)試過(guò)程由2個(gè)控制環(huán)組成：內(nèi)環(huán)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度，保持目標(biāo)速度與給定速度一致；外環(huán)計(jì)算給定的速度.內(nèi)環(huán)速度控制采用PID算法，如圖9所示.紅外線(xiàn)傳感器采樣規(guī)則在每個(gè)控制周期內(nèi)測(cè)量輪子速度，并與給定速度作比較，然后根據(jù)PID公式計(jì)算新的電機(jī)參數(shù)，直至電機(jī)運(yùn)行速度和給定速度相等.

圖10　外環(huán)速度給定控制流程

外環(huán)速度給定控流程如圖10所示.新的迷宮區(qū)域判斷取決于2個(gè)條件：電腦鼠當(dāng)前坐標(biāo)狀態(tài)信息(有無(wú)墻壁)和行進(jìn)距離超過(guò)1個(gè)迷宮單元格距離.當(dāng)行進(jìn)到新的迷宮區(qū)域時(shí)，給上層迷宮算法一個(gè)反饋，然后根據(jù)迷宮算法，決定電腦鼠下一步動(dòng)作(前進(jìn)或轉(zhuǎn)彎)，并給出2輪的預(yù)定速度，直到到達(dá)下一個(gè)坐標(biāo)區(qū)域.電腦鼠如未到達(dá)新區(qū)域則按照之前運(yùn)行狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行.若電腦鼠處于執(zhí)行狀態(tài)且兩側(cè)有墻，則校準(zhǔn)姿態(tài)，以消除行進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的直線(xiàn)誤差.

圖11　單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)示意

單個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)示意如圖11所示.為實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，單個(gè)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需要3個(gè)控制信號(hào)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293DD的EN1端輸入一路PWM信號(hào)，IN1和IN2端輸入高低電平.

由于EN1控制著OUT1和OUT2的輸出使能，當(dāng)PWM信號(hào)占空比發(fā)生變化時(shí)，輸出響應(yīng)亦發(fā)生改變.當(dāng)占空比高時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速快，反之則慢.同時(shí)，IN1和IN2電平控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)兩者電平相反且IN1為高電平時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，IN1為低電平時(shí)反轉(zhuǎn).反之，當(dāng)兩者電平相同時(shí)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng).

根據(jù)電腦鼠硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其輪胎直徑設(shè)定3 cm，電機(jī)與輪子的轉(zhuǎn)速比為5∶1，編碼器規(guī)格為16線(xiàn)，由此可以得出編碼器單位數(shù)據(jù)脈沖對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離為0.12 cm.此外，由于標(biāo)準(zhǔn)迷宮單元格之間距離為18.5 cm，所以電腦鼠在迷宮中直行時(shí)，當(dāng)編碼器累計(jì)達(dá)到154個(gè)脈沖計(jì)數(shù)，則其移動(dòng)了1個(gè)單元格.

由于電腦鼠兩輪機(jī)械結(jié)構(gòu)存在差異，直行過(guò)程中左右輪會(huì)產(chǎn)生一定偏差，在速度較快情況下還可能出現(xiàn)輪子打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致編碼器計(jì)數(shù)誤差的產(chǎn)生.為此，設(shè)計(jì)借助陀螺儀進(jìn)行了數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，行走誤差修正流程如圖12所示.

圖12　行走誤差修正流程

由于實(shí)測(cè)和理論數(shù)據(jù)存在一定誤差，必須對(duì)模型進(jìn)行修正.表1，2分別給出了實(shí)際測(cè)量單位編碼器脈沖行進(jìn)距離誤差和電腦鼠原地轉(zhuǎn)90°彎編碼器的計(jì)數(shù)值.由此可見(jiàn)，實(shí)際計(jì)算時(shí)需把測(cè)量數(shù)據(jù)擬合到理論計(jì)算公式中，從而可以降低誤差.

表1　單位編碼器脈沖行進(jìn)距離誤差

表2　原地轉(zhuǎn)90°彎編碼器計(jì)數(shù)值

3.3 迷宮最佳路徑優(yōu)化策略

競(jìng)賽迷宮由16×16的小方格組成，為此建立一個(gè)8位16×16的二維數(shù)組，分別表示每個(gè)坐標(biāo)信息，用低4位記錄該坐標(biāo)四面墻壁信息，高4位記錄離開(kāi)該坐標(biāo)的動(dòng)作(直行或轉(zhuǎn)彎)和有無(wú)搜索該區(qū)域信息等.迷宮坐標(biāo)和方位示意如圖13所示，數(shù)據(jù)表示方法及含義見(jiàn)表3.

北西(0,0) (0,1)…(0,15)(1,0) (1,1)……? ???(15,0) … …(15,15)東南

圖13　迷宮坐標(biāo)和方位示意

搜索原則指出了電腦鼠在迷宮中行進(jìn)方向的優(yōu)先選擇原則，常見(jiàn)有左(右)手法則和向心法則.左(右)手法則要求電腦鼠在迷宮中遇到前進(jìn)方向選擇時(shí)，優(yōu)先選擇左(右)邊方向搜索，直到左(右)邊方向進(jìn)入死胡同，才選擇中間方向或相反方向.向心法則以左(右)手法則為基礎(chǔ)，其優(yōu)先方向并不固定，而是以當(dāng)前電腦鼠坐標(biāo)為基準(zhǔn)，選擇距迷宮中心坐標(biāo)(迷宮終點(diǎn))最近的方向，當(dāng)左中右方向均等同時(shí)，再按照左中右順序選擇，具體流程如圖14所示.在競(jìng)賽迷宮中，到達(dá)終點(diǎn)路徑可能不止1條，由于搜索法則具有一定概率性，實(shí)際搜索的迷宮路徑可能不是最優(yōu)的，因此采用堆棧方法盡可能地搜索出所有迷宮路徑.多路徑搜索原則流程如圖15所示.

圖14　搜索算法流程

圖15　多路徑搜索原則流程

4結(jié)語(yǔ)

依據(jù)IEEE電腦鼠競(jìng)賽規(guī)則，基于電腦鼠的靈活性和穩(wěn)定性的考量，為克服傳統(tǒng)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)電腦鼠轉(zhuǎn)速慢和力矩小等缺陷，筆者提出了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電腦鼠設(shè)計(jì)方案.在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，完成了系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，提出了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電腦鼠的控制算法，實(shí)現(xiàn)了迷宮搜索和最優(yōu)路徑規(guī)劃.與異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)電腦鼠方案相比，筆者設(shè)計(jì)的電腦鼠在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的尺寸和性能上優(yōu)勢(shì)明顯.

參考文獻(xiàn)：

[1] IEEE國(guó)際電工和電子工程學(xué)會(huì).IEEE 電腦鼠(迷宮)競(jìng)賽規(guī)則和介紹[EB/OL].[2014-10-25].http://www.embedream.com/xgzl/2007￣08￣28/24.html.

[2] IEEE UCSD.Micromouse Rules R6[EB/OL].[2014-10-25].http://ieee.ucsd.edu/projects/micromouse/rules.php.

[3] 周立功.IEEE電腦鼠開(kāi)發(fā)指南[M].廣州：廣州致遠(yuǎn)電子有限公司，2008.

[4] 王磊.基于IEEE電腦鼠走迷宮算法分析與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

[5] 林國(guó)恩.電腦鼠的設(shè)計(jì)與實(shí)作[D].臺(tái)灣：龍華科技大學(xué),2010.

[6] 萬(wàn)玉瓊,梁俊有.基于嵌入式微處理器的走迷宮機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].洛陽(yáng)理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2010(4):36-39.

[7] 付秀偉,張驊.基于A(yíng)RM-M3的電腦鼠硬件設(shè)計(jì)[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào),2012，29(1):47-49.

[9] 陳鋒.環(huán)境搜索與路徑規(guī)劃算法的研究[D].吉林：吉林大學(xué),2012.

[8] 李亞洲,嚴(yán)石.電腦鼠軟件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011(5):72-73.

[10] 張新誼.一種電腦鼠走迷宮的算法[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2007(5):84-85.

(責(zé)任編輯陳炳權(quán))

Design of DC Drive Micromouse Based on STM32F103

ZHAN Jie,LIU Xuebing,ZHANG Hao

(College of Physics and Electronic Science,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,Hunan China)

Abstract：Micro￣mouse is a microprocessor controlled micro robot that integrates the multiple functions of environment perception,dynamic decision￣making and planning,behavior control and implementation.The traditional design of micro￣mouse uses a stepping motor which is easy to control but has low rotate speed.The paper introduces the design of DC￣drive micro￣mouse with low cost and high reliability which fully considers the requirements of competition.Simulation tests shows that this system can complete the task of maze contest successfully.

Key words：micromouse;drive;DC motor

作者簡(jiǎn)介：詹杰(1973—)，男，湖南常德人，湖南科技大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院副教授，博士，主要從事傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信、嵌入式系統(tǒng)等研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61377024)

收稿日期：2014-11-25

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1007-2985.2015.02.010

文章編號(hào)：1007-2985(2015)02-0039-06