一种儿童益智电脑鼠的制作方法

本实用新型涉及玩具领域，尤其涉及一种儿童益智电脑鼠。

背景技术：

“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装置(微型机器人)，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，快速地达到所设定的目的地。迷宫路径变幻莫测，优良的算法和稳定的硬件系统是电脑鼠走迷宫竞赛取胜的关键。

现有技术中：电脑鼠的操控复杂，需要学员有一定的计算机语言编程能力和电路电子知识，目前电脑鼠的学习与使用仅限于大学生群体。电脑鼠作为智能电子产品，具有一定的使用趣味性，对于开发智力思维和提高实践能力具有重要的意义。而电脑鼠未被作为一种玩具，未能被儿童群体使用。

因此，有必要提供一种技术手段以解决上述缺陷。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决上述问题，提供一种儿童益智电脑鼠，提出新的硬件结构和使用方法，使其操作简单、趣味性强，可以成为一种玩具适于儿童群体使用。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种儿童益智电脑鼠，所述系统包括控制电脑鼠运动的运动控制子系统，检测电脑鼠前方有障碍物以及没有障碍物的避障子系统，检测电脑鼠运动速度的车速检测子系统，电脑鼠与外界进行信息交换的通信子系统，为整个电脑鼠硬件电路供电的电源子系统。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述控制电脑鼠运动的运动控制子系统还包括驱动电脑鼠电机运转的双路H桥电机驱动电路，以及用来矫正电脑鼠转弯时的姿态和转弯角度的陀螺仪控制电路。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述驱动电脑鼠电机运转的双路H桥电机驱动电路还包括控制电机正转与反转的脉宽调制控制接口，

所述用来矫正电脑鼠转弯时的姿态和转弯角度的陀螺仪控制电路还包括为陀螺仪控制电路提供正常工作电压的第一稳压电路。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述检测电脑鼠前方有障碍物以及没有障碍物的避障子系统还包括红外发射电路，以及接收所述红外发射电路发出的红外光的红外接收电路。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述红外发射电路还包括人机接口，

所述红外接收电路还包括为红外接收电路提供正常工作电压的第二稳压电路。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述人机接口还包括调节红外发射电路，

所述红外接收电路还包括控制电脑鼠运动的刷卡电路。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述检测电脑鼠运动速度的车速检测子系统还包括电机编码器。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述电脑鼠与外界进行信息交换的通信子系统还包括无线通信接口电路。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述电脑鼠与外界进行信息交换的通信子系统还包括下载接口电路。

进一步地，上述方法还可具有以下特点，所述为整个电脑鼠硬件电路供电的电源子系统还包括电池。

本实用新型实施例的儿童益智电脑鼠，内部采用集成电路形式，外部采用绝缘塑料外壳防护，增加了电脑鼠的抗干扰能力，稳定性高。电脑鼠外形设计为老鼠形式，极大地吸引了儿童的喜爱程度。迷宫挡板千变万化，增加了儿童的动手搭建能力以及对事物的观察能力。电脑鼠的运动使用刷卡控制，使其操作简单、趣味性强。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将列出实施例描述中所需要使用的附图：

图1是本实用新型实施例中儿童益智电脑鼠的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中双路H桥电机驱动的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中陀螺仪控制的结构示意图；

图4是本实用新型实施例中避障子系统示意图；

图5是本实用新型实施例中通信子系统结构示意图；

图6是本实用新型实施例中儿童益智电脑鼠的模型示意图；

图7是本实用新型实施例中儿童益智电脑鼠的工作流程图；

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。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，根据本实用新型精神所获得的所有实施例，都属于实用新型的保护范围。

图1为本实用新型实施例中儿童益智电脑鼠的结构示意图。如图1所示，本实施例中儿童益智电脑鼠由主控制器控制外围电路，所述外围电路主要包括红外接收电路、红外发射电路、陀螺仪控制电路、双路H桥驱动电路、电机、编码器、人机交互接口。

所述红外发射电路和红外接收电路用于检测电脑鼠前方、左方、右方有障碍物以及没有障碍物。电脑鼠在迷宫中运动，需要实时监测电脑鼠周围的墙壁资料信息以及与迷宫挡板的距离。

所述陀螺仪控制电路用于电脑鼠在迷宫中转弯。由于电脑鼠在弧形转弯的运动过程中，会因为重心转移或者迷宫地板上的灰尘而造成轮胎打滑，导致电脑鼠产生姿态上的误差，从而降低了电脑鼠在迷宫中运动的稳定性，陀螺仪控制电路主要用于克服电脑鼠因为重心转移或者迷宫地板上的灰尘而造成轮胎打滑，以及矫正电脑鼠在弧形转弯姿态上的误差。

所述双路H桥电机驱动电路用以控制电机的正向转动和反向转动。电脑鼠在迷宫中搜索前进时会遇到前方、左方、右方没有路的事件，这时需要控制电脑鼠两个执行电机，所述电脑鼠的两个执行电机包括控制左轮胎的左侧执行电机和控制右轮胎的右侧执行电机，完成原地转弯有两个方案，方案一：使左侧执行电机正向转动，右侧执行电机反向转动，电脑鼠原地右转180度，完成原地掉头转弯；方案二：使左侧执行电机反向转动，右侧执行电机正向转动，电脑鼠原地左转180度，完成原地掉头转弯。

所述编码器用以检测电脑鼠的运动速度。控制电脑鼠在迷宫中运行速度的卡分为：小乌龟卡、小花猫卡和小白兔卡，所述小乌龟卡指的是控制电脑鼠低速运行的卡，所述小花猫卡指的是控制电脑鼠中速运行的卡，所述小白兔卡指的是控制电脑鼠高速运行的卡。儿童自己动手搭建迷宫格，通过观察来选择不同速度的卡。

图2为本实用新型实施例中双路H桥电机驱动的结构示意图。如图2所示，本实施例中，所述主控制器为双路H桥电机驱动电路提供控制指令，所述双路H桥电机驱动电路控制右侧执行电机的正向转动和反向转动以及左侧执行电机的正向转动和反向转动，所述电源为双路H桥电机驱动电路提供工作电流与工作电压。

在一个具体的应用中，这种电机驱动的优点在于只需要2路PWM波就能够实现对电机的正向转动和反向转动的控制，配合PWM技术，调节电机电枢两端的平均电压，进而控制直流电机的转速和位置。这样的电路设计可以避免全桥电路上、下桥臂的MOSFET同时导通，以防止电路上和程序上的错误导致全桥电路烧毁。为了使全桥电路拥有一个固定的状态，在每个直流电机驱动器输入端加入上拉电阻。在没有状态输入时，工作于刹车状态，防止当处理器在程序烧入时输出引脚不稳定，产生误动作。

图3为本实用新型实施例中陀螺仪控制的结构示意图。在本实用新型实施例中，所述第一稳压电路为陀螺仪控制电路提供正常的工作电压，所述主控制器与陀螺仪控制电路进行I²C总线通信。

图4为本实用新型实施例中避障子系统示意图。在本实用新型实施例中，所述红外发射电路检测前方有挡板以及没有挡板、电脑鼠距离迷宫挡板的距离。所述红外接收电路接收迷宫挡板反射的红外光，所述红外光由红外发射电路发射。所述第二稳压电路为红外接收电路提供正常的工作电压。

图5为本实用新型实施例中通信子系统结构示意图。如图5所示，在本实用新型实施例中，所述上位机与下载接口电路通过USB接口相连。所述无线通信接口电路包括与上位机进行无线通信的蓝牙模块。

下面通过具体应用示例对本实用新型实施例中的儿童益智电脑鼠作进一步详细说明。

图6为本实用新型实施例中儿童益智电脑鼠的模型示意图。如图6所示，本示例中，主控制器1包含丰富的I/O接口，是电脑鼠的核心控制器，为整个系统提供资源配置，控制电脑鼠的运行以及存储红外传感器组2检测到的迷宫墙壁资料。晶振7为主控制器1提供正常工作所需要的时钟周期。

红外传感器2安装在PCB板9的前部，这样设计的目的在于可以及时监测电脑鼠前方的道路状况：是有障碍物还是没有障碍物，红外传感器2包含红外发射电路和红外接收电路，电脑鼠在迷宫中运行，需要实时监测电脑鼠周围的墙壁信息，进而控制电脑鼠下一步的执行状况，红外传感器2检测到的墙壁信息存储在主控制器1中，在电脑鼠搜索到迷宫终点后取出主控制器1中存储的墙壁信息，通过主控制器1中使用的算法，找出最优路径回到迷宫起点，回到起点后再进行一次以最优路径从迷宫起点快速到达迷宫终点的冲刺状态，在冲刺状态中，红外传感器2主要用于电脑鼠姿态的矫正。

在电脑鼠搜索和冲刺时，均需要电机10控制电脑鼠来执行运动动作，主控制器1传输的电机控制信号与电机10由电机接口电路13进行传输，电机10在执行运动动作时，所需要正转的圈数和反转的圈数由电机编码器4进行计算，电机10的正常运转由双路H桥电机驱动电路3进行驱动，而在转弯阶段，陀螺仪5控制电脑鼠转弯的角度，陀螺仪5与双路H桥电机驱动电路3相距1厘米，这样做的目的是克服双路H桥电机驱动电路3在工作时温度上升影响陀螺仪5正常工作，使陀螺仪产生温漂，从而使电脑鼠的转弯角度产生误差。双路H桥电机驱动电路3和陀螺仪5所需的供电电压由稳压芯片8提供。

儿童益智电脑鼠的下载接口16与上位机通过USB接口相连，控制电脑鼠运动的底层驱动程序与上层算法均通过下载接口下载到主控制器1内存中。

刷卡电路接口17外接刷卡电路，儿童通过观察所搭建的迷宫，选择不同的卡在刷卡电路上刷取来控制电脑鼠的运动。

为了增加儿童的兴趣，通过蓝牙接口6外接蓝牙模块，将迷宫信息上传到上位机，通过上位机软件更加直观的显示电脑鼠在迷宫中的运动状况。

机械设计主要对传动齿轮、轮彀和电机支架进行了设计。PCB板(9)作为系统的车体，左、右车轮结构相同，安装在车体两侧，轮彀(11)与电机(10)通过齿轮啮合，电机(10)轴端固定在支撑板(12)上，支撑板(12)安装在PCB板(9)上。

整个儿童益智电脑鼠的所需电流和电压由电池接口15外接1节8.4V锂电池。

电脑鼠在刷卡之前需要按下启动等待按钮14。

图7为本实用新型实施例中儿童益智电脑鼠的工作流程图：

电脑鼠打开电源开关后首先进行系统硬件初始化和读取红外存储值。

当启动键按下后，电脑鼠处于等待状态，这时刷不同的卡就可以控制电脑鼠不同的运动状态，当检测到儿童刷的是搜索状态的卡时，电脑鼠便在迷宫中进行搜索前进。

电脑鼠可以在迷宫中四个角的任意方向作为起点，为了方便记忆路径，采用坐标记忆路径，电脑鼠的默认起点为(0，0)点，并且规定当电脑鼠检测到第一个路口左方有路时，电脑鼠内部程序需要进行一次坐标变换，起点由(0，0)点变为(F，0)点；当电脑鼠检测到第一个路口右方有路时，电脑鼠内部程序不需要进行坐标变换。

电脑鼠在迷宫中搜索前进时不断进行是否到达迷宫终点的判断，当判断到达迷宫终点时，电脑鼠会以最短路径到达起点，回到起点后电脑鼠会进行一次最短路径冲刺，当判断到达终点后，电脑鼠会回到起点，并且停止运行，否则的话继续运行。

当电脑鼠搜索到终点后，电脑鼠会记忆搜索过的路径，并进行规划，找到搜索过的路径中的最短路径，这时可以刷控制冲刺状态的卡，电脑鼠便在迷宫中直接以最短路径冲刺到达迷宫终点。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。