基于STM32的迷宫电脑鼠控制系统设计与实现

基于STM32的迷宫电脑鼠控制系统设计与实现

张月芹;尹涓;鞠欢;张博炜

【摘要】针对电脑鼠走迷宫的功能要求,设计了一个两轮智能电脑鼠,并详细设计了其控制系统.采用两片STM32作为主从控制器,以增强电脑鼠实时控制及运算功能.采用红外传感器进行测距,选用具有精密高速跟踪能力的ADNS-9500光学传感器取代常用的陀螺仪检测电脑鼠位置.进行了电脑鼠走迷宫实验,并可通过上位机实时监控电脑鼠行走路线.结果表明车体运行平稳灵活,控制系统实时性强、控制精度高,能够快速搜索迷宫,有效提高了电脑鼠走迷宫的功能.

【期刊名称】《机电工程技术》

【年(卷),期】2016(045)012

【总页数】6页(P1-6)

【关键词】电脑鼠;STM32F103C8T6;红外传感器;ADNS-9500;PID控制

【作者】张月芹;尹涓;鞠欢;张博炜

【作者单位】南京航空航天大学金城学院机电工程系,江苏南京 211156;南京航空航天大学金城学院机电工程系,江苏南京 211156;南京航空航天大学金城学院机电工程系,江苏南京 211156;南京航空航天大学金城学院机电工程系,江苏南京211156

【正文语种】中文

【中图分类】TP242.6

在机器人技术高速发展的今天，随着人工智能研究的不断深入，智能机器人的研究成为当前的一个热点[1-4]。走迷宫机器人，俗称“电脑鼠”，是一种竞技性智能

机器人，研究其对未知环境的自主探测、动态决策与路径规划的能力，成为机器人技术的一个重要分支。

本文按照IEEE标准迷宫尺寸，完成了一个结构小巧灵活、能够以最大加速度达5

m/s2、最大速度达3 m/s快速运行的智能电脑鼠小车。以高性能STM32为控制器，采用模块化思想，搭建了电脑鼠硬件控制平台。进行了电脑鼠走迷宫实验，结果表明该控制系统实时性强、控制精度高，有效提高了电脑鼠走迷宫的功能。IEEE标准迷宫尺寸为2.96 m×2.96 m，其行列各有16个18 cm×18 cm的方格。为便于识别各迷宫格，每个方格用坐标编号，根据IEEE比赛规则，电脑鼠起点在S，终点在G，如图1所示。电脑鼠放入起点启动后，在未知迷宫路径的情况下，根据预先设定的搜索算法[5]，借助自身的“肢体—电动机”、“感官—传感器”

和“大脑—控制器”间的协调工作，自行探索迷宫格信息，选择从起点到终点的

最优路径，并以最快的速度从起点穿越迷宫冲刺到终点，即完成一次走迷宫任务[6]。

要实现走迷宫，电脑鼠的机械结构及控制系统都应具有较高的要求。

（1）机械结构要求

由于IEEE迷宫格间距为标准尺寸，电脑鼠要在迷宫格里自由运行并转向，其整车

尺寸受到限制，应设计为灵活的小体积车辆。

（2）行走要求

电脑鼠在行走过程中，需要利用传感器检测车轮的速度，并传输到控制器，驱动电动机带动车轮产生相应的动作，实现电脑鼠直行、转弯、加速、减速及制动等行走功能。

（3）壁障要求

电脑鼠行走时，需要利用传感器检测迷宫墙壁的信息，控制器收到墙壁信息控制电动机以调整车轮的转速，转弯时还需矫正电脑鼠的姿态，以避免电脑鼠撞墙。（4）探索及记忆路径的要求

电脑鼠搜索迷宫时，需要检测电动机转速及位置，能够根据算法策略实现对迷宫的搜索及对路径的记忆，根据搜索的信息计算出最佳路径，并以最快的速度从起点冲刺到终点。

为此，本文采用两轮共轴式结构设计了图2所示的电脑鼠，其长×宽×高为78 mm×58 mm× 24 mm，该尺寸能保证电脑鼠在狭小的迷宫格里灵活直行、定半径转弯、原地旋转和沿45°角斜线行走等功能。传动系统由直流电机经58∶15的一级减速齿轮减速后，带动车轮转动，改变两轮的转速差即可实现直行和定半径转弯等功能。采用红外收发器固定座以保证红外线发射和接收的角度，还可防止红外线散射导致相邻接收器的干扰，降低环境光源对红外线接收管的影响。以控制电路板作为底盘，简化了结构，减小了电脑鼠的体积和重量。合理布置底盘上各零部件的位置，以平衡小车的整体重心，并减小转动惯量。采用12 V锂电池供电，如图2（b）中白色部分。

2.1 整体控制电路

系统硬件结构组成如图3。电源模块采用12 V锂电池给直流电动机供电，通过稳压电路提供5 V、3.3 V的电压，分别为红外传感器、STM32及ADNS-9500提供动力。

2.2 微控制器

采用两个基于 Cortex-M3内核的 32位STM32F103C8T6作为控制器，以提高系统的响应能力及控制功能。电脑鼠的一切运算及运动功能均由这两个控制器完成，其中一个为主控制器，运行底层算法，检测迷宫墙壁信息，调整直流电机转速、电脑鼠运行姿态及定位等；另一个为从控制器，处理高层算法，存储迷宫墙壁信息、

探索路径和运行最优路径的算法策略等，并将运算结果传输给主控制器以控制电脑鼠的运动。两个控制器通过串口通信联机操作。

2.3 直流电动机控制系统

2.3.1 电动机的选型

选用德国Faulhaber直流电机1524B009SR，其额定电压为9 V，输出功率为1.88 W，空载转速为10 100 r/min，堵转转矩为7.12 mN·m。为保证车轮具有足够大的抓地力，所选轮胎与迷宫地面的摩擦系数不小于0.5，电脑鼠质量为110 g，可满足最大加速度5 m/s2、最大速度3 m/s的使用要求。

2.3.2 驱动模块

采用全桥MOSFET驱动电路调节电机的转速及转向。驱动芯片选用

ZXMHC3F381N8，其内部集成了两个N沟道和两个P沟道MOSFET，最高耐压为30 V，能满足电机的工作转矩和转速要求。MOSFET驱动器选用

MAX4427CSA，最大电流为1.5 A，其一路输出可同时控制一个P沟道和N沟道MOSFET，输出高电平时，N沟道GS端高电平则MOSFET导通，P沟道GS端高电平则MOSFET截止，这样可以避免因程序的误操作，而使上下桥同时导通烧毁元器件。驱动电路原理如图4，L_PWM和 L_DIR分别接 STM32F103C8T6的TIM1_CH4和TIM1_CH3，P6的1与2接直流电机。

2.3.3 编码器测速模块

采用电机自带的IE2-512增量式编码器来检测电机的位置及转速，该编码器采用4倍频技术，可输出相差四分之一周期的A、B两路方波。通过检测两通道的相位差可确定电动机转向，测量任一通道的频率可得电动机转速，而记录某时间段内的脉冲数即可计算这段时间走过的路程。

STM32F103C8T6的TIM2_CH1和TIM2_CH2检测左电机转速，TIM4_CH1和TIM4_CH2检测右电机转速。假设电脑鼠最高速度V=3.8 m/s，轮胎直径D=24