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

【摘要】本項(xiàng)目主要針對(duì)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(jī)、紅外探測(cè)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(jī)；紅外；陀螺儀；測(cè)速；上位機(jī)

1.概述

人類在科技的發(fā)展史上，一直在嘗試著想要?jiǎng)?chuàng)造出一個(gè)具有肢體、感官、腦力等綜合一體的智能機(jī)器人，而電腦鼠就是一個(gè)很能夠用來詮釋肢體、感官及腦力綜合工作的基本實(shí)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(jìn)而研究與發(fā)明更加復(fù)雜的機(jī)械。21世紀(jì)是一個(gè)科技化、智能化的世界，對(duì)智能化進(jìn)行更加深入的研究也是我們自動(dòng)化專業(yè)將來發(fā)展的一個(gè)方向。

這一年來，通過對(duì)電腦鼠的不斷改進(jìn)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(jī)模塊、紅外測(cè)距模塊、陀螺儀模塊以及藍(lán)牙通信模塊。以下針對(duì)研發(fā)步驟以及在研發(fā)過程中遇到的問題進(jìn)行一些說明。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jì)電源時(shí)，我們把每個(gè)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(jī)、陀螺儀，電機(jī)及紅外驅(qū)動(dòng)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(duì)發(fā)射功率的要求。同時(shí)，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(jī)直接提供電源，無需轉(zhuǎn)換。

2.2 伺服直流電機(jī)模塊

電機(jī)是電腦鼠的一個(gè)核心部分，以往的電機(jī)是采用步進(jìn)電機(jī)，比較好控制，但不能提高速度，本系統(tǒng)選擇的電機(jī)為FAULHABER1524B-009SR直流伺服電機(jī)，該電機(jī)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(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片我們選取了DRV8833，通過兩路PWM控制一個(gè)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。通過測(cè)試，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可從0變化到3000r/min。

通過伺服直流電機(jī)的測(cè)速以及單片機(jī)的PWM控制，我們通過PID對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提高了準(zhǔn)確度。

2.3 紅外測(cè)距模塊

紅外測(cè)距主要使用了四對(duì)紅外收發(fā)管，以實(shí)現(xiàn)對(duì)前方、左右兩側(cè)的墻壁檢測(cè)，不僅可以判斷出是否有墻壁，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)墻壁距離的檢測(cè)，紅外不僅僅是實(shí)現(xiàn)了從一個(gè)開關(guān)量到一個(gè)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(hào)為TSL262R，它將距離轉(zhuǎn)換為電壓，通過對(duì)電壓的測(cè)量來得到電腦鼠當(dāng)前的位置信息。對(duì)于紅外數(shù)據(jù)的處理，主要使用了曲線擬合的方式，同時(shí)，通過PWM對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行控制，可以使四個(gè)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(dòng)芯片來滿足它對(duì)發(fā)射功率的要求，同時(shí)，采用了小電阻對(duì)其分壓。

2.4 陀螺儀模塊

陀螺儀的設(shè)計(jì)主要是為了讓電腦鼠在轉(zhuǎn)彎方面得到優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)角度的閉環(huán)控制，減少其在彎道上出錯(cuò)的幾率。對(duì)陀螺儀主要是進(jìn)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(duì)方向進(jìn)行控制，而電機(jī)中的磁場(chǎng)對(duì)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(duì)角加速度進(jìn)行積分可以轉(zhuǎn)換為角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的閉環(huán)控制，同時(shí)，電路簡(jiǎn)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(duì)電腦鼠進(jìn)行更方便的調(diào)試，在電腦鼠行進(jìn)的過程中，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送回電腦通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理實(shí)現(xiàn)對(duì)電腦鼠更加精確的控制，我們采用了編寫上位機(jī)的形式，將無線模塊采回來的位置進(jìn)行處理，對(duì)迷宮的信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(jì)

系統(tǒng)的工作原理：通過微處理器的控制，由電機(jī)編碼器測(cè)速來獲取電機(jī)的當(dāng)前速度，通過速度閉環(huán)即可實(shí)現(xiàn)電腦鼠的直線行走，紅外測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jìn)。

首先，伺服直流電機(jī)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(jìn)電機(jī)來控制，雖然步進(jìn)電機(jī)在控制上取得了優(yōu)勢(shì)，然而速度卻提不上來，尤其是在電腦鼠轉(zhuǎn)彎上面，浪費(fèi)了大量的時(shí)間。我們研究的新型電腦鼠以直流電機(jī)為基礎(chǔ)，大大提高了電腦鼠的速度，同時(shí)，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(cè)試范圍更廣，抗干擾能力也得到了增強(qiáng)。而且新型的紅外接收頭可以將接收到的紅外光線的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)化為電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)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(jìn)電機(jī)控制的電腦鼠在轉(zhuǎn)彎時(shí)不能檢測(cè)轉(zhuǎn)彎角度是否準(zhǔn)確，是一種開環(huán)控制，出錯(cuò)概率較大。而陀螺儀可以在轉(zhuǎn)彎時(shí)校正旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)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(cuò)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(jī)電運(yùn)動(dòng)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(dòng)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?，F(xiàn)在國(guó)際上每年都有電腦鼠走迷宮的專業(yè)比賽，現(xiàn)在這項(xiàng)比賽也成為了各高校的熱門科技項(xiàng)目，各高校都對(duì)新型電腦鼠進(jìn)行了一定的研究。它對(duì)于機(jī)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(zhǎng)足的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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