基於雙核兩輪微電腦鼠及其全數字伺服控制器的製造方法
2023-06-06 21:49:26 4
基於雙核兩輪微電腦鼠及其全數字伺服控制器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基於雙核兩輪微電腦鼠及其全數字伺服控制器，所述伺服控制器包括主控制單元、第一運動驅動單元、第二運動驅動單元、第一電機和第二電機，所述主控制單元包括主控制器和從控制器，所述主控制器與從控制器電性連接，所述從控制器分別與第一運動驅動單元和第二運動驅動單元電性連接，所述第一運動驅動單元進一步與所述第一電機電性連接，所述第二運動驅動單元進一步與所述第二電機電性連接。通過上述方式，本實用新型同時採用雙核協同工作，每個控制晶片的工作量相對較小，有效地防止了程序跑飛，增強了抗幹擾能力；避免產生大電流，運算精度較高，性能較穩定。
【專利說明】基於雙核兩輪微電腦鼠及其全數字伺服控制器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及微型機器人領域，尤其涉及一種基於雙核兩輪微電腦鼠及其全數字伺服控制器。
【背景技術】
[0002]微電腦鼠是使用嵌入式微控制器、傳感器和機電運動部件構成的一種智能行走機器人，在國外已經競賽了將近30年，由其原理可以轉化為多種實際的工業機器人，近幾年內才引進國內，並逐漸成為一個新興的競賽項目。微電腦鼠可以在不同迷宮中自動記憶和選擇路徑，採用相應的算法，快速地到達所設定的目的地。一隻優秀的微電腦鼠必須具備良好的感知能力，有良好的行走能力，優秀的智能算法，一隻完整的微電腦鼠在大體分為以下幾個部分:
[0003]I)傳感器:傳感器是微電腦鼠的眼睛，是微電腦鼠準確獲取外部環境信息的依據，然後把外界信息輸送到微處理器進行各種條件判斷。
[0004]2)電機:執行電機是微電腦鼠的動力源，它根據微處理器的指令來執行微電腦鼠在迷宮中行走時的相關動作。
[0005]3)算法:算法是微電腦鼠的靈魂。微電腦鼠必須採用一定的智能算法才能找到終點，才能找到一條最短的路徑，在最短的時間內到達終點。
[0006]4)微處理器:微處理器是微電腦鼠的核心部分,是微電腦鼠的大腦。微電腦鼠所有的信息，包括牆壁信息，位置信息，角度信息和電機狀態信息等都需要經過微處理器處理並做出相應的判斷。
[0007]電腦鼠結合了多學科知識，對於提升在校學生的動手能力、團隊協作能力和創新能力，促進學生課堂知識的消化和擴展學生的知識面都非常有幫助。電腦鼠走迷宮技術的開展可以培養大批相關領域的人才，進而促進相關領域的技術發展和產業化進程。但是微電腦鼠在迷宮當中要時刻判斷周圍的環境，然後傳輸參數到控制器，由控制器反覆控制其在迷宮的方格當中精確的加速和減速，稍不小心微電腦鼠就會撞到周圍的迷宮擋牆，使得探索或者是衝刺失敗，因此，對以微電腦鼠系統來說基於單片機的伺服系統性能是決定其勝敗的關鍵，但是由於國內研發此機器人的單位較少，對國際規則讀取水平較低，相對研發水平比較落後，研發的微電腦鼠結構如圖1，長時間運行發現存在著很多安全問題，即:
[0008](I)作為微電腦鼠的眼睛採用的是超聲波或者是一般的紅外傳感器，使得微電腦鼠對周圍迷宮的探索存在一定的誤判。
[0009](2)作為微電腦鼠的執行機構採用的是步進電機，經常會遇到丟失脈衝的問題出現，導致對位置的記憶出現錯誤。
[0010](3)由於採用步進電機，使得機體發熱比較嚴重，不利於在大型複雜迷宮中探索和衝刺。
[0011](4)由於微電腦鼠伺服系統採用都是比較低級的算法，在迷宮當中的探索一般都要花費4飛分鐘的時間，這使得在真正的大賽中無法取勝。[0012](5)由於微電腦鼠要頻繁的剎車和啟動，加重了單片機的工作量，單一的單片機無法滿足微電腦鼠快速啟動和停止的要求。
[0013](6)相對採用的都是一些體積比較大的插件元器件，使得微電腦鼠的體積和重量相對都比較大，無法滿足快速探索的要求。
[0014](7)由於受周圍環境不穩定因素幹擾，單片機控制器經常會出現異常，引起微電腦鼠失控，抗幹擾能力較差。
[0015](8)對於差速控制的微電腦鼠來說，一般要求其兩個電機的PWM控制信號要同步，由於受計算能力的限制，單一單片機伺服系統很難滿足這一條件，使得微電腦鼠在直道上行駛時不能準確的行走在中線上，為了保證微電腦鼠的準確定位，伺服系統要來回的補償，使得微電腦鼠在迷宮當中搖擺幅度較大，特別是對於快速行走時。
[0016](9)由於受單片機容量和算法影響，微電腦鼠對迷宮的信息沒有存儲，當遇到掉電情況時所有的信息將消失，這使得整個探索過程要重新開始。
[0017](10)微電腦鼠在運行過程中，一定遇到撞牆情況都會發生電機堵轉情況，造成電機瞬間電流過大，嚴重時燒壞電機。
[0018]因此，需要對現有的基於單片機控制的微電腦鼠控制器進行重新設計。
實用新型內容
[0019]本實用新型主要解決的技術問題是提供一種基於雙處理器的兩輪微電腦鼠及其伺服控制器，同時採用雙核協同工作，每個控制晶片的工作量相對較小，有效地防止了程序跑飛，增強了抗幹擾能力；避免產生大電流，運算精度較高，性能較穩定。
[0020]為解決上述技術問題，本實用新型採用的一個技術方案是:提供一種基於雙處理器的兩輪微電腦鼠及其伺服控制器，包括主控制單元、第一運動驅動單元、第二運動驅動單元、第一電機和第二電機，所述主控制單元包括主控制器和從控制器，所述主控制器與從控制器電性連接，所述從控制器分別與第一運動驅動單元和第二運動驅動單元電性連接，所述第一運動驅動單元進一步與所述第一電機電性連接，所述第二運動驅動單元進一步與所述第二電機電性連接。
[0021]在本實用新型一個較佳實施例中，所述全數字伺服控制器進一步包括電源供應單元，所述電源供應單元與所述主控制單元電性連接。
[0022]在本實用新型一個較佳實施例中，所述電源供應單元包括鋰離子電池。
[0023]在本實用新型一個較佳實施例中，所述主控制器為ARM920T(S3C2440A)，所述從控制器為 FPGA (A3P250)。
[0024]在本實用新型一個較佳實施例中，所述第一電機和第二電機均為高速直流電機，所述第一電機和第二電機的轉軸上均設有光電編碼器。
[0025]本實用新型還提供一種兩輪微電腦鼠，包括所述全數字伺服控制器，所述全數字伺服控制器包括主控制單元、第一運動驅動單元、第二運動驅動單元、第一電機和第二電機，所述主控制單元包括主控制器和從控制器，所述主控制器與從控制器電性連接，所述從控制器分別與第一運動驅動單元和第二運動驅動單元電性連接，所述第一運動驅動單元進一步與所述第一電機電性連接，所述第二運動驅動單元進一步與所述第二電機電性連接，所述兩輪微電腦鼠進一步包括殼體，所述全數字伺服控制器設置在所述殼體內部。[0026]在本實用新型一個較佳實施例中，所述殼體兩側均設有車輪，所述第一電機和第二電機分別與一個車輪連接。
[0027]在本實用新型一個較佳實施例中，所述殼體上進一步設有至少六個蔽障傳感器，每一個蔽障傳感器分別與所述主控制器電性連接，其中，第一蔽障傳感器和第二蔽障傳感器的信號發射方向與所述車輪的運動方向相同，第三蔽障傳感器3和第四蔽障傳感器的信號發射方向相反且垂直於所述車輪的運動方向，第五傳感器和第六傳感器的信號發射方向遠離所述殼體中心且與所述車輪的運動方向的夾角為銳角。
[0028]在本實用新型一個較佳實施例中，所述蔽障傳感器包括紅外傳感器0PE5594A。
[0029]在本實用新型一個較佳實施例中，所述兩輪微電腦鼠進一步包括電壓傳感器和光電補償傳感器，所述電壓傳感器和光電補償傳感器分別與所述主控制單元電性連接。
[0030]本實用新型的有益效果是:
[0031](I)同時採用兩個控制器，即主控制器和分控制器，兩個控制器分工合作，處理不同的數據，避免產生大電流，防止因大電流放電而引起鋰離子電池過度老化；
[0032](2)所述分控制器採用FPGA (A3P250)，且獨立控制電機，減輕了 ARM的負擔，簡化了接口電路，充分發揮FPGA (A3P250)控制方面的特長以及程序移植功能，使得控制比較簡單，大大提高了運算速度，縮短了開發周期短，並且程序可移植能力強；
[0033](3)有了從控制器的協助，所述主控制器的工作量減少，有效地防止了程序跑飛，增強了抗幹擾能力；
[0034](4)採用紅外傳感器0PE5594A，運算精度較高；
[0035]( 5 )採用高速直流電機,性能較穩定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0036]為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖，其中:
[0037]圖1是現有技術中的電腦鼠的伺服控制器的電路框圖；
[0038]圖2是本實用新型所述全數字伺服控制器的電路框圖；
[0039]圖3是本實用新型所述全數字伺服控制器的控制示意圖；
[0040]圖4是本實用新型所述電腦鼠一較佳實施例的結構示意圖。
[0041]附圖中各部件的標記如下:1、殼體，2、車輪，3、蔽障傳感器3，4、光電補償傳感器，5、電壓傳感器。
【具體實施方式】
[0042]下面將對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
[0043]請參閱圖1至圖4，本實用新型實施例包括:[0044]一種基於雙核兩輪微電腦鼠全數字伺服控制器，包括主控制單元、第一運動驅動單元、第二運動驅動單元、第一電機和第二電機，所述主控制單元包括主控制器和從控制器，所述主控制器與從控制器電性連接，所述從控制器分別與第一運動驅動單元和第二運動驅動單元電性連接，所述第一運動驅動單元進一步與所述第一電機電性連接，所述第二運動驅動單元進一步與所述第二電機電性連接。
[0045]其中，所述全數字伺服控制器進一步包括電源供應單元，所述電源供應單元與所述主控制單元電性連接，所述電源供應單元包括鋰離子電池。所述第一電機和第二電機均為高速直流電機，所述第一電機和第二電機的轉軸上均設有光電編碼器，所述光電編碼器為光碼盤。將第一電機編號為X，第二電機編號為Y。所述主控制器為ARM920T(S3C2440A)，所述從控制器為 FPGA (A3P250), ARM920T (S3C2440A)控制 FPGA (A3P250)開通或關斷。
[0046]ARM920T(S3C2440A)為新一代的ARM9處理器，具有寄存器多、尋址方式簡單、批量傳輸數據、使用地址自動增減等特點。ARM920T (S3C2440A)通過全新的設計，採用了更多的電晶體，能夠達到兩倍以上於ARM7處理器的處理能力。這種處理能力的提高是通過增加時鐘頻率和減少指令執行周期實現的。
[0047]FPGA (A3P250)作為專用集成電路領域中的一種半定製電路，既解決了定製電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。採用這兩種處理器協同工作，使得用戶可以根據自己的設計需要，通過特定的布局布線工具對其內部進行重新組合連接，在最短的時間內設計出自己的專用集成電路，這樣就減小成本、縮短開發周期。由於FPGA(A3P250)採用軟體化的設計思想實現硬體電路的設計，這樣就使得基於FPGA (A3P250)設計的系統具有良好的可復用和修改性。
[0048]本實用新型還提供一種兩輪微電腦鼠，包括所述全數字伺服控制器，所述兩輪微電腦鼠進一步包括殼體I，所述全數字伺服控制器設置在所述殼體I內部。所述殼體I兩側均設有車輪2，所述第一電機和第二電機分別與一個車輪2連接。
[0049]在本實施例中，所述殼體I上進一步設有六個紅外傳感器0PE5594A作為蔽障傳感器3，每一個蔽障傳感器3分別與所述主控制器電性連接，將六個蔽障傳感器3分別編號為S1、S2、S3、S4、S5、S6，其中，蔽障傳感器SI和蔽障傳感器S6的信號發射方向與所述車輪2的運動方向相同，蔽障傳感器S2和蔽障傳感器S5的信號發射方向相反且垂直於所述車輪2的運動方向，蔽障傳感器S3和蔽障傳感器S4與所述車輪2的運動方向的夾角為一般為45度。所述兩輪微電腦鼠進一步包括電壓傳感器5和光電傳感器4，所述電壓傳感器5和光電傳感器4分別與所述主控制單元電性連接，所述電壓傳感器5編號為S8，所述光電傳感器4編號為S7。
[0050]在具體應用時，本實用新型開發時採用S3C2440A和A3P250作為開發板核心，所述電腦鼠基本實現全貼片元器件材料，實現了單板控制，不僅節省了控制板佔用空間，而且有利於體積和重量的減輕，有利於提高微電腦鼠伺服系統的穩定性和動態性能。
[0051]本實用新型所述微電腦鼠的工作原理為:
[0052]I)在電源打開狀態下，微電腦鼠先進入自鎖狀態，微電腦鼠在迷宮起始點依靠前方、左右和側面的蔽障傳感器3根據實際導航環境傳輸參數給控制器中的ARM920T(S3C2440A),ARM920T (S3C2440A)把這些環境參數根據時間要求轉化為微電腦鼠左右輪要運行的距離、速度和加速度指令值，同時ARM920T (S3C2440A)與FPGA (A3P250)通訊，FPGA(A3P250)根據這些參數指令值結合光電補償傳感器4的反饋處理兩個獨立電機的同步伺服控制，並把處理數據通訊給ARM920T (S3C2440A),由ARM920T (S3C2440A)繼續處理後續的運行狀態。
[0053]2)打開電源開關瞬間，ARM920T (S3C2440A)會對電池電壓進行檢測，如果低壓的話，將禁止FPGA (A3P250)工作，電機不能自鎖，同時電壓傳感器5將工作，並提示報警信號。
[0054]3)如果電壓正常，系統將檢測傳感器電路和時鐘電路，如果傳感器電路和時鐘電路出現故障，系統將自動復位，重新檢測，如有問題，將報警。
[0055]4)在微電腦運動過程中，蔽障傳感器3判斷周圍的環境並送給ARM920T(S3C2440A), ARM920T (S3C2440A)把這些環境參數轉化為微電腦鼠左右輪要運行的距離、速度和加速度指令值，ARM920T (S3C2440A)然後與FPGA (A3P250)通訊，傳輸這些參數指令值給FPGA (A3P250)，然後由FPGA (A3P250)根據各種探索和衝刺條件的不同結合光電編碼器的反饋生成速度-時間運動梯形圖，這個梯形包含的面積就是微電腦鼠兩個直流電機要運行的距離，由這個梯形圖就可以求出來微電腦鼠實際運動的速度和加速度參數值，進而生成控制電機運動的PWM信號。
[0056]5)在運動過程中如果微電腦鼠發現迷宮求解出現死循環將向ARM920T(S3C2440A)發出中斷請求，ARM920T (S3C2440A)會對中斷做第一時間響應，如果ARM920T (S3C2440A)的中斷響應沒有來得及處理，微電腦鼠的第一電機和第二電機將原地自鎖。
[0057]6)安裝在第一電機和第二電機上的光電編碼器會輸出其位置信號A脈衝和位置信號B脈衝，A脈衝和B脈衝的邏輯狀態每變化一次，FPGA (A3P250)內的位置寄存器會根據左右輪的運行方向加I或者是減I。
[0058]7)當位置信號A脈衝、B脈衝和Z脈衝同時為低電平時，就產生一個位置信號給FPGA (A3P250)寄存器，記錄電機的絕對位置，然後換算成微電腦鼠在迷宮中的具體位置。
[0059]8)ARM920T (S3C2440A)根據微電腦鼠在迷宮的具體位置，送相應的加速度、速度和位置數據指令值給FPGA (A3P250)，然後由FPGA (A3P250)結合光電編碼器的反饋計算出微電腦鼠需要更新的實際加速度、速度和位置信號，生成新的速度-時間運動梯形圖，以滿足快速探索和衝刺伺服系統的要求。
[0060]9)如果微電腦鼠在運行過程中遇到故障撞牆時，電機的電流(II或12)將增大，當超過設定值時，FPGA (A3P250)的中斷命令將會向ARM920T (S3C2440A)發出中斷請求，此時ARM920T (S3C2440A)會立即控制FPGA (A3P250)停止工作，從而有效地解決了堵轉問題。
[0061]10)微電腦鼠在運行過程會時刻檢測電池電壓，當系統出現低壓時，系統發出報警提示，有效地保護了鋰離子電池。
[0062]11)在微電腦鼠運行過程中，ARM920T (S3C2440A)會對電機的轉矩進行在線辨識，當電機的轉矩受到外界幹擾出現較大抖動時，ARM920T (S3C2440A)會利用電機力矩與電流的關係進行時候補償，減少了電機轉矩抖動對微電腦鼠快速探索和衝刺的影響。
[0063]12)在微電腦鼠整個運動過程中，光電補償傳感器4會時刻對外界幹擾光源進行採集，然後傳輸給ARM920T (S3C2440A), ARM920T (S3C2440A)會根據光電補償傳感器4的自動補償外界幹擾，減少了外界幹擾光源對微電腦鼠快速探索和衝刺時的幹擾。
[0064]綜上所述，本實用新型同時採用兩個控制器，即主控制器和分控制器，兩個控制器分工合作，處理不同的數據，避免產生大電流，防止因大電流放電而引起鋰離子電池過度老化；所述分控制器採用FPGA (A3P250)，且獨立控制電機，減輕了 ARM的負擔，簡化了接口電路，充分發揮FPGA (A3P250)控制方面的特長以及程序移植功能，使得控制比較簡單，大大提高了運算速度，縮短了開發周期短，並且程序可移植能力強；有了從控制器的協助，所述主控制器的工作量減少，有效地防止了程序跑飛，增強了抗幹擾能力；採用紅外傳感器0PE5594A，運算精度較高；採用高速直流電機，性能較穩定。
[0065]以上所述僅為本實用新型的實施例，並非因此限制本實用新型的專利範圍，凡是利用本實用新型說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的【技術領域】，均同理包括在本實用新型的專利保護範圍內。
【權利要求】
1.一種基於雙核兩輪微電腦鼠全數字伺服控制器，其特徵在於，包括主控制單兀、第一運動驅動單元、第二運動驅動單元、第一電機和第二電機，所述主控制單元包括主控制器和從控制器，所述主控制器與從控制器電性連接，所述從控制器分別與第一運動驅動單元和第二運動驅動單元電性連接，所述第一運動驅動單元進一步與所述第一電機電性連接，所述第二運動驅動單元進一步與所述第二電機電性連接。
2.根據權利要求1所述的基於雙核兩輪微電腦鼠全數字伺服控制器，其特徵在於，所述全數字伺服控制器進一步包括電源供應單元，所述電源供應單元與所述主控制單元電性連接。
3.根據權利要求2所述的基於雙核兩輪微電腦鼠全數字伺服控制器，其特徵在於，所述電源供應單元包括鋰離子電池。
4.根據權利要求1所述的基於雙核兩輪微電腦鼠全數字伺服控制器，其特徵在於，所述主控制器為ARM920T，所述從控制器為FPGA。
5.根據權利要求1所述的基於雙核兩輪微電腦鼠全數字伺服控制器，其特徵在於，所述第一電機和第二電機均為高速直流電機，所述第一電機和第二電機的轉軸上均設有光電編碼器。
6.一種兩輪微電腦鼠，其特徵在於，包括權利要求1至5任一所述全數字伺服控制器，所述兩輪微電腦鼠進一步包括殼體，所述全數字伺服控制器設置在所述殼體內部。
7.根據權利要求6所述的兩輪微電腦鼠，其特徵在於，所述殼體兩側均設有車輪，所述第一電機和第二電機分別與一個車輪連接。
8.根據權利要求7所述的兩輪微電腦鼠，其特徵在於，所述殼體上進一步設有至少六個蔽障傳感器，每一個蔽障傳感器分別與所述主控制器電性連接，其中，第一蔽障傳感器和第二蔽障傳感器的信號發射方向與所述車輪的運動方向相同，第三蔽障傳感器和第四蔽障傳感器的信號發射方向相反且垂直於所述車輪的運動方向，第五傳感器和第六傳感器的信號發射方向遠離所述殼體中心且與所述車輪的運動方向的夾角為銳角。
9.根據權利要求8所述的兩輪微電腦鼠，其特徵在於，所述蔽障傳感器包括紅外傳感器 0PE5594A。
10.根據權利要求8所述的兩輪微電腦鼠，其特徵在於，所述兩輪微電腦鼠進一步包括電壓傳感器和光電補償傳感器，所述電壓傳感器和光電補償傳感器分別與所述主控制單元電性連接。
【文檔編號】G05B19/042GK203643839SQ201320570017
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年9月16日 優先權日:2013年9月16日
【發明者】張好明, 王應海 申請人:蘇州工業園區職業技術學院