專利名稱：微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是有關(guān)于微型機器人的技術(shù)領(lǐng)域，且特別是有關(guān)于微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
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(gòu)成的一種智能行走機器人，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)機器人，近幾年內(nèi)才引進國內(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在大體分為以下幾個部分I)傳感器傳感器是微電腦鼠的眼睛，是微電腦鼠準(zhǔn)確獲取外部環(huán)境信息的依據(jù)，然后把外界信息輸送到微處理器進行各種條件判斷。2)電機執(zhí)行電機是微電腦鼠的動力源，它根據(jù)微處理器的指令來執(zhí)行微電腦鼠在迷宮中行走時的相關(guān)動作。3)算法算法是微電腦鼠的靈魂。微電腦鼠必須采用一定的智能算法才能找到終點，才能找到一條最短的路徑，在最短的時間內(nèi)到達(dá)終點。4)微處理器微處理器是微電腦鼠的核心部分,是微電腦鼠的大腦。微電腦鼠所有的信息，包括墻壁信息，位置信息，角度信息和電機狀態(tài)信息等都需要經(jīng)過微處理器處理并做出相應(yīng)的判斷。微電腦鼠結(jié)合了多學(xué)科知識，對于提升在校學(xué)生的動手能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進學(xué)生課堂知識的消化和擴展學(xué)生的知識面都非常有幫助。另外電腦鼠走迷宮極具趣味性，容易得到學(xué)生的認(rèn)同及參與，并能很好的激發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生這方面的興趣和愛好。其開展必然提升參賽者在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平和應(yīng)用能力，為技術(shù)創(chuàng)新提供平臺?？梢耘囵B(yǎng)大批相關(guān)領(lǐng)域的人才，進而促進相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進程。由于國內(nèi)研發(fā)此機器人的單位較少，對國際規(guī)則讀取水平較低，相對水平比較落后，現(xiàn)有技術(shù)中的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)制包含一個單片機。長時間運行發(fā)現(xiàn)存在著很多安全問題，包括(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，使得微電腦鼠在快速沖刺時對周圍迷宮的判斷存在一定的誤判；(2)作為微電腦鼠的執(zhí)行機構(gòu)采用的是步進電機，經(jīng)常會遇到丟失脈沖的問題出現(xiàn)，導(dǎo)致對沖刺位置的記憶出現(xiàn)錯誤；(3)由于采用步進電機，使得機體發(fā)熱比較嚴(yán)重，不利于在大型復(fù)雜迷宮中快速沖刺；(4)由于采用比較低級的算法，在迷宮當(dāng)中的沖刺一般都要花費15 30秒的時間，這使得在真正的大賽中無法取勝；[0013](5)由于微電腦鼠在快速沖刺過程中要頻繁的剎車和啟動，加重了單片機的工作量，單片信號處理器無法滿足微電腦鼠快速沖刺的要求；(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比較龐大，無法滿足快速沖刺的要求；(7)由于受周圍環(huán)境不穩(wěn)定因素干擾，特別是周圍一些光線的干擾，單片機控制器經(jīng)常會出現(xiàn)異常，引起微電腦鼠失控，抗干擾能力較差；(8)對于差速控制的微電腦鼠來說，一般要求其兩個電機的控制信號要同步，但是對于單一單片機來說又很難辦到，使得微電腦鼠在直道上行駛的時候就要來回的補償，特別是對于高速沖刺時，微電腦鼠有的時候在迷宮當(dāng)中搖擺幅度較大；(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(dāng)遇到掉電情況時候所有的信息將消失，這使得整個沖刺過程無法完成。因此，需要對現(xiàn)有的基于單片機控制的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)進行重新設(shè)計。

實用新型內(nèi)容針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中抗干擾能力差的問題。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的一個技術(shù)方案是提供一種微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)，，包括上位機系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，所述的上位機系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)由處理器單元進行控制，所述的處理器單元為一雙核處理器，包括單片機和FPGA處理器，所述的上位機系統(tǒng)包括迷宮存儲模塊、坐標(biāo)定位模塊以及在線輸出模塊，所述的運動控制系統(tǒng)包括伺服控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及I/O控制模塊，其中，所述的迷宮存儲模塊、坐標(biāo)定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及I/O控制模塊由單片機控制，所述的伺服控制模塊由FPGA處理器控制，且單片機和FPGA處理器之間實時進行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。 在本實用新型一個較佳實施例中，所述的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)還包括第一控制器、第二控制器、第一高速直流無刷電機、第二高速直流無刷電機以及微電腦鼠，所述的處理器單元發(fā)出控制信號至所述的第一控制器和第二控制器，由所述的第一控制器分別控制第二高速直流無刷電機和第一高速直流無刷電機，通過第一高速直流無刷電機和第二高速直流無刷電機的驅(qū)動信號經(jīng)過信號處理器合成之后，由所述的第一高速直流無刷電機控制微電腦鼠的速度，所述的第二高速直流無刷電機控制微電腦鼠的方向。在本實用新型一個較佳實施例中，所述的快速沖刺自動控制系統(tǒng)還包括電池，所述的電池為鋰離子電池。在本實用新型一個較佳實施例中，所述的伺服控制模塊還包括轉(zhuǎn)換模塊，所述的轉(zhuǎn)換模塊包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。在本實用新型一個較佳實施例中，所述的伺服控制模塊還包括編碼器模塊，所述的編碼器模塊用于檢測微電腦鼠實際轉(zhuǎn)速，判斷是否符合速度要求，是否過快或過慢，并發(fā)出控制信號。在本實用新型一個較佳實施例中，所述的伺服控制模塊還包括電流模塊，所述的電流模塊用于調(diào)整電池的供電功率達(dá)到微電腦鼠需要的范圍。[0026]在本實用新型一個較佳實施例中，所述的伺服控制模塊還包括速度模塊，所述的速度模塊與編碼器模塊通訊連接，當(dāng)編碼器模塊檢測微電腦鼠實際轉(zhuǎn)速過快或過慢，速度模塊根據(jù)編碼器模塊檢測的結(jié)果來調(diào)節(jié)微電腦鼠實際轉(zhuǎn)速。在本實用新型一個較佳實施例中，所述的伺服控制模塊還包括坐標(biāo)模塊，所述的坐標(biāo)模塊用于檢測微電腦鼠的坐標(biāo)位置，接到控制器發(fā)出的沖刺命令后，會沿著起點開始快速向終點沖刺。本實用新型的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)，為了提高運算速度，保證微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本實用新型在處理器單元的單片機中引入FPGA處理器，形成基于單片機+FPGA的雙核處理器，此處理器單元充分考慮電池在這個系統(tǒng)的作用，把微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)中工作量最大的兩軸伺服系統(tǒng)交給FPGA處理器處理，充分發(fā)揮FPGA處理器數(shù)據(jù)處理速度較快的特點，而迷宮存儲模塊、坐標(biāo)定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及I/O控制模塊交給單片機控制，這樣就實現(xiàn)了單片機與FPGA處理器的分工，把單片機從繁重的工作量中解脫出來，抗干擾能力大大增強。

圖1為本實用新型較佳實施例的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)的方框圖；圖2為本實用新型較佳實施例的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖；圖3為本實用新型較佳實施例的微電腦鼠迷宮示意圖；圖4為微電腦鼠前進示意圖；圖5為微電腦鼠后退示意圖；圖6為微電腦鼠右進意義圖；圖7為微電腦鼠左退示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的較佳實施例進行詳細(xì)闡述，以使本實用新型的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本實用新型的保護范圍做出更為清楚明確的界定。單片機自20世紀(jì)70年代末誕生至今，經(jīng)歷了單片微型計算機SCM、微控制器MCU及片上系統(tǒng)SoC三大階段，前兩個階段分別以MCS-51和80C51為代表。隨著在嵌入式領(lǐng)域中對單片機的性能和功能要求越來越高，以往的單片機無論是運行速度還是系統(tǒng)集成度等多方面都不能滿足新的設(shè)計需要，這時Silicon Labs公司推出了 C8051F系列單片機,成為SoC的典型代表。C8051F具有上手快(全兼容8051指令集)、研發(fā)快(開發(fā)工具易用，可縮短研發(fā)周期)和見效快(調(diào)試手段靈活)的特點，其性能優(yōu)勢具體體現(xiàn)在以下方面基于增強的CIP-51內(nèi)核，其指令集與MCS-51完全兼容，具有標(biāo)準(zhǔn)8051的組織架構(gòu)，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的803x/805x匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，70%的的指令執(zhí)行時間為I或2個系統(tǒng)時鐘周期，是標(biāo)準(zhǔn)8051指令執(zhí)行速度的12倍；其峰值執(zhí)行速度可達(dá)100MIPS(C8051F120等)，是目前世界上速度最快的8位單片機；增加了中斷源。標(biāo)準(zhǔn)的8051只有7個中斷源Silicon Labs公司C8051F系列單片機擴展了中斷處理這對于時實多任務(wù)系統(tǒng)的處理是很重要的擴展的中斷系統(tǒng)向CIP-51提供22個中斷源允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷一個中斷處理需要較少的CPU干預(yù)卻有更高的執(zhí)行效率；集成了豐富的模擬資源，絕大部分的C8051F系列單片機都集成了單個或兩個ADC，在片內(nèi)模擬開關(guān)的作用下可實現(xiàn)對多路模擬信號的采集轉(zhuǎn)換；片內(nèi)ADC的采樣精度最高可達(dá)24bit，采樣速率最高可達(dá)500ksps，部分型號還集成了單個或兩個獨立的高分辨率DAC，可滿足絕大多數(shù)混合信號系統(tǒng)的應(yīng)用并實現(xiàn)與模擬電子系統(tǒng)的無縫接口 ；片內(nèi)溫度傳感器則可以迅速而精確的監(jiān)測環(huán)境溫度并通過程序作出相應(yīng)處理，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。選用C8051F120作為本系統(tǒng)的中央處理器完全能夠滿足系統(tǒng)的需要。基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)及現(xiàn)代電子設(shè)計自動化(EDA)技術(shù)的硬件實現(xiàn)方法是最近幾年出現(xiàn)了一種全新的設(shè)計思想。雖然FPGA本身只是標(biāo)準(zhǔn)的單元陣列，沒有一般的集成電路所具有的功能，但用戶可以根據(jù)自己的設(shè)計需要，通過特定的布局布線工具對其內(nèi)部進行重新組合連接，在最短的時間內(nèi)設(shè)計出自己的專用集成電路，這樣就減小成本、縮短開發(fā)周期。由于FPGA處理器采用軟件化的設(shè)計思想實現(xiàn)硬件電路的設(shè)計，這樣就使得基于FPGA處理器設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的可復(fù)用和修改性。這種全新的設(shè)計思想已經(jīng)逐漸應(yīng)用在高性能的交流驅(qū)動控制上，并快速發(fā)展。如圖1所示，為本實用新型較佳實施例的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)的方框圖。本實施例中，微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)包括上位機系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，所述的上位機系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)由處理器單元進行控制，所述的處理器單元為一雙核處理器，包括單片機和FPGA處理器，所述的上位機系統(tǒng)包括迷宮存儲模塊、坐標(biāo)定位模塊以及在線輸出模塊，所述的運動控制系統(tǒng)包括伺服控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及I/O控制模塊，其中，所述的迷宮存儲模塊、坐標(biāo)定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及I/O控制模塊由單片機控制，所述的伺服控制模塊由FPGA處理器控制，且單片機和FPGA處理器之間實時進行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。請參閱圖2，本實用新型中微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)還包括電池、第一控制器、第二控制器、第一高速直流無刷電機、第二高速直流無刷電機以及微電腦鼠。其中，所述的電池為鋰離子電池，是一種供電裝置，為整個系統(tǒng)的工作提供工作電壓。所述的處理器單元內(nèi)置控制系統(tǒng)，所述的處理器單元發(fā)出控制信號至所述的第一控制器和第二控制器，由所述的第一控制器分別控制第二高速直流無刷電機和第一高速直流無刷電機，通過第一高速直流無刷電機和第二高速直流無刷電機的驅(qū)動信號經(jīng)過信號處理器合成之后，由所述的第一高速直流無刷電機控制微電腦鼠的速度，所述的第二高速直流無刷電機控制微電腦鼠的方向。本實用新型為克服單一的單片機不能滿足微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性的要求，舍棄了微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)所采用單一的單片機的工作模式，提供了基于單片機+FPGA處理器的全新控制模式。處理器單元以FPGA處理器為處理核心，實現(xiàn)數(shù)字信號的實時處理，把單片機從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，實現(xiàn)部分的信號處理算法和FPGA處理器的控制邏輯，并響應(yīng)中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。上位機系統(tǒng)包括迷宮存儲模塊、坐標(biāo)定位模塊以及在線輸出模塊。迷宮存儲模塊將迷宮地圖行進存儲；坐標(biāo)定位模用于提示微電腦鼠的位置以及位置參數(shù)設(shè)置等；在線輸出模塊用于提示微電腦鼠的工作狀態(tài)。運動控制系統(tǒng)包括伺服控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及I/O控制模塊。其中，數(shù)據(jù)存儲模塊為一存儲器；1/0控制模塊包括RS-232串行接口、ICE端口等。伺服控制模塊進一步包括轉(zhuǎn)換模塊、編碼器模塊、電流模塊、速度模塊以及坐標(biāo)模塊。其中，所述的轉(zhuǎn)換模塊包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC，Analog to DigitalConverter)及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC, Digital to Analog Converter);所述的編碼器模塊用于檢測微電腦鼠實際轉(zhuǎn)速，判斷是否符合速度要求，是否過快或過慢，并發(fā)出控制信號。所述的電流模塊與電池和控制器、轉(zhuǎn)換模塊連接。轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)電池和控制器的電流，判斷工作功率，并把功率狀況反饋至電池，電流模塊用于調(diào)整電池的供電功率達(dá)到微電腦鼠需要的范圍。所述的速度模塊與編碼器模塊通訊連接，當(dāng)編碼器模塊檢測微電腦鼠實際轉(zhuǎn)速過快或過慢，速度模塊根據(jù)編碼器模塊檢測的結(jié)果來調(diào)節(jié)微電腦鼠實際轉(zhuǎn)速。所述的坐標(biāo)模塊用于檢測微電腦鼠的坐標(biāo)位置，接到控制器發(fā)出的沖刺命令后，會沿著起點開始快速向終點沖刺。對于處理器單元為一雙核處理器，在電源打開狀態(tài)下，微電腦鼠先進入自鎖狀態(tài)，然后把微電腦鼠放在迷宮起始點，微電腦鼠靠前方、左右側(cè)面蔽障傳感器根據(jù)實際導(dǎo)航環(huán)境傳輸參數(shù)給處理器單元中的單片機，單片機處理后與FPGA處理器通訊，然后由FPGA處理器處理兩個獨立電機的伺服控制，并把處理數(shù)據(jù)通訊給單片機，由單片機繼續(xù)處理后續(xù)的運行狀態(tài)。結(jié)合以上描述，上位機系統(tǒng)包括迷宮存儲模塊、坐標(biāo)定位模塊、在線輸出模塊；運動控制系統(tǒng)包括伺服控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、1/0控制模塊。其中，工作量最大的伺服控制模塊交給FPGA處理器控制，其余的包括上位機系統(tǒng)的全部模塊交給單片機控制，這樣就實現(xiàn)了單片機與FPGA處理器的分工，同時二者之間也可以進行通訊，實時進行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。請參閱圖3至圖7，本實用新型具體的功能實現(xiàn)如下I)在微電腦鼠未接到探索命令之前，如圖3所示，它一般會在起點坐標(biāo)(0，0)等待控制器發(fā)出的探索命令，一旦接到任務(wù)后，會沿著起點開始向終點(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)探索；2)微電腦鼠放在起點坐標(biāo)(0，0)，接到任務(wù)后其前方的傳感器S1、S6和會對前方的環(huán)境進行判斷，確定有沒有擋墻進入運動范圍，如存在擋墻將向單片機發(fā)出中斷請求，單片機會對中斷做第一時間響應(yīng)，如果單片機的中斷響應(yīng)沒有來得及處理，微電腦鼠的第一馬達(dá)和第二馬達(dá)將原地自鎖，然后二次判斷迷宮確定前方信息，防止信息誤判；3)在微電腦鼠沿著Y軸向前運動如果沒有擋墻進入前方的運動范圍，微電腦鼠將存儲其坐標(biāo)(X，Y)，在其向前運動過程中，每經(jīng)過一個方格，將更新其坐標(biāo)為(X，Y+1)，在Y+K15的前提下，判斷其坐標(biāo)是不是(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)其中的一個，如果不是將繼續(xù)更新其坐標(biāo)，如果是的話通知控制器已經(jīng)搜索到目標(biāo)，然后置返航探索標(biāo)志為1，微電腦鼠準(zhǔn)備返程探索；4)在微電腦鼠沿著Y軸向前運動過程中如果有擋墻進入前方的運動范圍，并且此時左右的傳感器S2、S3、S4、S5判斷左右都有擋墻時，微電腦鼠將存儲此時坐標(biāo)(X，Y)，然后原地調(diào)轉(zhuǎn)180度，然后沿著Y軸反向運動，在其Y軸反向運動過程中，每經(jīng)過一個方格，將更新其坐標(biāo)為(X，Y-1)，在確定Y-1>0的前提下，判斷其坐標(biāo)是不是(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)其中的一個，如果不是將繼續(xù)更新其坐標(biāo)，如果是的話通知控制器已經(jīng)搜索到目標(biāo)，然后置返航探索標(biāo)志為1，微電腦鼠準(zhǔn)備返程探索；5)在微電腦鼠沿著Y軸向前運動過程中如果有擋墻進入前方的運動范圍，并且此時左右的傳感器S2、S3、S4、S5判斷左方有擋墻時，微電腦鼠將存儲此時坐標(biāo)(X，Y)，然后原地向右調(diào)轉(zhuǎn)90度，然后沿著X軸正向運動，在其沿著X軸正向運動過程中，每經(jīng)過一個方格，將更新其坐標(biāo)為(X+1，Y)，在X+l〈15的前提下，判斷其坐標(biāo)是不是(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)其中的一個，如果不是將繼續(xù)更新其坐標(biāo)，如果是的話通知控制器已經(jīng)搜索到目標(biāo)，然后置返航探索標(biāo)志為1，微電腦鼠準(zhǔn)備返程探索；6)在微電腦鼠沿著Y軸向前運動過程中如果有擋墻進入前方的運動范圍，并且此時左右的傳感器S2、S3、S4、S5判斷右方有擋墻時，微電腦鼠將存儲此時坐標(biāo)(X，Y)，然后原地向左調(diào)轉(zhuǎn)90度，然后沿著X軸反向運動，在其沿著X軸反向運動過程中，每經(jīng)過一個方格，將更新其坐標(biāo)為(X-1，Y)，在確定X-DO的前提下，判斷其坐標(biāo)是不是(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)其中的一個，如果不是將繼續(xù)更新其坐標(biāo)，如果是的話通知控制器已經(jīng)搜索到目標(biāo)，然后置返航探索標(biāo)志為1，微電腦鼠準(zhǔn)備返程探索；7)當(dāng)微電腦鼠到達(dá)(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)準(zhǔn)備返程探索時，控制器會調(diào)出其已經(jīng)存儲的迷宮，然后計算出可能存在的最佳路徑，然后返程開始進入其中認(rèn)為最優(yōu)的一條。8)在微電腦鼠進入迷宮正常返航運行時，并其導(dǎo)航的傳感器S1、S2、S3、S4、S5、S6將工作，并把反射回來的光電信號送給單片機，經(jīng)單片機判斷后送給FPGA處理器，由FPGA處理器運算后與單片機進行通訊，然后由控制器送控制信號給導(dǎo)航的第一高速直流無刷電機、第二高速直流無刷電機進行確定如果進入已經(jīng)搜索的區(qū)域?qū)⑦M行快速前進，如果是未知返回區(qū)域則采用正常速度搜索，并時刻更新其坐標(biāo)(X，Y)，并判斷其坐標(biāo)是不是(0，0)，如果是的話置返航探索標(biāo)志為0，微電腦鼠進入沖刺階段，并置沖刺標(biāo)志為I ;9)為了能夠?qū)崿F(xiàn)微電腦鼠準(zhǔn)確的坐標(biāo)計算功能，本實用新型在第一高速直流無刷電機、第二高速直流無刷電機上加入了 512線的光碼盤，時刻對小車運行的距離進行計算并根據(jù)迷宮擋墻和柱子對傳感器反饋信息不同的特點引入了補償，使得微電腦鼠的坐標(biāo)計算不會出現(xiàn)錯誤。其中，由FPGA控制的系統(tǒng)一般是根據(jù)位置信號，在結(jié)合一些傳感器信號，以及光碼盤的信息，以及電機電流，生成電機的PWM控制信號，其伺服控制過程是由FPGA完成，全程不需要單片機或者是DSP來參與，這樣由FPGA可以同時輸出PWM調(diào)制信號和方向信號，通過驅(qū)動電路直接驅(qū)動電機，不僅減輕了 DSP的負(fù)擔(dān)，簡化了接口電路，而且省去了 DSP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；在FPGA內(nèi)部伺服控制中，集成了多種PID調(diào)節(jié)模式，可以根據(jù)機器人外圍運行情況自動調(diào)整其內(nèi)部的PID參數(shù)，輕松實現(xiàn)分段P、H)、PID控制和非線性PID控制；由于在FPGA內(nèi)部集成了多路控制電機的PWM輸出，這樣可以在一個很小的芯片上實現(xiàn)多軸同步控制；由于沒有單片機參與此其伺服控制，而FPGA內(nèi)部的邏輯電路都是由硬件電路實現(xiàn)，所以使得其運動過程速度較快，多用于高速系統(tǒng)。綜上所述的，本實用新型揭示的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)，為了提高運算速度，保證微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本實用新型在處理器單元的單片機中引入FPGA處理器，形成基于單片機+FPGA的雙核處理器，此處理器單元充分考慮電池在這個系統(tǒng)的作用，把微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)中工作量最大的兩軸伺服系統(tǒng)交給FPGA處理器處理，充分發(fā)揮FPGA處理器數(shù)據(jù)處理速度較快的特點，而迷宮存儲模塊、坐標(biāo)定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及I/O控制模塊交給單片機控制，這樣就實現(xiàn)了單片機與FPGA處理器的分工，把單片機從繁重的工作量中解脫出來，抗干擾能力大大增強。本實用新型微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)具有的有益效果是1:在運動過程中，充分考慮了電池在這個系統(tǒng)中的作用，基于單片機+FPGA處理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(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的鋰離子電池過度老化現(xiàn)象的發(fā)生；2 :由FPGA處理器處理微電腦鼠的兩只電機的獨立伺服控制，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: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，而且還實現(xiàn)了微電腦鼠的速度大小和方向的獨立控制，有利于提高微電腦鼠的穩(wěn)定性和動態(tài)十生倉泛;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FPGA處理器處理大量的數(shù)據(jù)與算法，并充分考慮了周圍的干擾源，并把單片機從繁重的工作量中解脫出來，抗干擾能力大大增強；6 :為了更好的保護電池，當(dāng)系統(tǒng)在探索過程中遇到低壓時，微電腦鼠上的低壓報警傳感器會自動開啟，并限制放電電流，保證微電腦鼠可以完成整個探索，在探索完成回到起點時，會自動鎖死在當(dāng)前位置，并記錄下迷宮信息，提示更換電池；7:在微電腦鼠運行過程中，控制器會對電機的轉(zhuǎn)矩進行在線辨識并利用電機力矩與電流的關(guān)系進行補償，減少了電機轉(zhuǎn)矩抖動對微電腦鼠快速探索的影響；8 :由于微電腦鼠的速度和方向獨立控制，使得微電腦鼠更容易實現(xiàn)前進、倒退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)各個方向的運動；9: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；10 :由于采用的單片機是工業(yè)級的C8051F120，在滿足實用性的同時，其內(nèi)核就是傳統(tǒng)的8051的內(nèi)核，使得編程者可以很好的二次開發(fā)。以上所述的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及附圖內(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他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)，其特征在于，包括上位機系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，所述的上位機系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)由處理器單元進行控制，所述的處理器單元為一雙核處理器，包括單片機和FPGA處理器，所述的上位機系統(tǒng)包括迷宮存儲模塊、坐標(biāo)定位模塊以及在線輸出模塊，所述的運動控制系統(tǒng)包括伺服控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及I/O控制模塊，其中，所述的迷宮存儲模塊、坐標(biāo)定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及I/O 控制模塊由單片機控制，所述的伺服控制模塊由FPGA處理器控制，且單片機和FPGA處理器之間實時進行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)還包括第一控制器、第二控制器、第一高速直流無刷電機、第二高速直流無刷電機以及微電腦鼠，所述的處理器單元發(fā)出控制信號至所述的第一控制器和第二控制器，由所述的第一控制器分別控制第二高速直流無刷電機和第一高速直流無刷電機，通過第一高速直流無刷電機和第二高速直流無刷電機的驅(qū)動信號經(jīng)過信號處理器合成之后，由所述的第一高速直流無刷電機控制微電腦鼠的速度，所述的第二高速直流無刷電機控制微電腦鼠的方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的快速沖刺自動控制系統(tǒng)還包括電池，所述的電池為鋰離子電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的伺服控制模塊還包括轉(zhuǎn)換模塊，所述的轉(zhuǎn)換模塊包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器及數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的伺服控制模塊還包括編碼器模塊，所述的編碼器模塊用于檢測微電腦鼠實際轉(zhuǎn)速，判斷是否符合速度要求，是否過快或過慢，并發(fā)出控制信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的伺服控制模塊還包括電流模塊，所述的電流模塊用于調(diào)整電池的供電功率達(dá)到微電腦鼠需要的范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的伺服控制模塊還包括速度模塊，所述的速度模塊與編碼器模塊通訊連接，當(dāng)編碼器模塊檢測微電腦鼠實際轉(zhuǎn)速過快或過慢，速度模塊根據(jù)編碼器模塊檢測的結(jié)果來調(diào)節(jié)微電腦鼠實際轉(zhuǎn)速。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的伺服控制模塊還包括坐標(biāo)模塊，所述的坐標(biāo)模塊用于檢測微電腦鼠的坐標(biāo)位置，接到控制器發(fā)出的沖刺命令后，會沿著起點開始快速向終點沖刺。
專利摘要本實用新型公開了一種微電腦鼠快速探索自動控制系統(tǒng)，包括上位機系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，所述的上位機系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)由處理器單元進行控制，所述的處理器單元為一雙核處理器，包括單片機和FPGA處理器，所述的上位機系統(tǒng)包括迷宮存儲模塊、坐標(biāo)定位模塊以及在線輸出模塊，所述的運動控制系統(tǒng)包括伺服控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及I/O控制模塊，其中，所述的迷宮存儲模塊、坐標(biāo)定位模塊、在線輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及I/O控制模塊由單片機控制，所述的伺服控制模塊由FPGA處理器控制，且單片機和FPGA處理器之間實時進行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。本實用新型在形成基于單片機+FPGA的雙核處理器，把單片機從繁重的工作量中解脫出來，抗干擾能力大大增強。
文檔編號G05D27/02GK202838071SQ20122048512
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者張好明, 王應(yīng)海, 袁麗娟 申請人:蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院