基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器，包括：主控制单元、第一运动控制单元、第二运动控制单元、第三运动控制单元、第四运动控制单元和电源，所述电源与所述主控制单元电性连接，所述主控制单元包括ARM9处理器和LM629处理器，所述ARM9处理器与所述LM629处理器电性连接，所述LM629处理器分别电性连接所述第一运动控制单元、第二运动控制单元、第三运动控制单元、第四运动控制单元。通过上述方式，本发明基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器具有误干扰率低、控制简单、稳定性好、动态性能佳、抗干扰能力强、系统调试简单等优点，在微电脑鼠冲刺控制器的普及上有着广泛的市场前景。
【专利说明】基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器。
【背景技术】
[0002]微电脑鼠是使用嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走机器人，在国外已经竞赛了将近30年，由其原理可以转化为多种实际的工业机器人，近几年内才引进国内，并逐渐成为一个新兴的竞赛项目。微电脑鼠可以在不同“迷宫”中自动记忆和选择路径，采用相应的算法，快速地到达所设定的目的地。一只优秀的微电脑鼠必须具备良好的感知能力，有良好的行走能力，优秀的智能算法。一只完整的微电脑鼠包括传感器、电机、算法和微处理器，其中微处理器是微电脑鼠的核心部分，控制并判断所有信心，包括墙壁信息，位置信息，角度信息和电机状态信息等。
[0003]现有的微处理器一般采用的是单片机。由于国内研发此机器人的单位较少，相对研发水平比较落后，研发的微电脑鼠在长时间运行发现存在着很多安全问题，如下:
(1)作为微电脑鼠的眼睛采用的是超声波或者是一般的红外传感器，使得微电脑鼠对周围迷宫的探索存在一定的误判；
(2)作为微电脑鼠的执行机构采用的是步进电机，经常会遇到丢失脉冲的问题出现，导致对位置的记忆出现错误；
(3)由于采用步进电机，使得机体发热比较严重，不利于在大型复杂迷宫中探索和冲
刺；
(4)由于微电脑鼠伺服系统采用都是比较低级的算法，在迷宫当中的探索一般都要花费4飞分钟的时间，这使得在真正的大赛中无法取胜；
(5)由于微电脑鼠要频繁的刹车和启动，加重了单片机的工作量，单一的单片机无法满足微电脑鼠快速启动和停止的要求；
(6)相对采用的都是一些体积比较大的插件元器件，使得微电脑鼠的体积和重量相对都比较大，无法满足快速探索的要求；
(7)由于受周围环境不稳定因素干扰，单片机控制器经常会出现异常，引起微电脑鼠失控，抗干扰能力较差；
(8 )对于差速控制的微电脑鼠来说，一般要求其两个电机的PWM控制信号要同步，由于受计算能力的限制，单一单片机伺服系统很难满足这一条件，使得微电脑鼠在直道上行驶时不能准确的行走在中线上，为了保证微电脑鼠的准确定位，伺服系统要来回的补偿，使得微电脑鼠在迷宫当中摇摆幅度较大，特别是对于快速行走时；
(9)由于受单片机容量和算法影响，微电脑鼠对迷宫的信息没有存储，当遇到掉电情况时所有的信息将消失，这使得整个探索过程要重新开始；
(10)由于受单片机容量影响，现有的微电脑鼠基本上都只有两个动力驱动轮，采用四轮差速方式行驶，使得系统对两轴的伺服要求较高，特别是直线导航时，要求速度和加速度要追求严格的一致，否则直线导航将会失败，导致微电脑鼠出现撞墙的现象发生；
(11)四轮微电脑鼠系统在加速时由于重心后移，使得老鼠前部轻飘，即使在良好的路面上微电脑鼠也会打滑，有可能导致撞墙的现象出现，不利于高速微电脑鼠的发展；
(12)四轮微电脑鼠系统在正常行驶时如果设计不当造成重心前偏，将导致驱动轮上承受的正压力减小，这时微电脑鼠系统更加容易打滑，也更容易走偏，导致导航失败；
(13)四轮微电脑鼠系统在正常行驶时如果设计不当造成重心侧偏将导致两个驱动轮承受的正压力不同，在快速启动时四轮打滑程度不一致，瞬间就偏离轨迹，转弯时，其中正压力小的轮子可能打滑，导致转弯困难；
(14)由于采用两个动力轮驱动，为了满足复杂状态下的加速和减速，使得单个驱动电机的功率较大，不仅占用的空间较大，而且有时候在一些相对需求能量较低的状态下造成“大马拉小车”的现象出现，不利于微电脑鼠本体微型化发展和微电脑鼠系统能源的节省；
(15)微电脑鼠在运行过程中，一定遇到撞墙情况都会发生电机堵转情况，造成电机瞬间电流过大,严重时烧坏电机。
【发明内容】
[0004]本发明主要解决的技术问题是提供一种基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器，为克服单一单片机不能满足微电脑鼠稳定性和快速性的要求，舍弃了国产微电脑鼠所采用的单一单片机工作模式，在吸收国外先进控制思想的前提下，自主研发了基于ARM9+LM629的全新控制模式。控制板以LM629为处理核心来产生四轴伺服系统PWM波，LM629通过数据线和控制线与ARM9 口相连，ARM9向LM629发送或者从LM629中读取位置、速度、加速度等数值，并设定PID参数，增量式光电编码器提供闭环控制所需要的反馈信号，LM629输出PWM波和方向信号。LM629把从复杂的工作当中解脱出来，实现部分的信号处理算法和LM629的控制逻辑，并响应中断，实现数据通信和存储实时信号，简化操作，提高效率，在基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器的普及上有着广泛的市场前景。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供一种基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器，包括:主控制单元、第一运动控制单元、第二运动控制单元、第三运动控制单元、第四运动控制单元和电源，所述电源与所述主控制单元电性连接，所述主控制单元包括ARM9处理器和LM629处理器，所述ARM9处理器与所述LM629处理器电性连接以控制所述LM629处理器的工作或中断，所述LM629处理器分别电性连接所述第一运动控制单元、第二运动控制单元、第三运动控制单元、第四运动控制单元，所述第一运动控制单元、第二运动控制单元、第三运动控制单元、第四运动控制单元均连接有光电编码器，所述电源为锂离子电池。
[0006]在本发明一个较佳实施例中，所述第一运动控制单元、第二运动控制单元、第三运动控制单元、第四运动控制单元均包括运动控制器和电机，所述运动控制器与电机电性连接。
[0007]在本发明一个较佳实施例中，所述运动控制器包括基于编码反馈的伺服控制单元、数据存储单元和输入输出单元，所述伺服控制驱动单元、数据存储单元和输入输出单元均与所述LM629处理器电性连接。
[0008]在本发明一个较佳实施例中，所述电机为高速直流电机。[0009]在本发明一个较佳实施例中，所述主控制单元还外接有上位机控制单元,所述上位机控制单元包括迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元，所述迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元均与所述ARM处理器电性连接。
[0010]在本发明一个较佳实施例中，所述光电编码器为米用512线光码盘,每转一转输出512个脉冲。
[0011]在本发明一个较佳实施例中，所述LM629处理器还外接脉冲宽度调制功放电路作为驱动电路。
[0012]在本发明一个较佳实施例中，所述主控制单元还连接有至少6个传感器，所述传感器为超声波传感器或红外线传感器，用于感应并传输外接环境信息。
[0013]在本发明一个较佳实施例中，所述电机还连接车轮，所述车轮的数量与所述电机的数量相同。
[0014]本发明的有益效果是:本发明基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器具有误干扰率低、控制简单、稳定性好、动态性能佳、抗干扰能力强、系统调试简单等优点，在微电脑鼠冲刺控制器的普及上有着广泛的市场前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中:
图1是本发明的基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器一较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明的基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器一较佳实施例的原理图；
图3是本发明的基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器一较佳实施例的程序框图；
图4是本发明的基于双核的四轮微电脑鼠一较佳实施例的二维示意图；
附图中各部件的标记如下:1、主控制单元，2、第一运动控制单元，3、第二运动控制单元，4、第三运动控制单元，5、第四运动控制单元，6、电源。
【具体实施方式】
[0016]下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0017]请参阅图1至图3，本发明实施例包括:
一种基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器，包括:主控制单元1、第一运动控制单元2、第二运动控制单元3、第三运动控制单元4、第四运动控制单元5和电源6。
[0018]所述电源6与所述主控制单元I电性连接，所述主控制单元I包括ARM9处理器和LM629处理器，所述ARM9处理器与所述LM629处理器电性连接以控制所述LM629处理器的工作或中断，所述LM629处理器分别电性连接所述第一运动控制单元2、第二运动控制单元3、第三运动控制单元4、第四运动控制单元5，所述第一运动控制单元2、第二运动控制单元3、第三运动控制单元4、第四运动控制单元5均连接有光电编码器，所述电源为锂离子电池。
[0019]优选地，所述第一运动控制单元、第二运动控制单元、第三运动控制单元、第四运动控制单元均包括运动控制器和电机，所述运动控制器与电机电性连接。
[0020]优选地，所述运动控制器包括基于编码反馈的伺服控制单元、数据存储单元和输入输出单元，所述伺服控制驱动单元、数据存储单元和输入输出单元均与所述LM629处理器电性连接。
[0021]优选地，所述电机为高速直流电机。
[0022]优选地,所述主控制单元还外接有上位机控制单元,所述上位机控制单元包括迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元，所述迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元均与所述ARM处理器电性连接。
[0023]优选地，所述光电编码器为采用512线光码盘，每转一转输出512个脉冲。
[0024]优选地，所述LM629处理器还外接脉冲宽度调制功放电路作为驱动电路。
[0025]优选地，所述主控制单元还连接有至少6个传感器，所述传感器为超声波传感器或红外线传感器，用于感应并传输外接环境信息。
[0026]优选地，所述电机还连接车轮，所述车轮的数量与所述电机的数量相同。
[0027]本发明的工作原理为:
(1)为了能够驱动四轮微电脑鼠进行运动，本控制系统引入了四片LM629，但是通过I/O 口与ARM9进入实时通讯，由ARM9控制其开通和关断，进而实现四只独立直流电机的启动和停止；
(2)打开电源开关瞬间，ARM9会对电池电压进行检测，如果低压的话，将禁止所有LM629工作，电机不能自锁，同时电压传感器S7将工作，并提示报警信号；
(3 )如果电压正常，系统将检测传感器电路和时钟电路,如果传感器电路和时钟电路出现故障，系统将自动复位，重新检测，如有问题，将报警；
(4)系统初始化正常后，将对LM629系统进行检测。对于基于LM629的系统来说，“忙”状态的检测是整个伺服系统设计的首要部分，在处理器向LM629写命令或者读写数字后，“忙”状态位会被立刻置位，此时，会忽略一切命令数据传输，直至“忙”状态被复位，所以在每次运动之前先检测此状态位，判断是否为“忙”，如果是“忙”要进行软件复位，使系统可以进行数据通讯；
(5)对于基于LM629的系统来说，复位也是LM629伺服系统操作中重要的一个环节，复位后，查看LM629的状态字，如果不等于84H或者C4H，说明硬件复位失败，必须重新复位,否则LM629不可以正常工作；
(6)在微电脑运动过程中，传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6(六个独立的红外发射管0PE5594A发出的红外光经接收器TSL262接受后转化为周围迷宫的信息)判断周围的环境并送给ARM9，ARM9把这些环境参数按照速度-时间运动梯形图转化为微电脑鼠前后左右四轮要运行的距离、速度和加速度指令值，这个梯形包含的面积就是微电脑鼠两个电机X、电机Y、电机Z和电机R要运行的距离。ARM9然后与LM629通讯，由LM629根据这些参数再结合光电编码器和电流传感器的反馈生成驱动四轴直流电机的PWM波。然后ARM9根据外部环境要求，决定使能其中的两轴LM629或者是全部，然后PWM波经驱动桥驱动两个电机或者四个，并把处理数据通讯给ARM9，由ARM9继续处理后续的运行状态。；
(7)在运动过程中如果微电脑鼠发现迷宫求解出现死循环将向ARM9发出中断请求，ARM9会对中断做第一时间响应，如果ARM9的中断响应没有来得及处理，微电脑鼠的电机X、电机Y、电机Z和电机R将原地自锁；
(8)装在电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器会输出其位置信号A和位置信号B，光电编码器的位置信号A脉冲和B脉冲逻辑状态每变化一次，LM629内的位置寄存器会根据前后左右轮的运行方向加I或者是减I ;
(9)光电编码器的位置信号A脉冲和B脉冲和Z脉冲同时为低电平时，就产生一个INDEX信号给LM629寄存器，记录电机的绝对位置，然后换算成微电脑鼠在迷宫中的具体位置；
(10)控制器根据微电脑鼠在迷宫的具体位置，送相应的加速度、速度和位置数据等给LM629的梯形图发生器作为参考值，由梯形图结合光电编码器和电流传感器的反馈计算出微电脑鼠需要更新的实际加速度、速度和位置信号，满足伺服系统的快速性要求；
(11)在微电脑鼠正常直线匀速行驶环境下，ARM9一般会禁止前轴的两片LM629工作，释放微电脑鼠的前轮电机Z和电机R,米用电机X和电机Y驱动的方式；而一旦遇到路面灰尘较多或驱动轮打滑的情况，ARM9会自动检测并立即将使能前轴的两片LM629，把微电脑鼠需求扭矩部分分配给电机Z和电机R，微电脑鼠自然切换到四轮驱动状态，增强了微电脑鼠的附着力和操控性；
(12)在微电脑鼠正常直线加速行驶环境下，ARM9立即使能前轴的两片LM629，把微电脑鼠需求扭矩平均分配到四个电机，一旦任何一个动力轮离开地面，ARM9可以重新分配扭矩，把更多的扭矩分配在不打滑的驱动轮上，使系统迅速脱离打滑状态，重新回到四轴动力平衡状态；
(13)当微电脑鼠转向时，为了保证旋转的稳定性，ARM9立即使能前轴的两个直流电机，采用四轮同步伺服控制来实现转弯:探索时，四轴采用相同的速度和加速进行减速停车然后转向并一起加速行驶；冲刺时前轮转弯半径比同侧的后轮要大，路程走得多，外轮的轮转弯半径比同轴的转弯半径要大，四轮驱动转弯时的轨迹是四段不同的固定圆弧，由ARM9结合转弯时间的要求根据轨迹的不同送相应的指令给LM629，然后由LM629结合光电编码器和电流传感器的反馈生成四路PWM控制直流电机X、电机Y、电机Z和电机R，完成四轴伺服系统的冋步控制；
(14)如果微电脑鼠在运行过程中遇到故障撞墙时，电机的电流将增大，当超过设定值时，LM629的中断命令LPES将会向控制器发出中断请求，此时控制器会立即控制LM629停止工作，从而有效地解决了堵转问题；
(15)微电脑鼠在运行过程会时刻检测电池电压，当系统出现低压时，传感器S7将开启并发出报警提示，有效地保护了锂离子电池；
(16)在微电脑鼠运行过程中，ARM9会对电机的转矩进行在线辨识，当电机的转矩收到外界干扰出现较大抖动时，控制器会利用电机力矩与电流的关系进行时候补偿，减少了电机转矩抖动对微电脑鼠快速探索和冲刺的影响。
[0028]本发明基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器的有益效果是:
(1)在运动过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于ARM+LM629控制器时刻都在对微电脑鼠的运行状态进行监测和运算，避免了大电流的产生，所以从根本上解决了大电流对锂离子电池的冲击，避免了由于大电流放电而引起的锂离子电池过度老化现象的发生；
(2)为了充分提高微电脑鼠系统的稳定性和行驶能力，本发明采用四轮驱动结构，前置驱动和后置驱动的四个电机功率一致，四轮伺服运动均有ARM+LM629配合完成，微电脑鼠前后四个轮都有动力，可按迷宫地面和周围环境状态不同而将需求扭矩按不同比例分布在前后所有的轮子上，以提高微电脑鼠的行驶能力；
(3)在正常行驶环境下，微电脑鼠一般会采用释放前轮，采用后轮驱动的方式；而一旦遇到路面灰尘较多或驱动轮打滑的情况，ARM9会自动检测并立即将微电脑鼠需求扭矩部分分配给前方两个驱动轮，系统自然切换到四轮驱动状态，增强了微电脑鼠的附着力和操控性；
(4)由于采用四轮驱动方式，当需要加速行驶时，把动力平均分配到四个电机，一旦一个动力轮离开地面，ARM9可以重新分配扭矩，把更多的扭矩分配在不打滑的驱动轮上，使系统迅速脱离打滑状态，重新回到四轴动力平衡状态，使得微电脑鼠具有更好的直线行走功倉泛;
(5)微电脑鼠转向时，为了保证旋转的稳定性，采用四轮同控来实现转弯:前轮转弯半径比同侧的后轮要大，路程走得多，因此前轮的转速要比后轮快，四轮驱动的四个车轮走的路线完全是四段不同的圆弧，但是轨迹是一定的，由ARM9结合转弯时间的要求根据轨迹的不同配合LM629生成四路PWM控制直流电机X、电机Y、电机Z和电机R，完成四轴同的伺服系统的冋步控制；
(6)四轮微电脑鼠系统在正常行驶时如果设计不当造成重心前偏，将导致后侧驱动轮上承受的正压力减小，ARM9会自动调整后侧的动力分配，使系统处于一种新的平衡状态，防止微电脑鼠打滑；
(7)四轮微电脑鼠系统在正常行驶时如果设计不当造成重心侧偏，将导致一侧驱动轮上承受的正压力减小，ARM9会自动调整这一侧的动力分配，使系统处于一种新的平衡状态，防止微电脑鼠打滑；
(8)由ARM+LM629处理微电脑鼠的四只直流电机的伺服控制，充分发挥ARM9控制方面的特长以及LM629 PID调节器的作用，使得控制比较简单，大大提高了运算速度，解决了单片机软件运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且程序可移植能力强；
(9)本发明基本实现全贴片元器件材料，实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，而且有利于体积和重量的减轻，有利于提高微电脑鼠的稳定性和动态性能；
(10)为了提高运算速度和精度，本微电脑鼠采用了国际上使用最多的红外传感器0PE5594A，使得运算精度大大提高；
(11)由于本控制器采用LM629处理大量的数据与算法，把ARM9从繁重的工作量中解脱出来，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强；
(12 )由LM629输出PWM调制信号和方向信号，通过驱动电路可以直接驱动电机，不仅减轻了 ARM的负担，简化了接口电路，而且省去了 ARM内部编写位置、速度控制程序，以及各种PID算法的麻烦，使得系统的调试简单；
(13)在微电脑鼠运行过程中，ARM9会对电机的转矩进行在线辨识并利用电机力矩与电流的关系进行补偿，减少了电机转矩抖动对微电脑鼠快速探索和冲刺的影响；
(14)在控制算法中，ARM9可以根据实际周围迷宫情况调整LM629内部的PID参数，轻松实现分段P、PD、PID控制和非线性PID控制，使系统具有一定的自适应；
(15)LM629独有的中断命令LPES可以很好的解决微电脑鼠在运行过程中遇到撞墙情况发生的电机堵转，利用中断命令LPES可在输出超出设定值时立即停止输出并发出中断指令，从而有效地解决了堵转问题；
(16)由于具有存储功能，这使得微电脑鼠掉电后可以轻易的调取已经探索好的迷宫信息，使二次探索的时间和路径大大降低；
(17)LM629的PID控制及运动控制类指令采用双缓冲结构，数据首先写入主寄存器，只有在写入相关命令后主寄存器的数据才能进一步装入工作寄存器，这样很容易实现左右轮的同步，使得左右轮具有良好的同步性。
[0029]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器，其特征在于，包括:主控制单元、第一运动控制单元、第二运动控制单元、第三运动控制单元、第四运动控制单元和电源，所述电源与所述主控制单元电性连接，所述主控制单元包括ARM9处理器和LM629处理器，所述ARM9处理器与所述LM629处理器电性连接以控制所述LM629处理器的工作或中断，所述LM629处理器分别电性连接所述第一运动控制单元、第二运动控制单元、第三运动控制单元、第四运动控制单元，所述第一运动控制单元、第二运动控制单元、第三运动控制单元、第四运动控制单元均连接有光电编码器，所述电源为锂离子电池。
2.根据权利要求1所述的基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器，其特征在于，所述第一运动控制单元、第二运动控制单元、第三运动控制单元、第四运动控制单元均包括运动控制器和电机，所述运动控制器与电机电性连接。
3.根据权利要求2所述的基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器，其特征在于，所述运动控制器包括基于编码反馈的伺服控制单元、数据存储单元和输入输出单元，所述伺服控制驱动单元、数据存储单元和输入输出单元均与所述LM629处理器电性连接。
4.根据权利要求3所述的基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器，其特征在于，所述电机为高速直流电机。
5.根据权利要求1所述的基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器，其特征在于，所述主控制单元还外接有上位机控制单元，所述上位机控制单元包括迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元，所述迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元均与所述ARM处理器电性连接。
6.根据权利要求1所述的基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器，其特征在于，所述光电编码器为米用512线光码盘,每转一转输出512个脉冲。
7.根据权利要求1所述的基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器，其特征在于，所述LM629处理器还外接脉冲宽度调制功放电路作为驱动电路。
8.根据权利要求1所述的基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器，其特征在于，所述主控制单元还连接有至少6个传感器，所述传感器为超声波传感器或红外线传感器，用于感应并传输外接环境信息。
9.根据权利要求2所述的基于双核的四轮微电脑鼠全数字伺服系统控制器，其特征在于，所述电机还连接车轮，所述车轮的数量与所述电机的数量相同。
【文档编号】G05D1/02GK103529831SQ201310429616
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】张好明, 王应海 申请人:苏州工业园区职业技术学院