基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(tǒng)控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(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和第二運動控制單元。通過上述方式，本發(fā)明基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(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字伺服系統(tǒng)控制器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人領域，特別是涉及一種基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(tǒng)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(yè)機器人，近幾年內才引進國內，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，采用相應的算法，快速地到達所設定的目的地。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、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，角度信息和電機狀態(tài)信息等。
[0003]現有的微處理器一般采用的是單片機。由于國內研發(fā)此機器人的單位較少，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)現存在著很多安全問題，如下:
(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；
(2)作為微電腦鼠的執(zhí)行機構采用的是步進電機，經常會遇到丟失脈沖的問題出現，導致對位置的記憶出現錯誤；
(3)由于采用步進電機，使得機體發(fā)熱比較嚴重，不利于在大型復雜迷宮中探索和沖
刺；
(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；
(5)由于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；
(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；
(7)由于受周圍環(huán)境不穩(wěn)定因素干擾，單片機控制器經常會出現異常，引起微電腦鼠失控，抗干擾能力較差；
(8 )對于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，由于受計算能力的限制，單一單片機伺服系統(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(tǒng)要來回的補償，使得微電腦鼠在迷宮當中搖擺幅度較大，特別是對于快速行走時；
(9)由于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；
(10)微電腦鼠在運行過程中，一定遇到撞墻情況都會發(fā)生電機堵轉情況，造成電機瞬間電流過大,嚴重時燒壞電機。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明主要解決的技術問題是提供一種基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(tǒng)控制器，為克服單一單片機不能滿足微電腦鼠行走的穩(wěn)定性和快速性的要求，舍棄了國產微電腦鼠所采用的單一單片機工作模式，在吸收國外先進控制思想的前提下，自主發(fā)明了基于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作為伺服控制調節(jié)器，以PWM功放電路為驅動器，以光電編碼器為反饋元件來構成電機伺服系統(tǒng)。其中位置、速度、電流等調節(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位置反饋量計算。同時ARM9實現部分的信號處理算法和LM629的控制邏輯，并響應中斷，實現數據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字伺服系統(tǒng)控制器的普及上有著廣泛的市場前景。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(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。
[0006]在本發(fā)明一個較佳實施例中，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，所述運動控制器與電機電性連接。
[0007]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述運動控制器包括基于編碼反饋的伺服控制單元、數據存儲單元和輸入輸出單元，所述伺服控制驅動單元、數據存儲單元和輸入輸出單元均與所述LM629處理器電性連接。
[0008]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述電機為高速直流電機。
[0009]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述主控制單元還外接有上位機控制單元，所述上位機控制單元包括迷宮讀取單元、坐標定位單元和在線輸出單元，所述迷宮讀取單元、坐標定位單元和在線輸出單元均與所述ARM處理器電性連接。
[0010]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述光電編碼器為米用512線光碼盤,每轉一轉輸出512個脈沖。
[0011]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述LM629處理器還外接脈沖寬度調制功放電路作為驅動電路。
[0012]在本發(fā)明一個較佳實施例中，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，用于感應并傳輸外接環(huán)境信息。
[0013]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述電機還連接車輪，所述車輪的數量與所述電機的數量相同。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(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】[0015]為了更清楚地說明本發(fā)明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發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)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:
圖1是本發(fā)明的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(tǒng)控制器一較佳實施例的結構示意圖；
圖2是本發(fā)明的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(tǒng)控制器一較佳實施例的原理圖；
圖3是本發(fā)明的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(tǒng)控制器一較佳實施例的程序框圖；
圖4是本發(fā)明的基于雙核的兩輪微電腦鼠一較佳實施例的二維示意圖；
附圖中各部件的標記如下: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】
[0016]下面將對本發(fā)明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發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0017]請參閱圖1至圖3，本發(fā)明實施例包括:
一種基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(tǒng)控制器，包括:主控制單元1、第一運動控制單元2、第二運動控制單元3和電源4。
[0018]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。
[0019]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，所述運動控制器與電機電性連接。
[0020]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、數據存儲單元和輸入輸出單元，所述伺服控制驅動單元、數據存儲單元和輸入輸出單元均與所述LM629處理器電性連接。
[0021]優(yōu)選地，所述電機為高速直流電機。
[0022]優(yōu)選地,所述主控制單元還外接有上位機控制單元,所述上位機控制單元包括迷宮讀取單元、坐標定位單元和在線輸出單元，所述迷宮讀取單元、坐標定位單元和在線輸出單元均與所述ARM處理器電性連接。
[0023]優(yōu)選地，所述光電編碼器為采用512線光碼盤，每轉一轉輸出512個脈沖。
[0024]優(yōu)選地，所述LM629處理器還外接脈沖寬度調制功放電路作為驅動電路。
[0025]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，用于感應并傳輸外接環(huán)境信息。
[0026]優(yōu)選地，所述電機還連接車輪，所述車輪的數量與所述電機的數量相同。
[0027]本發(fā)明的工作原理為:
Cl)為了能夠驅動微電腦鼠進行運動，本控制系統(tǒng)引入了兩片LM629，但是通過I/O 口與ARM9進入實時通訊，由ARM9控制其開通和關斷，進而實現兩只獨立電機的啟動和停止；
(2)打開電源開關瞬間，ARM9會對電池電壓進行檢測，如果低壓的話，將禁止LM629工作，電機X和電機Y不能自鎖，同時電壓傳感器S7將工作，并提示報警信號；
(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故障，系統(tǒng)將自動復位，重新檢測，如有問題，將報警；
(4)系統(tǒng)初始化正常后，將對LM629系統(tǒng)進行檢測。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)設計的首要部分，在處理器向LM629寫命令或者讀寫數字后，“忙”狀態(tài)位會被立刻置位，此時，會忽略一切命令數據傳輸，直至“忙”狀態(tài)被復位，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”要進行軟件復位，使系統(tǒng)可以進行數據通訊；
(5)對于基于LM629的系統(tǒng)來說，復位也是LM629伺服系統(tǒng)操作中重要的一個環(huán)節(jié)，復位后，查看LM629的狀態(tài)字，如果不等于84H或者C4H，說明硬件復位失敗，必須重新復位,否則LM629不可以正常工作；
(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，ARM9然后與LM629通訊，傳輸這些參數給LM629，然后由LM629結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X和電機Y要運行的距離S ;
(7)在運動過程中如果微電腦鼠發(fā)現迷宮求解出現死循環(huán)將向ARM9發(fā)出中斷請求，ARM9會對中斷做第一時間響應，如果ARM9的中斷響應沒有來得及處理，微電腦鼠的X電機和Y電機將原地自鎖；
(8)裝在電機X和電機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內的位置寄存器會根據左右輪的運行方向加I或者是減I ;
(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，就產生一個INDEX信號給LM629寄存器，記錄電機的絕對位置，然后換算成微電腦鼠在迷宮中的具體位置；
(10)ARM9根據微電腦鼠在迷宮的具體位置，送相應的加速度、速度和位置數據等給LM629的梯形圖發(fā)生器作為參考值，LM629結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；
(11)由梯形圖發(fā)生器結合電機位置解碼決定的數字PID控制器生成功率驅動橋需要的PWM波信號和電機正反轉信號,用來實現微電腦鼠系統(tǒng)電機X和電機Y的伺服控制；
(12)如果微電腦鼠在運行過程中遇到故障撞墻時，電機的電流將增大，當超過設定值時，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問題； (13)微電腦鼠在運行過程會時刻檢測電池電壓，當系統(tǒng)出現低壓時，傳感器S7將開啟并發(fā)出報警提示，有效地保護了鋰離子電池；
(14)在微電腦鼠運行過程中，ARM9會對電機的轉矩進行在線辨識，當電機的轉矩受到外界干擾出現較大抖動時，控制器會利用電機力矩與電流的關系進行時候補償，減少了電機轉矩抖動對微電腦鼠快速探索和沖刺的影響。
[0028]本發(fā)明基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(tǒng)控制器的有益效果是:
(1)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)進行監(jiān)測和運算，避免了大電流的產生，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象的發(fā)生；
(2)由ARM+LM629處理微電腦鼠的兩只直流電機的獨立伺服控制，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；
(3)本發(fā)明基本實現全貼片元器件材料，實現了單板控制，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)性能；
(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；
(5)由于本控制器采用LM629處理大量的數據與算法，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；
(6)由LM629輸出PWM調制信號和方向信號，通過驅動電路可以直接驅動直流電機，不僅減輕了 ARM的負擔，簡化了接口電路，而且省去了 ARM內部編寫位置、速度控制程序，以及各種PID算法的麻煩，使得系統(tǒng)的調試簡單；
(7)在微電腦鼠運行過程中，ARM9會對電機的轉矩進行在線辨識并利用電機力矩與電流的關系進行補償，減少了電機轉矩抖動對微電腦鼠快速探索和沖刺的影響；
(8)在控制中，ARM9可以根據實際周圍迷宮情況調整LM629內部的PID參數，輕松實現分段P、PD、PID控制和非線性PID控制，使系統(tǒng)具有一定的自適應；
(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)生的電機堵轉，利用中斷命令LPES可在輸出超出設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問題；
(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取已經探索好的迷宮信息，使二次探索的時間和路徑大大降低；
(1DLM629的PID控制及運動控制類指令采用雙緩沖結構，數據首先寫入主寄存器，只有在寫入相關命令后主寄存器的數據才能進一步裝入工作寄存器，這樣很容易實現左右輪的同步，使得左右輪具有良好的同步性。
[0029]以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明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】，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內。
【權利要求】
1.一種基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(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.根據權利要求1所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(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，所述運動控制器與電機電性連接。
3.根據權利要求2所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(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、數據存儲單元和輸入輸出單元，所述伺服控制驅動單元、數據存儲單元和輸入輸出單元均與所述LM629處理器電性連接。
4.根據權利要求2所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，所述電機為高速直流電機。
5.根據權利要求1所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，所述主控制單元還外接有上位機控制單元，所述上位機控制單元包括迷宮讀取單元、坐標定位單元和在線輸出單元，所述迷宮讀取單元、坐標定位單元和在線輸出單元均與所述ARM處理器電性連接。
6.根據權利要求1所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，所述光電編碼器為米用512線光碼盤,每轉一轉輸出512個脈沖。
7.根據權利要求1所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，所述LM629處理器還外接脈沖寬度調制功放電路作為驅動電路。
8.根據權利要求1所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(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，用于感應并傳輸外接環(huán)境信息。
9.根據權利要求2所述的基于雙核的兩輪微電腦鼠全數字伺服系統(tǒng)控制器，其特征在于，所述電機還連接車輪，所述車輪的數量與所述電機的數量相同。
【文檔編號】G05D1/02GK103472829SQ201310418311
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權日:2013年9月16日
【發(fā)明者】張好明, 王應海 申請人:蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術學院