基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器，包括：主控制單元、第一運動控制單元、第二運動控制單元和電源，所述電源與所述主控制單元電性連接，所述主控制單元包括ARM9處理器和LM629處理器，所述ARM9處理器與所述LM629處理器電性連接，所述LM629處理器分別電性連接所述第一運動控制單元和第二運動控制單元。通過上述方式，本實用新型基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器具有誤干擾率低、控制簡單、穩(wěn)定性好、動態(tài)性能佳、抗干擾能力強、系統(tǒng)調(diào)試簡單等優(yōu)點，在微電腦鼠沖刺控制器的普及上有著廣泛的市場前景。
【專利說明】基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及機(jī)器人領(lǐng)域，特別是涉及一種基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器。
【背景技術(shù)】
[0002]微電腦鼠是使用嵌入式微控制器、傳感器和機(jī)電運動部件構(gòu)成的一種智能行走機(jī)器人，在國外已經(jīng)競賽了將近30年，由其原理可以轉(zhuǎn)化為多種實際的工業(yè)機(jī)器人，近幾年內(nèi)才引進(jìn)國內(nèi)，并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，采用相應(yīng)的算法，快速地到達(dá)所設(shè)定的目的地。一只優(yōu)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(yōu)秀的智能算法。一只完整的微電腦鼠包括傳感器、電機(jī)、算法和微處理器，其中微處理器是微電腦鼠的核心部分，控制并判斷所有信心，包括墻壁信息，位置信息，角度信息和電機(jī)狀態(tài)信息等。
[0003]現(xiàn)有的微處理器一般采用的是單片機(jī)。由于國內(nèi)研發(fā)此機(jī)器人的單位較少，相對研發(fā)水平比較落后，研發(fā)的微電腦鼠在長時間運行發(fā)現(xiàn)存在著很多安全問題，如下:
[0004](I)作為微電腦鼠的眼睛采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；
[0005](2)作為微電腦鼠的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)常會遇到丟失脈沖的問題出現(xiàn)，導(dǎo)致對位置的記憶出現(xiàn)錯誤；
[0006](3)由于采用步進(jìn)電機(jī)，使得機(jī)體發(fā)熱比較嚴(yán)重，不利于在大型復(fù)雜迷宮中探索和沖刺；
[0007](4)由于微電腦鼠伺服系統(tǒng)采用都是比較低級的算法，在迷宮當(dāng)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；
[0008](5)由于微電腦鼠要頻繁的剎車和啟動，加重了單片機(jī)的工作量，單一的單片機(jī)無法滿足微電腦鼠快速啟動和停止的要求；
[0009](6)相對采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；
[0010](7)由于受周圍環(huán)境不穩(wěn)定因素干擾，單片機(jī)控制器經(jīng)常會出現(xiàn)異常，引起微電腦鼠失控，抗干擾能力較差；
[0011](8)對于差速控制的微電腦鼠來說，一般要求其兩個電機(jī)的PWM控制信號要同步，由于受計算能力的限制，單一單片機(jī)伺服系統(tǒng)很難滿足這一條件，使得微電腦鼠在直道上行駛時不能準(zhǔn)確的行走在中線上，為了保證微電腦鼠的準(zhǔn)確定位，伺服系統(tǒng)要來回的補償，使得微電腦鼠在迷宮當(dāng)中搖擺幅度較大，特別是對于快速行走時；
[0012](9)由于受單片機(jī)容量和算法影響，微電腦鼠對迷宮的信息沒有存儲，當(dāng)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；
[0013](10)微電腦鼠在運行過程中，一定遇到撞墻情況都會發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)情況，造成電機(jī)瞬間電流過大，嚴(yán)重時燒壞電機(jī)。實用新型內(nèi)容
[0014]本實用新型主要解決的技術(shù)問題是提供一種基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器，為克服單一單片機(jī)不能滿足微電腦鼠行走的穩(wěn)定性和快速性的要求，舍棄了國產(chǎn)微電腦鼠所采用的單一單片機(jī)工作模式，在吸收國外先進(jìn)控制思想的前提下，自主實用新型了基于ARM9+LM629的全新控制模式。微電腦鼠兩軸伺服控制系統(tǒng)以ARM9微處理器為核心，以LM629作為伺服控制調(diào)節(jié)器，以PWM功放電路為驅(qū)動器，以光電編碼器為反饋元件來構(gòu)成電機(jī)伺服系統(tǒng)。其中位置、速度、電流等調(diào)節(jié)器的功能都由微處理器來完成，其速度反饋由微處理器根據(jù)位置反饋量計算。同時ARM9實現(xiàn)部分的信號處理算法和LM629的控制邏輯，并響應(yīng)中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號，簡化操作，提高效率，在基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器的普及上有著廣泛的市場前景。
[0015]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器，包括:主控制單元、第一運動控制單元、第二運動控制單元和電源，所述電源與所述主控制單元電性連接，所述主控制單元包括ARM9處理器和LM629處理器，所述ARM9處理器與所述LM629處理器電性連接，所述LM629處理器分別電性連接所述第一運動控制單元和第二運動控制單元，所述第一運動控制單元和第二運動控制單元均連接有光電編碼器，所述電源為鋰離子電池。
[0016]在本實用新型一個較佳實施例中，所述第一運動控制單元和第二運動控制單元均包括運動控制器和電機(jī)，所述運動控制器與電機(jī)電性連接。
[0017]在本實用新型一個較佳實施例中，所述運動控制器包括基于編碼反饋的伺服控制單元、數(shù)據(jù)存儲單元和輸入輸出單元，所述伺服控制驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)存儲單元和輸入輸出單元均與所述LM629處理器電性連接。
[0018]在本實用新型一個較佳實施例中，所述電機(jī)為高速直流電機(jī)。
[0019]在本實用新型一個較佳實施例中，所述主控制單元還外接有上位機(jī)控制單元，所述上位機(jī)控制單元包括迷宮讀取單元、坐標(biāo)定位單元和在線輸出單元，所述迷宮讀取單元、坐標(biāo)定位單元和在線輸出單元均與所述ARM9處理器電性連接。
[0020]在本實用新型一個較佳實施例中，所述光電編碼器為采用512線光碼盤。
[0021]在本實用新型一個較佳實施例中，所述LM629處理器還外接脈沖寬度調(diào)制功放電路作為驅(qū)動電路。
[0022]在本實用新型一個較佳實施例中，所述主控制單元還連接有至少6個傳感器，所述傳感器為超聲波傳感器或紅外線傳感器。
[0023]在本實用新型一個較佳實施例中，所述電機(jī)還連接車輪，所述車輪的數(shù)量與所述電機(jī)的數(shù)量相同。
[0024]本實用新型的有益效果是:本實用新型基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器具有誤干擾率低、控制簡單、穩(wěn)定性好、動態(tài)性能佳、抗干擾能力強、系統(tǒng)調(diào)試簡單等優(yōu)點，在微電腦鼠沖刺控制器的普及上有著廣泛的市場前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術(shù)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，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中:
[0026]圖1是本實用新型的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器一較佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2是本實用新型的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器一較佳實施例的原理圖；
[0028]圖3是本實用新型的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器一較佳實施例的程序框圖；
[0029]圖4是本實用新型的基于雙核的兩輪微電腦鼠一較佳實施例的二維示意圖；
[0030]附圖中各部件的標(biāo)記如下:1、主控制單元，2、第一運動控制單元，3、第二運動控制單元，4、電源。
【具體實施方式】
[0031]下面將對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)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?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├绢I(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本實用新型保護(hù)的范圍。
[0032]請參閱圖1至圖3，本實用新型實施例包括:
[0033]—種基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器，包括:主控制單兀1、第一運動控制單元2、第二運動控制單元3和電源4。
[0034]所述電源4與所述主控制單元I電性連接，所述主控制單元I包括ARM9處理器和LM629處理器，所述ARM9處理器與所述LM629處理器電性連接以控制所述LM629處理器的工作或中斷，所述LM629處理器分別電性連接所述第一運動控制單元2和第二運動控制單元3，所述第一運動控制單元2和第二運動控制單元3均連接有光電編碼器，所述電源為鋰離子電池。
[0035]優(yōu)選地，所述第一運動控制單元和第二運動控制單元均包括運動控制器和電機(jī)，所述運動控制器與電機(jī)電性連接。
[0036]優(yōu)選地，所述運動控制器包括基于編碼反饋的伺服控制單元、數(shù)據(jù)存儲單元和輸入輸出單元，所述伺服控制驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)存儲單元和輸入輸出單元均與所述LM629處理器電性連接。
[0037]優(yōu)選地，所述電機(jī)為高速直流電機(jī)。
[0038]優(yōu)選地,所述主控制單元還外接有上位機(jī)控制單元,所述上位機(jī)控制單元包括迷宮讀取單元、坐標(biāo)定位單元和在線輸出單元，所述迷宮讀取單元、坐標(biāo)定位單元和在線輸出單元均與所述ARM9處理器電性連接。
[0039]優(yōu)選地，所述光電編碼器為采用512線光碼盤，每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出512個脈沖。
[0040]優(yōu)選地，所述LM629處理器還外接脈沖寬度調(diào)制功放電路作為驅(qū)動電路。
[0041]優(yōu)選地，所述主控制單元還連接有至少6個傳感器，所述傳感器為超聲波傳感器或紅外線傳感器，用于感應(yīng)并傳輸外接環(huán)境信息。[0042]優(yōu)選地，所述電機(jī)還連接車輪，所述車輪的數(shù)量與所述電機(jī)的數(shù)量相同。
[0043]本實用新型的工作原理為:
[0044](I)為了能夠驅(qū)動微電腦鼠進(jìn)行運動，本控制系統(tǒng)引入了兩片LM629，但是通過I/
O口與ARM9進(jìn)入實時通訊，由ARM9控制其開通和關(guān)斷，進(jìn)而實現(xiàn)兩只獨立電機(jī)的啟動和停止;
[0045](2)打開電源開關(guān)瞬間，ARM9會對電池電壓進(jìn)行檢測，如果低壓的話，將禁止LM629工作，電機(jī)X和電機(jī)Y不能自鎖，同時電壓傳感器S7將工作，并提示報警信號；
[0046](3)如果電壓正常，系統(tǒng)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(xiàn)故障，系統(tǒng)將自動復(fù)位，重新檢測，如有問題，將報警；
[0047](4)系統(tǒng)初始化正常后，將對LM629系統(tǒng)進(jìn)行檢測。對于基于LM629的系統(tǒng)來說，“忙”狀態(tài)的檢測是整個伺服系統(tǒng)設(shè)計的首要部分，在處理器向LM629寫命令或者讀寫數(shù)字后，“忙”狀態(tài)位會被立刻置位，此時，會忽略一切命令數(shù)據(jù)傳輸，直至“忙”狀態(tài)被復(fù)位，所以在每次運動之前先檢測此狀態(tài)位，判斷是否為“忙”，如果是“忙”要進(jìn)行軟件復(fù)位，使系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊；
[0048](5)對于基于LM629的系統(tǒng)來說，復(fù)位也是LM629伺服系統(tǒng)操作中重要的一個環(huán)節(jié)，復(fù)位后，查看LM629的狀態(tài)字，如果不等于84H或者C4H，說明硬件復(fù)位失敗，必須重新復(fù)位，否則LM629不可以正常工作；
[0049](6)在微電腦運動過程中，傳感器S1、S2、S3、S4、S5、S6判斷周圍迷宮的環(huán)境信息并送給ARM9，ARM9把這些環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)化為微電腦鼠左右輪要運行的距離、速度和加速度指令值，ARM9然后與LM629通訊，傳輸這些參數(shù)給LM629，然后由LM629結(jié)合光電編碼器和電流傳感器的反饋生成速度-時間運動梯形圖，這個梯形包含的面積就是微電腦鼠兩個電機(jī)X和電機(jī)Y要運行的距離S ;
[0050](7)在運動過程中如果微電腦鼠發(fā)現(xiàn)迷宮求解出現(xiàn)死循環(huán)將向ARM9發(fā)出中斷請求，ARM9會對中斷做第一時間響應(yīng)，如果ARM9的中斷響應(yīng)沒有來得及處理，微電腦鼠的X電機(jī)和Y電機(jī)將原地自鎖；
[0051](8)裝在電機(jī)X和電機(jī)Y上的光電編碼器會輸出其位置信號A和位置信號B,光電編碼器的位置信號A脈沖和B脈沖邏輯狀態(tài)每變化一次，LM629內(nèi)的位置寄存器會根據(jù)左右輪的運行方向加I或者是減I ;
[0052](9)光電編碼器的位置信號A脈沖和B脈沖和Z脈沖同時為低電平時，就產(chǎn)生一個INDEX信號給LM629寄存器，記錄電機(jī)的絕對位置，然后換算成微電腦鼠在迷宮中的具體位置；
[0053](10) ARM9根據(jù)微電腦鼠在迷宮的具體位置，送相應(yīng)的加速度、速度和位置數(shù)據(jù)等給LM629的梯形圖發(fā)生器作為參考值，LM629結(jié)合光電編碼器的反饋生成新的梯形圖，由此梯形圖就可以計算出微電腦鼠需要更新的實際加速度、速度和位置信號；
[0054](11)由梯形圖發(fā)生器結(jié)合電機(jī)位置解碼決定的數(shù)字PID控制器生成功率驅(qū)動橋需要的PWM波信號和電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號，用來實現(xiàn)微電腦鼠系統(tǒng)電機(jī)X和電機(jī)Y的伺服控制；
[0055](12)如果微電腦鼠在運行過程中遇到故障撞墻時，電機(jī)的電流將增大，當(dāng)超過設(shè)定值時，LM629的中斷命令LPES將會向控制器發(fā)出中斷請求，此時控制器會立即控制LM629停止工作，從而有效地解決了堵轉(zhuǎn)問題；[0056](13)微電腦鼠在運行過程會時刻檢測電池電壓，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)低壓時，傳感器S7將開啟并發(fā)出報警提示，有效地保護(hù)了鋰離子電池；
[0057](14)在微電腦鼠運行過程中，ARM9會對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行在線辨識，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩受到外界干擾出現(xiàn)較大抖動時，控制器會利用電機(jī)力矩與電流的關(guān)系進(jìn)行時候補償，減少了電機(jī)轉(zhuǎn)矩抖動對微電腦鼠快速探索和沖刺的影響。
[0058]本實用新型基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器的有益效果是:
[0059](I)在運動過程中，充分考慮了電池在這個系統(tǒng)中的作用，基于ARM+LM629控制器時刻都在對微電腦鼠的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和運算，避免了大電流的產(chǎn)生，所以從根本上解決了大電流對鋰離子電池的沖擊，避免了由于大電流放電而引起鋰離子電池過度老化現(xiàn)象的發(fā)生；
[0060](2)由ARM+LM629處理微電腦鼠的兩只直流電機(jī)的獨立伺服控制，充分發(fā)揮ARM9控制方面的特長以及LM629 PID調(diào)節(jié)器的作用，使得控制比較簡單，大大提高了運算速度，解決了單片機(jī)軟件運行較慢的瓶頸，縮短了開發(fā)周期短，并且程序可移植能力強；
[0061](3)本實用新型基本實現(xiàn)全貼片元器件材料，實現(xiàn)了單板控制，不僅節(jié)省了控制板占用空間，而且有利于體積和重量的減輕，有利于提高微電腦鼠系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性倉泛;
[0062](4)為了提高運算速度和精度，本微電腦鼠采用了國際上使用最多的紅外傳感器0PE5594A，使得運算精度大大提高；
[0063](5)由于本控制器采用LM629處理大量的數(shù)據(jù)與算法，把ARM9從繁重的工作量中解脫出來，有效地防止了程序的“跑飛”，抗干擾能力大大增強；
[0064](6)由LM629輸出PWM調(diào)制信號和方向信號，通過驅(qū)動電路可以直接驅(qū)動直流電機(jī)，不僅減輕了 ARM的負(fù)擔(dān)，簡化了接口電路，而且省去了 ARM內(nèi)部編寫位置、速度控制程序，以及各種PID算法的麻煩，使得系統(tǒng)的調(diào)試簡單；
[0065](7)在微電腦鼠運行過程中，ARM9會對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行在線辨識并利用電機(jī)力矩與電流的關(guān)系進(jìn)行補償，減少了電機(jī)轉(zhuǎn)矩抖動對微電腦鼠快速探索和沖刺的影響；
[0066](8)在控制中，ARM9可以根據(jù)實際周圍迷宮情況調(diào)整LM629內(nèi)部的PID參數(shù)，輕松實現(xiàn)分段P、PD、PID控制和非線性PID控制，使系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)；
[0067](9)LM629獨有的中斷命令LPES可以很好的解決微電腦鼠在運行過程中遇到撞墻情況發(fā)生的電機(jī)堵轉(zhuǎn)，利用中斷命令LPES可在輸出超出設(shè)定值時立即停止輸出并發(fā)出中斷指令，從而有效地解決了堵轉(zhuǎn)問題；
[0068](10)由于具有存儲功能，這使得微電腦鼠掉電后可以輕易的調(diào)取已經(jīng)探索好的迷宮信息，使二次探索的時間和路徑大大降低；
[0069](1DLM629的PID控制及運動控制類指令采用雙緩沖結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)首先寫入主寄存器，只有在寫入相關(guān)命令后主寄存器的數(shù)據(jù)才能進(jìn)一步裝入工作寄存器，這樣很容易實現(xiàn)左右輪的同步，使得左右輪具有良好的同步性。
[0070]以上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關(guān)的【技術(shù)領(lǐng)域】，均同理包括在本實用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，包括:主控制單元、第一運動控制單元、第二運動控制單元和電源，所述電源與所述主控制單元電性連接，所述主控制單元包括ARM9處理器和LM629處理器，所述ARM9處理器與所述LM629處理器電性連接，所述LM629處理器分別電性連接所述第一運動控制單元和第二運動控制單元，所述第一運動控制單元和第二運動控制單元均連接有光電編碼器，所述電源為鋰離子電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，所述第一運動控制單元和第二運動控制單元均包括運動控制器和電機(jī)，所述運動控制器與電機(jī)電性連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，所述運動控制器包括基于編碼反饋的伺服控制單元、數(shù)據(jù)存儲單元和輸入輸出單元，所述伺服控制驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)存儲單元和輸入輸出單元均與所述LM629處理器電性連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，所述電機(jī)為高速直流電機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，所述主控制單元還外接有上位機(jī)控制單元，所述上位機(jī)控制單元包括迷宮讀取單元、坐標(biāo)定位單元和在線輸出單元，所述迷宮讀取單元、坐標(biāo)定位單元和在線輸出單元均與所述ARM9處理器電性連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，所述光電編碼器為采用512線光碼盤。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，所述LM629處理器還外接脈沖寬度調(diào)制功放電路作為驅(qū)動電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，所述主控制單元還連接有至少6個傳感器，所述傳感器為超聲波傳感器或紅外線傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，所述電機(jī)還連接車輪，所述車輪的數(shù)量與所述電機(jī)的數(shù)量相同。
【文檔編號】G05D1/02GK203535476SQ201320569875
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】張好明, 王應(yīng)海 申請人:蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院