基于ARMCortex―M3内核的光机电一体化系统的设计

点赞:9805 浏览:35998 近期更新时间:2023-12-18 作者:网友分享原创网站原创

【摘 要】本项目主要针对以往在电脑鼠比赛中所发现的电脑鼠硬件及软件存在的种种问题,采用高性能低功耗32位ARM处理器芯片STM32为核心,以新型的伺服直流电机、红外探测模块、无线模块以及陀螺仪等为基础,研制一款速度更快、稳定性能好,更加准确的电脑鼠.

【关 键 词】电脑鼠;Cortex-M3;电机;红外;陀螺仪;测速;上位机

1.概述

人类在科技的发展史上,一直在尝试着想要创造出一个具有肢体、感官、脑力等综合一体的智能机器人,而电脑鼠就是一个很能够用来诠释肢体、感官及脑力综合工作的基本实例,这也是当初电脑鼠被发明的理由,希望能够借助电脑鼠的创作来进而研究与发明更加复杂的机械.21世纪是一个科技化、智能化的世界,对智能化进行更加深入的研究也是我们自动化专业将来发展的一个方向.

这一年来,通过对电脑鼠的不断改进和研究,我们研发了一款新型的电脑鼠,该电脑鼠以ARM_CortexM3为核心,包括电源模块、伺服电机模块、红外测距模块、陀螺仪模块以及蓝牙通信模块.以下针对研发步骤以及在研发过程中遇到的问题进行一些说明.

2.系统硬件设计

2.1电源模块

电压模块我们采用了开关稳压电源以及线性稳压电源,在设计电源时,我们把每个模块都分开来处理,开关稳压电源采用TPS5430芯片,主要给红外发射模块供电,线性稳压电源TPS77301以及TPS76033均输出3.3V,分别给单片机、陀螺仪,电机及红外驱动等供电.

开关稳压电源主要是给红外发射管提供足够大的电流,满足其对发射功率的要求.同时,选择了7.4V的可充电锂电池,一方面,体积小、容量较大,另一方面,可以为电机直接提供电源,无需转换.

2.2伺服直流电机模块

电机是电脑鼠的一个核心部分,以往的电机是采用步进电机,比较好控制,但不能提高速度,本系统选择的电机为FAULHABER1524B-009SR直流伺服电机,该电机自带编码器与减速环,通过两路编码器输出,我们可以很快测出电机的转速以及电机转动的方向.电机驱动芯片我们选取了DRV8833,通过两路PWM控制一个电机以实现正反转.通过测试,电机的转速可从0变化到3000r/min.

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通过伺服直流电机的测速以及单片机的PWM控制,我们通过PID对电机的转速实现闭环控制,提高了准确度.

2.3红外测距模块

红外测距主要使用了四对红外收发管,以实现对前方、左右两侧的墙壁检测,不仅可以判断出是否有墙壁,同时还实现了对墙壁距离的检测,红外不仅仅是实现了从一个开关量到一个模拟数据量的转换.红外发射管选择为普通的红外发射管,红外接收管选择的型号为TSL262R,它将距离转换为电压,通过对电压的测量来得到电脑鼠当前的位置信息.对于红外数据的处理,主要使用了曲线拟合的方式,同时,通过PWM对发射功率进行控制,可以使四个红外基本上一致,得到比较理想的结果.红外发射管需要采用驱动芯片来满足它对发射功率的要求,同时,采用了小电阻对其分压.

2.4陀螺仪模块

陀螺仪的设计主要是为了让电脑鼠在转弯方面得到优化,实现对角度的闭环控制,减少其在弯道上出错的几率.对陀螺仪主要是进行角加速度到角度的转换,以往的电脑鼠上加上小罗盘来对方向进行控制,而电机中的磁场对罗盘的影响很大,使用陀螺仪很好的解决了这一问题,通过对角加速度进行积分可以转换为角度,实现对速度的闭环控制,同时,电路简单,易于缩小电脑鼠的体积.

2.5无线通信模块

在本系统中,无线通信模块主要是为了对电脑鼠进行更方便的调试,在电脑鼠行进的过程中,可以将数据发送回电脑通过对数据的处理实现对电脑鼠更加精确的控制,我们采用了编写上位机的形式,将无线模块采回来的位置进行处理,对迷宫的信息实现实时的记录与控制.无线模块使用的是蓝牙BC04转串口模块.

3.系统总体设计

系统的工作原理:通过微处理器的控制,由电机编码器测速来获取电机的当前速度,通过速度闭环即可实现电脑鼠的直线行走,红外测距避免电脑鼠与墙壁发生碰撞,通过判断有无墙壁来控制电脑鼠转弯,陀螺仪辅助电脑鼠直线行走与转弯,确保电脑鼠转到正确的角度,在正确的方向上行驶,无线通信模块主要通过收发数据来实现对电脑鼠的准确控制.

4.特色与创新

本系统相比以前的电脑鼠而言,有很多优化的地方,这也使得这款电脑鼠在性能上更加先进.

首先,伺服直流电机在电脑鼠上面的使用.以往的电脑鼠为了能够实现更好的控制,往往使用步进电机来控制,虽然步进电机在控制上取得了优势,然而速度却提不上来,尤其是在电脑鼠转弯上面,浪费了大量的时间.我们研究的新型电脑鼠以直流电机为基础,大大提高了电脑鼠的速度,同时,也减小了电脑鼠的体积,使其更加灵活.

其次,红外模块在布局上更加优化,使其测试范围更广,抗干扰能力也得到了增强.而且新型的红外接收头可以将接收到的红外光线的强弱转化为电压的大小,从而实现红外测距的功能.

最后,陀螺仪模块也是这款电脑鼠的特色,以往用步进电机控制的电脑鼠在转弯时不能检测转弯角度是否准确,是一种开环控制,出错概率较大.而陀螺仪可以在转弯时校正旋转角度,实现闭环控制,使控制更加精确、转弯速度大幅提升,出错概率大大减小.


5.结语

自从电脑鼠被发明以来,它就受到了人们的青睐,它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,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.现在国际上每年都有电脑鼠走迷宫的专业比赛,现在这项比赛也成为了各高校的热门科技项目,各高校都对新型电脑鼠进行了一定的研究.它对于机器人、智能车的研究也有很大的帮助,随着技术的发展,电脑鼠也将得到长足的发展.