1、学位论文创新性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名： 鏖盏学位论文使用授权的说明本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、公开阅览、借
2、阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。论文作者签名： 壅也导师签名：韪魁 日期： 兰：!垒五日p日日期：趣必纽!叩I注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出(含解密年限等)。“o一一0-r_，一卜一o，曩誓、l。萼一x，小。菇。o分I砖豫雌，J b暂i，；翟承w弘r_嵩IIIIII I III IIII I rI中文摘要 YI 9434论文题目：专 业：硕士生：指导教师：基于A删的IEEE标准电脑鼠研究与实现检测技术与自动化装置宗磊(签名)崔琪琳(签名)摘要将红外传感，电动机控制，智能算法等技术结合为一体的电脑鼠是
3、一种智能自主移动机器人，电脑鼠在迷宫中，探查周边环境、选择逃生路径则可以归结到路径规划的范畴。移动机器人路径规划是机器人技术中一个重要研究领域，得到了很多研究者的关注，并取得了一系列重要成果。路径规划问题是指自主移动机器人在未知的、复杂的环境中自主规划起点至终点的路径，并且躲避障碍。迷宫电脑鼠的路径规划是智能移动机器人路径规划中的典型应用。由于迷宫环境的特殊性，迷宫电脑鼠的路径规划有着比_般避障路径规划算法更加复杂的要求。(1)以ARM Cortex-M3核的LM3S615为控制芯片制作出符合标准的电脑鼠，电脑鼠用直流无刷电动机做驱动装置，用专业的驱动芯片驱动直流无刷电动机，采用红外一体化发射
4、接收器作传感器，完成电脑鼠的制作。(2)介绍专用控制芯片MC33035、MC33039为核心构成的永磁无刷直流电动机控制器设计，主要涉及核心控制电路的构成、功率开关元件的驱动等。(3)本论文研究了一些经典的方法，对人工势场法、栅格法的路径规划进行了概述；在探讨智能机器人路径规划技术的基础上，根据机器人路径规划算法的研究现状和向智能化、仿生化发展的趋势，论述了基于深度优先搜索的机器人路径规划方法。最后，对全文工作进行了总结，并对电脑鼠技术和路径规划算法的研究进行了展望。关键词：电脑鼠：迷宫；LM3S615；直流无刷电动机；深度优先算法论文类型：技术研究H一Subject：MicroMouse B
5、ased on ARM of IEEE StandardSpeciality：Detect Technology and Automation EquipmentName： Zong Lei(signatu阳圣坐垒Inst加ct。r：cui qnin(signatlIm(么i压：么凶ABSTRACIIntegration of art infxared sensing，the motor control，technical and SO on intelligentalgorithm computer mice is one kind of intelligent independent mo
6、tion robot,the computermouse in the labyrinth,the investigation peripheral environment,the choice escape the way tobe possible to sunl up to the way plan categoryThe motion robot way plan is in the robottedlnologY all important research area,obtained many researchers attention,and has obtaineda seri
7、es of important achievementsThe way plan question is refers to the independent motion“蜘in unknown,the complex environment the independent plan beginning to the end pointway,and avoidance barrierThe labyrinth computer mouses way plan is in the intelligentmigration robot way plan model applicationAs a
8、 result of the labyrinth environmentsparticularity,the labyrinth computer mouses way plan has compared to evades generallYbonds a way plan algorithm more complex requirements(1)As controls the computer mouse which take function formidable LM3S615 the chipmanllfactures吐le meet standards，the computer
9、mouse with the cocurrent not brushes圮electrical m觚：hillery electrical machinery to make the drive，not brushes the electricalIIllcllinery with the specialized actuation chip actuation cocurrent，uses the infrared integratedlaunch reCeiver to make the sensor,completes the computer mouses manufacture(2)
10、Introduced that specialpurpose control chip MC33035，MC33039 ale coreconstitution permanent magnetism not brush the direct current machine controller design,mainlv involves me C0re control circuitS constitution，the power on-off elements actuation,the rotational speed display circuit to realize(3)The
11、present paper has studied some classics method，to theartificial potential fieldlawthe grid method way plan has carried on the outline；In has studied in the domestic andforeign intelligent robot way plan technology foundation-Finally e p ，,thaper summarizes the work and robotics and path planning alg
12、orithm wasprospectedKey words：Micromouse，Maze,LM3S615，BLDC,DFSThesis：Technology StudyI_【节，ffj目录目 录第一章绪论111课题研究的背景和意义1111课题研究的背景1112迷宫电脑鼠研究的学术价值212国内外研究现状2121迷宫与电脑鼠的发展2122电脑鼠及电动机的发展313课题研究的主要内容4131课题研究的主要内容和方法4132课题研究面临的主要难点414本章小结4第二章电脑鼠整体方案论证521系统的总体要求522系统总体方案523系统构成6231挡板检测部分方案选择。7232电脑鼠机身结构选择一72
13、33电源选择。8234电动机的选择。8235电动机驱动芯片选择924本章小结11第三章系统硬件实现1231无刷直流电动机驱动控制电路12311控制器电路一12312驱动电路1332电动机调速。14321脉冲计数。14322速度控制1 5323用PWM实现DAC一1 633传感器检测电路1634人机交互硬件模块设计1 835电脑鼠控制器设计18IV_1l；广一目录351 LM3S615615ll352电源电路21353 JTAG接口电路2236本章小结一23第四章迷宫的路径搜索方法研究：2441电脑鼠路径搜索概述2442电脑鼠的路径规划方法。24421电脑鼠路径规划的经典方法24422电脑鼠路径
14、搜索的智能方法2543迷宫场地的简单介绍2744电脑鼠搜寻法则和策略27441搜寻策略软件系统流程27442迷宫坐标和绝对方向的建立28443相对方向与绝对方向的转换29444坐标转换29445墙壁资料存储。29446迷宫搜寻法则30447迷宫搜寻策略30448寻找最优路径的方法。3145本章小结31第五章IEEE标准的电脑鼠走迷宫的程序设计3251控制系统软件综述3252软件总体流程3253电脑鼠前进一格程序设计：3354电脑鼠转弯程序设计3655主程序设计3756本章小结42第六章结论和展望一4361课题结论4362未来展望431改谢。Izl参考文献45附录A电路图一47附录B电脑鼠的比赛
15、规则48在攻读硕士学位期间发表的学术论文50Y一，一；一r第一章绪论II课题研究的背景和意义第一章绪论111课题研究的背景电脑鼠，英文名叫做Micromouse，它实际上是一个由微处理器控制的、集传感与控制于一体的、能够自动穿越迷宫的微型智能移动机器人，它可以在“迷宫“中自动记忆和选择路径，寻找出口，最终达到所设定的目的地【ll。电脑鼠是一种人工智能的小型机器人，根据比赛的规则，电脑鼠在起点按下启动键之后，按照设定好的搜索法则在迷宫中行进、转弯、识别记录迷宫的墙壁资料、计算最短路径、搜寻迷宫终点，对路径进行最短规划，找出最优的路径并运行至终点。电脑鼠是一个能够用来诠释肢体、感官及脑力综合工作的
16、基本实例，这也是当初电脑鼠被发明的理由，望能够借助电脑鼠的创作来研究与发明更加复杂的机械；电脑鼠是一种智能自主移动机器人，结合了机械、电动机、电子、控制、光学、程序设计和人工智能等多方面的科技知识，具有多学科知识融合的特点；电脑鼠要在迷宫中靠正确搜索周边环境、自主判断选择行进路线以及敏捷稳定的行进动作，从而来达到预期的功能；这对于机电一体化、控制理论、人工智能的研究具有重要意义【2J。因此，本课题来源于国际电工和电子工程学会(IEEE)标准的电脑鼠走迷宫竞赛，竞赛自举办以来参加国踊跃，为此许多知名大学甚至开设了“电脑鼠原理和制作“选修课程，而我的课题就是依托电脑鼠比赛，采用直流无刷电动机作为电
17、脑鼠的电动机。迷宫及其电脑鼠示意图如图卜1所示。1-1电脑鼠走迷宫t西安石油大学硕士学位论文112迷宫电脑鼠研究的学术价值电脑鼠走迷宫竞赛有相当的难度，这是一项具有很大的挑战性和趣味性的竞技比赛。与此同时它还是一项很好的教学工具。Micromouse可以看作为一个集多项工程学科的知识于一体的小型系统。电脑鼠是多学科的综合体并与多个学科关系甚为紧密：(1)机械工程：在迷宫中高速穿梭的电脑鼠，“身材“的好坏极其重要，不但要使轮子稳定不颤动，保证高的传动效率，又要保证车体轻巧美观；(2)电子工程：电脑鼠是一个嵌入式系统，需要广泛的涉及信号处理、通信、微处理器应用和电动机控制等；(3)自动控制：控制电
18、脑鼠在迷宫中快速而准确的行走属于自动控制技术范畴，传感器获取迷宫信息并将其反馈给微处理器，微处理器根据信息控制电动机动作，这整个构成一个大自动控制系统；(4)人工智能：电脑鼠走迷宫竞赛主要包括搜索迷宫和冲刺两部分，冲刺过程前需要在所有走过的通路中依据自己的原则选择一条路径作为最短路径，这是决策过程，决策过程离不开人工智能； (5)程序设计：电脑鼠程序必须具有高效率和高实时性才能保证电脑鼠的控制精度和灵敏度，程序设计的越好就越能体现电脑鼠的智能程度；(6)传感与测试技术：电脑鼠需要有众多信息的反馈，如墙壁信息和出口等。需要用到许多传感器，如测试墙壁信息的红外传感器，车轮转速传感器等，电脑鼠是一个
19、精密控制体，足够的控制精度才能保证在高速行走的时候不撞墙，不迷失自我，不但要求能够准确测量，还必须有足够快的响应速度；电脑鼠结合了多学科知识，对于提升动手能力、团队协作能力和创新能力，扩展自身的知识面，提升参赛者在相关领域的技术水平和应用能力都非常有帮助，为技术创新提供平台，可以培养大批相关领域的人才，进而促进相关领域的技术发展和产业化进程【31。通过举办电脑鼠竞赛可以展示我国相关领域的技术发展状况。另外积极地参加国际性电脑鼠比赛能够促进我国与其他各个国家之间的技术交流，增进国际友谊并提升我国在机器人领域的国际地位。12国内外研究现状121迷宫与电脑鼠的发展电脑鼠走迷宫竞赛从1979年在美国举
20、办以来，就迅速在世界范围流行开来，1980年欧洲引入电脑鼠走迷宫竞赛，第一场比赛在伦敦举行，随后日本就举办了第一届全日本电脑鼠竞赛。之后台湾引入电脑鼠竞赛，新加坡在1987年举办了第一届电脑鼠比赛。现在电脑鼠比赛发展很好，实力很强的国家和地区有美国，日本，新加坡，台湾，英国，Z，一人t一第一章绪论韩国和印度等。1977年，IEEE Spectrum杂志提出电脑鼠的观念：电脑鼠是一个小型的由微处理器控制的机器人车辆，在复杂迷宫中具有译码和导航的功能和能力。1977年5月，Spectrum宣布首场美国令人震惊的电脑鼠迷宫大赛在1979年于纽约举行。电脑鼠受到国人的关注，是一九六八年三月在台湾举办的
21、第一次电脑鼠比赛，当时是邀请日本的一些专家来台作表演比赛，接着在同年十月，举行第一届全国电脑鼠大赛，从此电脑鼠便在台湾定了居，每年都有它的比赛。电脑鼠走迷宫比赛最初由Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE)发起。国际上通用的比赛规则2006 IEEE电脑鼠竞赛规则，国际电工和电子工程学会(IEEE)每年都要举办一次国际性的电脑鼠走迷宫竞赛，参加比赛的可以是在校大学生、中学生、科研人员、在职的工程技术人员和机器人爱好者。进入21世纪后，电脑鼠才受到国内人士的关注，为了促进上海信息技术的科技创新，在上海市科学技术委员会、上海市教
22、育委员会和上海市科学技术协会的指导下，举办首届“IEEE标准电脑鼠走迷宫“邀请赛(长三角地区)于2007年11月3日举行。2008年9月21日， “2008长三角嵌入式系统创新设计应用竞赛暨第二届IEEE标准电脑鼠走迷宫邀请赛在华东师范大学举行，来自长三角和台湾地区的16所高校参赛，其中50支队伍参加了IEEE标准电脑鼠走迷宫邀请赛，无论是参赛队伍的规模还是质量比往年都有很大的提高，竞赛获得了圆满成功。2009年7月，由中国计算机学会主办的第三届IEEE标准电脑鼠走迷宫邀请赛将在全国7个赛区展开，多所高校组队参赛。122电脑鼠及电动机的发展电动机是电脑鼠的动力源，是电脑鼠的四肢。只有具备健壮且
23、灵活的四肢的电脑鼠才有可能在比赛中高效的解开迷宫。电动机不但要能输出足够的马力还要便于控制，在此基础上再配以合适的控制算法就能使电脑鼠快速而精确的行走。电脑鼠中常用的是步进电机和直流电动机。步进电机控制容易，但直流电动机使电脑鼠控制更加灵敏。优秀的电动机配上合适的减速和速度反馈装置使电脑鼠控制精度更高，更加灵敏。虽然步进电机易于控制，尤其是单片机的控制，但是作为一个竞赛项目，小车的速度始终是关键点，步进电机驱动执行机构从A点到B点移动时，需要经历升速、恒速、和减速过程，如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率，步进电机就要发生失步先现象，因此会造成不能正常启动。如果到终点
24、是突然停下，由于惯性作用，步进电机会发生过冲现象，会造成位置精度降低。近些年来直流电动机越来越成为电脑鼠竞赛的首选电动机类型。直流电动机具有响应快速、较大的启动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电动机的优点也正是它的缺点，因为直流电动机要产生额3西安石油大学硕士学位论文定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持900，这就要藉由碳刷及整流子。由于碳刷及整流子在电动机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，会使电机的功率和转速降低，使电机的应用受到限制。直流无刷电动机的电动机本身是机电能量转换部分，它除了电动机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电动机
25、本身是直流无刷电动机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电动机摆脱一般直流电动机的传统设计和结构，第三代永磁材料的应用，促使直流无刷电动机向高效率、小型化、节能方向迈进。13课题研究的主要内容131课题研究的主要内容和方法(1)电脑鼠硬件结构的设计。包括电脑鼠车体结构设计、控制模块、驱动模块、迷宫挡板检测模块等。(2)电脑鼠软件部分的设计。包括程序初始化模块、运动及其控制模块、记忆模块等。即要把当前热门的嵌入式系统应用进来。(3)电脑鼠路径规划及避障算法的研究。包括算法分析比较、迷宫的数字化表示、迷宫的规划、数学模型
26、的建立、算法的具体实现等。132课题研究面临的主要难点首先是电脑鼠的速度控制，要实现电脑鼠准确而快速地做出动作以避免冲撞到障碍物，并要以竞技为前提，速度效率为目标。其次算法的数学基础还不是很牢，缺乏广泛深刻的理论证明；再次作者在算法分析及模糊控制等方面方面还是入门级，所以把优秀算法应用到电脑鼠的路径规划中有相当的难度。14本章小结本章中先对电脑鼠的由来与发展、基本组成等问题进行简要的介绍。接着叙述了电脑鼠研究的背景、目的和意义、路径规划以及电动机控制意义；课题研究的主要内容，采用的方法和面临的主要问题。最后，对论文的结构进行了安排。通过绪论对本论文的写作目的与研究内容有一个简要了解。第二章电脑
27、鼠总体设计方案第=章电脑鼠整体方案论证21系统的总体要求电脑鼠作为一个单独活动的智能个体，其本身必须具有以下五种基本功能：(1)环境认知的功能“利用传感器来侦测前方与两侧挡板状况，探知机身行进的角度，以便当走偏时可以做出相应的调整；(2)资料处理与计算的功能：利用微处理机系统，依据记忆单元中的资料(迷宫地图、现在位置、方向及电脑鼠的姿势)，作为系统判断的依据对电动机发出下一个动作指令；(3)移动功能：需两个电动机配合动作，以完成直线运动、90度及180度的旋转，并根据传感器感测对系统下达细微的姿势修正指令；(4)机身功能：重量要轻，以减轻电源的负荷；重心要低，以保持平衡；(5)电源功能：必须要
28、能提供全部比赛的独立电源，电池必须要有足够的容量，否则会导致整个系统的不稳定：电脑鼠集计算机软件、硬件设计、人工智能、电子技术及机械结构为一体，它不但有锐利的眼睛、灵活的双脚、还有聪明的头脑来控制眼睛与双脚，使眼睛和双脚能够互相配合，以达成快速走出迷宫的目的【5l。22系统总体方案电脑鼠的系统可划分为两大部分，即硬件系统与软件系统。而这两部分又可以再细分为更多的小模块，其中硬件系统可分为四个模块：机身、微处理器、传感器检测、电动机驱动；而软件系统可分为电动机驱动模块、红外线检测模块、中断模块、转弯模块、方向修正模块、自身检测模块等。所谓系统工程就是把偌大的系统划分为若干小的系统来分别完成，当各
29、个功能模块分别完成时，将各个模块整合到一起进行调试并修正。这样一来复杂的工程就变得简单很多了。电脑鼠总体设计框图如图21所示。5西安石油大学硕士学位论文硬件系统软件系统微处理器系统电源系统传感器电路电机驱动电路机械结构设计电机驱动模块红外检测模块中断模块转弯模块方向修正模块自身检测模块图2-1系统总设计框图23系统构成电脑鼠硬件电路设计如图22所示。本方案将电脑鼠的硬件电路的分为六个部分：电源、微处理器系统、人机界面、电动机驱动、红外检测与测速电路。图2-2迷宫机器人硬件电路设计流程图第二章电脑鼠总体设计方案231挡板检测部分方案选择传感器是电脑鼠的感觉器官，它的精度决定了整个电脑鼠的精度，在
30、电脑鼠的整体电路设计中占有相当重要的地位。传感器将对于四周壁面的状况产生出最直接的反射信号，提供给微处理器做逻辑判断。在本设计中，传感器的主要目的有两个：一是感测有墙面；二是离墙的距离。 1最常用的方案是超声波检测和红外线检测，下面分别介绍：方案一：采用超声波模块。超声波模块分为发射端与接收端两部分。发射端发射超声波，接收端的I0口是具有外部中断功能的，当接收到信号，MCU就会触发中断。记录脉冲发射和中断之间时间间隔就可以计算出距离障碍物的距离了。这个方案存在的问题是存在测量“盲区“并且入射角对测距有较大的影响方案二：采用脉冲调制的反射式红外发射一接收传感器。可以有效避免外界环境变化对系统检测
31、精度的影响。如果使用非调制的普通红外接收头，就可以根据接收到的信号的强弱来计算距离，可是非调制的抗干扰差，但是如果使用调制的一体化接收头，检测信号输出的是数字信号，这样通过检测传感器输出信号的强弱来计算距离的方法肯定行不通，但还有没有其他方法可以实现距离的测量呢?答案是肯定的。2改变输出接收传感器所能识别信号的强度的方法有两种：改变输出信号的能量，改变输出信号的能量又有两种方法：方案一：改变输出信号的幅度，改变Send端的输出电压或调节可调电阻R1的阻值就可以实现改变输出信号的占空比，改变输出的38KHz信号的占空比就可以实现方案二：改变输出信号的频率，由于一体化接收头是38kHz的带通滤波器
32、，当红外线载波频率是38kHz时经过滤波器衰减最少，可以检测到最远距离，频率越偏离38kHz则衰减的越多，相应的能检测到距离就越近，这样也就可以改变有效发射信号的强度。如果通过改变输出信号的幅度，就需要还需要一个D转换器或手动调节R1，这样要不增加了成本要不不适用于自动控制。显然通过改变占空比的方式来的方便简单。IRM8601S是收发一体的红外反射式光电管，内部集成自动增益控制电路、带通滤波电路、解码电路和输出驱动电路。在本设计中使用了5个IRM8601S，分别检测电脑鼠的左方、左前方、前方、右前方、右方五个方向。左方、前方和右方用来检测有无挡板，左前方和右前方用来检测电脑鼠是否走偏。232电
33、脑鼠机身结构选择1)机身是电脑鼠最基本的框架，应遵循整体结构坚固、质轻、重心低的设计原则。设计时即要考虑到符合各个零件的规格，同时又要考虑到配合迷宫的大小规格。比赛中迷宫的每个单元格都是18cm*18cm的正方形，墙壁厚度为12cm，这也就是说电脑鼠的7西安石油大学硕士学位论文最大宽度不得超出18-12=168cm。但必须给电脑鼠留出足够的活动空间，否则很容易碰到墙壁，无法进行位置的调整甚至无法转弯。实际制作中的电脑鼠机身规格为lOcm*lOcm2)两个直流无刷电动机，固定于轻金属铝合金片上，前后错开由齿轮带动左、右轮转动，控制准确灵活；一3)车轮设计的优劣对比：方案1：主轮。设计简单易行。需
34、要将摩擦系数高的尼龙垫块置于电脑鼠底盘，以保持平衡。方案2：单辅轮。设计较容易需注意辅轮的位置及高度避免架空主轮，缺点在于转弯时会有较大的误差。方案3：双辅轮。转弯时较稳定；若设计良好，则行走十分稳定。问题在于设计困难，若设计不良，行走时容易造成主轮空转。综合考虑，从动轮会使电脑鼠在转弯时出现较大的误差，所以在本设计中舍弃从动轮方案，采用两个主动轮的方案。233电源选择可靠的电源能够大大的减少系统的出错机率。本设计采用外接电池供电，并为整个系统那个提供三种不同的电压，分别用来驱动电动机、传感器供电和微控制器系统供电。LM3S615微控制器需要33V供电。外接电源通过SPXl l 17M-33将
35、电源稳压至33V。SPXlll7M3-33是Exar公司生产的LDO芯片：IRM8601S红外传感器的工作电压为5V，在一般情况下可以把电池的输出电压经过LDO稳压到5V。但若电池的电压较低或瞬间被拉低时，系统就不能为传感器提供稳定的电源，这将严重影响传感器的灵敏度。因此，就把系统中已经较为稳定的33V电压升压到5V。升压芯片采用Exar公司的低静态电流、高效率的升压芯片SP6641A；两个永磁直流无刷电动机，电池直接供电；MC33035的工作电源电压范围很宽，在IOV-30V之间，芯片内含有基准电压625V，电池直接供电；MC33039的工作电压由MC33035的基准电压供给。本系统选用12
36、V锂电池供电。234电动机的选择1)步进电机优点：电动机旋转的角度正比于脉冲数；由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步，因而有较好的位置精度和运动的重复性；优秀的起停和反转响应； 电动机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电动机的结构可以比较简单而且控制成本； 仅仅将负载直接连接到电动机的转轴上也可以极低速的同步旋转； 由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的8一睾广第二章电脑鼠总体设计方案转速范围。步进电机缺点：难以得到较高的转速。2)直流无刷电动机优点：调速特性好，具有调速方便、平滑，调速范围广；能承受频繁冲击负载，过载能力强；能实现频繁快速
37、、制动以及逆向旋转。 直流无刷电动机缺点：低速起动时有轻微振动，如速度加大换相频率增大，就感觉不到振动现象了；价格高，控制器要求高。综上，步进电机的两个显著特点是快速启停能力与高精度、正反转控制灵活。而直流无刷电动机具有优良的调速性能，过载能力很强，能承受住频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动与反转。作为一个竞赛项目，电脑鼠的速度始终是关键点，步进电机驱动执行机构从A点到B点移动时，需要经历升速、恒速、和减速过程，如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率，步进电机就要发生失步先现象，因此会造成不能正常启动。因此本设计中决定使用带霍尔式位置传感器直流无刷电动机。2
38、35电动机驱动芯片选择1)MC33035无刷直流电动机控制器专用集成电路，加上l片MC33039电子测速器将转子位置信号进行fly转换，形成转速反馈信号，根据反馈信号可以测得电动机移动距离，精确控制电脑鼠的走位移动，并根据红外反馈信号对小车当前的姿势进行修正。MC33035仅当底部驱动输出时脉宽调制器才对速度控制有效，如图2-3所示。电容c7误差放大输出P警W流M检输测X输L4_；_洲詈流检测输卜卜一卜斗_一HI；锁存“设置”输入项部驱动输出底部驱动l输出图2-3 PW时序图2)电动机的调速采用P删方式控制，LM3S615拥有专门的PWM模块。MC33035的PWIVi输入部分为模拟电压。而L
39、M3S615内部并没有集成DC，如果外接DAC则增加了成本。实现PWM信号到DA转换输出的理想方法是：采用模拟低通滤波器滤掉PWM输出的高频部分，保留低频的直流分量，即可得到对应的DA输出，如图2-4所示。，西安石油大学硕士学位论文直流分量理想的模拟输出+均值为0V的方波图2-4 P删数模转换设计滤波器的理论基础：傅里叶变换理论告诉我们，任何一个周期为T的连续信号f(t)，都可以表达为频率是基频的整数倍的正、余弦谐波分量之和。它是以时间轴原点为对称点的、单极性的PWM信号，表达式为：厂(f)=Ao+(彳行cos 2n nft+Bsin 2nzrfl) 式(21)刀=l其中，f_l厂r为基频，式
40、中An、Bn为各自独立的傅里叶系数：4=寺E们)出彳万=!T厂o)cos2n撇B=j1 frf(t)siIl2珂撇式(2-2)式(2-3)式(2-4)由于f(t)是一个关于原点对称的偶函数，因此Bn项为0，只需计算An项即可。只要扣除直流分量AO，由f(t)=一f(t+T2)，An的偶系数也将为O，因此，对占空比为k、幅值为5 V的PWM信号有：Ao=5k4：51sin(刀刀竞)孝一sin【2刀万(1孝一k2)1 式(25)刀吃=0由式(25)可知，直流分量AO就是所需要的DA输出，只要改变P删信号的占空比k，就能得到电压范围为0-一5 V的DA转换输出。10皿一豇m面第二章电脑鼠总体设计方案
41、24本章小结本章提供了制作电脑鼠整个系统的一套完整设计方案。本方案把系统分成两大部分：硬件系统与软件系统。然后又细分为众多的小模块，将一个复杂的工程变相成为相对简单的小模块。本章还给出系统的总体设计、挡板检测部分方案选择、机身的结构设计、电源选择、电动机的选择、电动机驱动芯片选择、形成一套完整的设计规划。 西安石油大学硕士学位论文第三章系统硬件实现电脑鼠硬件部分主要由机身、电源、传感器、微处理器，人机界面及电动机这五大部分构成如图31所示。各部分概要：机身是安放电路板、电动机以及各个模块的平台；电源给各个模块提供电压；电动机，由微处理器控制其转动从而使电脑鼠进行动作；传感器时刻监测墙壁情况，并
42、检测电脑鼠是否走偏；人机界面用于启动电脑鼠，调节相关参数，并反映电脑鼠的当前情况；微处理器接受传感器传来的信息，再经过判断控制电动机，同时要记忆迷宫，并且计算出迷宫的最短路径，使电脑鼠能够在最短的时间到达终点。图3-1电脑鼠结构31无刷直流电动机驱动控制电路311控制器电路MC33035无刷直流电动机控制器专用集成电路，加上1片MC33039电子测速器将转子位置信号进行fv转换，形成转速反馈信号，即可构成转速闭环调节系统。外接功率开关器件组成三相逆变器后，就可用来驱动三相永磁无刷直流电动机，控制器电路构成如图32所示，图中管脚3(FR)控制电动机转向，管脚7(OE)控制系统起停，管脚23(Br
43、eak)控制系统制动，管脚22(60120)选择转子位置检测信号为60。或120。方式。电位器RPl用以设定所需电动机转速，由DA芯片输出来实时控制电动机转速。管脚14接发光二极管用作故障指示，当出现不正常的位置检测信号、主电路过流、三种欠电压之一(芯片电压低于91V、驱动电路电压低于91V、基准电压低于45V)、芯片内部过热、起停端低电平时，Ll发光报警，同时自动封锁系统。只有故障排除后，经系统复位才能恢复正常工作。第三章系统硬件设计j：=F图3-2电动机控制电路图整个控制器工作过程：从电动机转子位置检测器送来的三相位置检测信号(RSa、RSb、RSc)一方面送入MC33035， 经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起停控制端
