基于ARM Cortex-M3的电脑鼠控制系统研究

电脑鼠(micromouse)是一种由微处理器控制的集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的微型机器人。目前大多数电脑鼠采用Luminarv Micro Stellaris R系列LM3S101、LM3S102、LM3S615或者单片机微控制器，其红外检测模块采用了一体式红外传感器，只能判断有无障碍物，无法进行测距；电机部分采用步进电机，耗电大、速度慢；此外软件系统多采用传统中左或中右算法，效率较低。本文设计了基于Cortex-M3内核的32位ARM芯片STM32F103RCT6作为运算控制中心，由其产生PWM信号调制红外发射接收实现测距，配套空心杯直流电机，通过改进智能迷宫算法，使电脑鼠出色高效地完成迷宫搜寻及冲刺任务。

1 电脑鼠工作原理
     电脑鼠周围安装六组红外传感器，分别感知左方、左前方、前方、右前方、右方，发射端发射一定频率的红外线，接收端通过六个方向的反射波来判断是否有障碍物，实时地储存单元格的资料，通过六组红外传感器反馈的迷宫信息，控制电脑鼠完成避障、转弯、加速等动作，运用智能算法对迷宫的部分单元格或全部单元格进行遍历，并将迷宫的信息以有效的数据结构存储，微控制器根据这些记录信息运用迷宫高效算法找到一条最优化路径，从而实现从起点到终点的最大化冲刺。

2 硬件电路设计
     为完成迷宫探测和冲刺任务，电脑鼠需具备以下各功能模块：ARM微处理器作为控制核心协调各功能模块正常工作；电机及驱动模块实时控制电机启动、制动；红外检测模块负责红外线探测感知；电源为整个系统供电稳定电压，陀螺仪及指南针模块确定电脑鼠方位，根据走过的距离，从而解析出所在坐标。硬件组成如图1所示。
   
   
2．1 电源模块
     电源调节器件通常使用线性稳压器件(如LM7805)，具有输出电压可调、稳压精度高的优点，但是其线性调整工作方式在工作有较大的“热损耗”，导致电源利用率不高、满足不了便携低功耗需求。开关电源调节器，不同于线性稳压器件，以完全导通或关断的方式工作，通过控制开关管的导通与截止时间，有效的减少工作中的“热损耗”，提高了电源利用率。本设计中电源模块为系统提供三种不同的电压，12V电源用于驱动电机，使用开关式电源LM2596将12V直流电压降到5V给红外模块、人机交互模块供电，再通过AMS1117将5V降到3．3V，供ARM处理器及其他模块使用。
2．2 微处理器模块
    微处理器是整个控制系统的核心，它完成从红外检测模块获取路径信息，采集瞬时速度，进行数据处理，控制算法运算，输出实时控制量等功能。为了保证系统的实用性和易扩展性，本控制系统采用意法半导体推出的“增强型”系列STFM32F103RCT6，STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARM Correx-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I／O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN，在存储容量和运算速度方面满足要求。
2．3 电机及驱动模块
    为提高系统功率、降低功耗，驱动电路采用基于脉宽调制方式的集成电路芯片L298N。比较常见的是15脚Muliwart封装的L298N，内部包含四通道逻辑驱动电路，即内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，可以驱动和控制两个直流电机，芯片采用供给电机电源和逻辑电平电源的双电源供电，可接受标准TTL逻辑电平信号，驱动46V，2A以下的电机，并可驱动电感性负载。其中ENA、ENB是控制使能端，IN1、IN 2、IN3、IN4是控制电平输入端，电路如图2所示。本设计中采用空心杯直流电机，它具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，最大效率一般在70％以上，部分产品可达到90％以上；起动、制动迅速，响应极快；其重量、体积相对减少1／3-1／2，通过PWM调节脉冲占空比进行调速。
   
   
2．4 红外检测模块
     红外检测模块主要负责迷宫环境监测和处理。红外线经调制后由发射管发出，接收管接收迷宫墙壁反射光，根据接收反射信号强弱来判断与隔墙的距离。本系统相对传统红外检测方法做如下特点：
(1)红外传感器由原来的5组增加到6组。除了正前、正左、正右以及正前方两个45度斜角外，正前方增加1组红外传感器，通过正前方两组传感器信息的融合实现路口45度斜走，相对于以往的90度直角调整，节约了时间，提高了效率。
(2)采用基于双T选频网络的放大器设计，红外传感器根据反射信号的强弱实现电脑鼠与障碍物之间的测距。以往使用的是一体化红外接收传感器(如IRM8601S)，其接收头内部集成自动增益控制电路、带通滤波电路、解码电路及输出驱动电路，但由于检测信号输出的是数字信号，只能判断有或无障碍物，不能根据检测信号输出的强度计算距离。本设计中采用基于双T选频网络和TLC084组成的选频放大设计，实现频率不同增益不同，对有用信号进行放大处理，滤除或抑制无用信号。
(3)发射三种频率调制波，减少信号之间的干扰。6组传感器分为三组，正左和正右两组传感器负责检测电脑鼠是否走在中线上，以便及时做出姿势校正；左前方和右前方两组传感器主要检查前方是否有路口；前方两组传感器配合电机，协同工作实现45度转弯。红外光发射频率越高，传播距离相对越远，在本设计中由于迷宫墙壁之间距离16．8cm(单元格18cm．墙壁厚度1．2cm)，而电脑鼠的宽度一般为10cm左右，车体距两边墙体的距离只有3cm左右，所以正左方和正右方发射频率选择为33kHz，左前方和右前方发射35kHz，正前方距离最远，发射频率为38kHz。具体如图3所示。
   
       本设计进行了硬件电路改进，由STM32定时器输出三路PWM信号，每两组红外发射管共用一路PWM信号，遇到障碍物后返回，红外接收管进行信号采集，通过选频放大器对有用信号进行放大处理，送入STM32的12位逐次逼近型AD转换器。由于整流滤波有延时，所以此处采用交流采样，ADC在最高速采样的时候需要1．5十12．5个ADC周期，在14M的ADC时钟下达到1Msps的速度。红外测距电路如图4所示，当接收管接收到红外线，D2导通，并且反射越强，D2阻值越小，没有收到红外线时，D2阻值无穷大，相当于截止；R3和R4两个10K电阻提供2．5V的直流偏置。
   
   
3 软件系统设计
    软件模块是系统的重要组成部分，电脑鼠通过红外检测获取周围信息，完成前进、转弯、冲刺、停止等基本动作，此外还要通过以获取信息实现最优路径的搜寻并完成最后的冲刺。本设计才用模块化设计，通过主程序调用各个功能子程序，主程序流程图和中断流程图如图5(a)(b)所示。
   
   4 实验验证及分析
(1)红外传感器测距系统中使用基于选频网络的放大设计，由于电阻电容选用国标，无法使中心频率恰好落在38kHz，双T选频网络中心频率f0=1／2πRC，选择R／C=10k／430pF，f0=37kHz，用multisim仿真出的幅频特性如图6所示，搭建硬件实验电路，中心频率并未落在37kHz而是30kHz，减小RC值多次试验，当R／C=9．1k／430pF，中心频率落在38kHz。
   
   
(2)迷宫墙壁由空心的白色塑料做成，有很大一部分红外光发生透射，加之日光影响，因此如法给发射管套用黑色外管，减少外界干扰；由ARM微处理器产生PWM信号送人红外发射管，接收管接收经过调制的红外信号；用三极管实现电平转换，调节电位器增加发射功率，使信号调整放大到A／D转换的最佳量程范围内，获得期望的处理精度。通过实验多次测量，得到一组红外测量距离与输出电压的数据，以障碍物距离S为横坐标，选频放大后的电压值U为纵坐标，用matlab绘制曲线，电压值与距离关系式为U=0．1195+4．5962*S-1，如图7所示。
   
   
(4)利用STM32定时器功能，通过软件编程调制出需要的PWM信号，以此控制电机、发射红外，图8是Timer4的CH1通道输出频率为38kHz，占空比为30％的PWM信号。

5 结束语
     本文设计了基于STM32F103RCT6的电脑鼠控制系统，在matlab、muhisim仿真基础上，确定了选频网络的RC参数，并通过实验得到距离与电压值的关系图，体现了对称RC双T网络良好的选频特性；电机及驱动模块选用效率高、响应快的空心杯直流电机。经试验验证，该设计方案可以满足系统要求。