基于ARM的電腦鼠控制系統(tǒng)研究

摘要：為了使電腦鼠更加高效完成迷宮搜尋沖刺任務(wù)，設(shè)計(jì)了以STM32F103RCT6增強(qiáng)型處理器為核心的電腦鼠控制系統(tǒng)。通過接收管感應(yīng)反射光的光強(qiáng)來判斷電腦鼠與墻壁之間的距離，改進(jìn)傳統(tǒng)數(shù)字式紅外傳感器只能判斷有無障礙而無法測距的不足，定時(shí)器輸出PWM信號(hào)控制空心杯直流電機(jī)，軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案可行，滿足系統(tǒng)要求。
關(guān)鍵詞：電腦鼠；紅外檢測；PWM；空心杯直流電機(jī)

電腦鼠(micromouse)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。目前大多數(shù)電腦鼠采用Luminarv Micro Stellaris R系列LM3S101、LM3S102、LM3S615或者單片機(jī)微控制器，其紅外檢測模塊采用了一體式紅外傳感器，只能判斷有無障礙物，無法進(jìn)行測距；電機(jī)部分采用步進(jìn)電機(jī)，耗電大、速度慢；此外軟件系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)中左或中右算法，效率較低。本文設(shè)計(jì)了基于CorrexM3內(nèi)核的32位ARM芯片STM32F103RCT6作為運(yùn)算控制中心，由其產(chǎn)生PWM信號(hào)調(diào)制紅外發(fā)射接收實(shí)現(xiàn)測距，配套空心杯直流電機(jī)，通過改進(jìn)智能迷宮算法，使電腦鼠出色高效地完成迷宮搜尋及沖刺任務(wù)。

1 電腦鼠工作原理
電腦鼠周圍安裝六組紅外傳感器，分別感知左方、左前方、前方、右前方、右方，發(fā)射端發(fā)射一定頻率的紅外線，接收端通過六個(gè)方向的反射波來判斷是否有障礙物，實(shí)時(shí)地儲(chǔ)存單元格的資料，通過六組紅外傳感器反饋的迷宮信息，控制電腦鼠完成避障、轉(zhuǎn)彎、加速等動(dòng)作，運(yùn)用智能算法對(duì)迷宮的部分單元格或全部單元格進(jìn)行遍歷，并將迷宮的信息以有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，微控制器根據(jù)這些記錄信息運(yùn)用迷宮高效算法找到一條最優(yōu)化路徑，從而實(shí)現(xiàn)從起點(diǎn)到終點(diǎn)的最大化沖刺。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
為完成迷宮探測和沖刺任務(wù)，電腦鼠需具備以下各功能模塊：ARM微處理器作為控制核心協(xié)調(diào)各功能模塊正常工作；電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)時(shí)控制電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)；紅外檢測模塊負(fù)責(zé)紅外線探測感知；電源為整個(gè)系統(tǒng)供電穩(wěn)定電壓，陀螺儀及指南針模塊確定電腦鼠方位，根據(jù)走過的距離，從而解析出所在坐標(biāo)。硬件組成如圖1所示。

2．1 電源模塊
電源調(diào)節(jié)器件通常使用線性穩(wěn)壓器件(如LM7805)，具有輸出電壓可調(diào)、穩(wěn)壓精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是其線性調(diào)整工作方式在工作有較大的“熱損耗”，導(dǎo)致電源利用率不高、滿足不了便攜低功耗需求。開關(guān)電源調(diào)節(jié)器，不同于線性穩(wěn)壓器件，以完全導(dǎo)通或關(guān)斷的方式工作，通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止時(shí)間，有效的減少工作中的“熱損耗”，提高了電源利用率。本設(shè)計(jì)中電源模塊為系統(tǒng)提供三種不同的電壓，12V電源用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使用開關(guān)式電源LM2596將12V直流電壓降到5V給紅外模塊、人機(jī)交互模塊供電，再通過AMS1117將5V降到3．3V，供ARM處理器及其他模塊使用。
2．2 微處理器模塊
微處理器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它完成從紅外檢測模塊獲取路徑信息，采集瞬時(shí)速度，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制算法運(yùn)算，輸出實(shí)時(shí)控制量等功能。為了保證系統(tǒng)的實(shí)用性和易擴(kuò)展性，本控制系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體推出的“增強(qiáng)型”系列STFM32F103RCT6，STM32F103xx增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM Correx-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I／O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN，在存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度方面滿足要求。
2．3 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊
為提高系統(tǒng)功率、降低功耗，驅(qū)動(dòng)電路采用基于脈寬調(diào)制方式的集成電路芯片L298N。比較常見的是15腳Muliwart封裝的L298N，內(nèi)部包含四通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，即內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)和控制兩個(gè)直流電機(jī)，芯片采用供給電機(jī)電源和邏輯電平電源的雙電源供電，可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)46V，2A以下的電機(jī)，并可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。其中ENA、ENB是控制使能端，IN1、IN 2、IN3、IN4是控制電平輸入端，電路如圖2所示。本設(shè)計(jì)中采用空心杯直流電機(jī)，它具有突出的節(jié)能特性、靈敏方便的控制特性和穩(wěn)定的運(yùn)行特性，最大效率一般在70％以上，部分產(chǎn)品可達(dá)到90％以上；起動(dòng)、制動(dòng)迅速，響應(yīng)極快；其重量、體積相對(duì)減少1／3-1／2，通過PWM調(diào)節(jié)脈沖占空比進(jìn)行調(diào)速。