電腦鼠(micromouse)是一種由微處理器控制的集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的微型機器人。目前大多數(shù)電腦鼠采用Luminarv Micro Stellaris R系列LM3S101、LM3S102、LM3S615或者單片機微控制器，其紅外檢測模塊采用了一體式紅外傳感器，只能判斷有無障礙物，無法進行測距；電機部分采用步進電機，耗電大、速度慢；此外軟件系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)中左或中右算法，效率較低。本文設計了基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM芯片STM32F103RCT6作為運算控制中心，由其產(chǎn)生PWM信號調制紅外發(fā)射接收實現(xiàn)測距，配套空心杯直流電機，通過改進智能迷宮算法，使電腦鼠出色高效地完成迷宮搜尋及沖刺任務。
1 電腦鼠工作原理
電腦鼠周圍安裝六組紅外傳感器，分別感知左方、左前方、前方、右前方、右方，發(fā)射端發(fā)射一定頻率的紅外線，接收端通過六個方向的反射波來判斷是否有障礙物，實時地儲存單元格的資料，通過六組紅外傳感器反饋的迷宮信息，控制電腦鼠完成避障、轉彎、加速等動作，運用智能算法對迷宮的部分單元格或全部單元格進行遍歷，并將迷宮的信息以有效的數(shù)據(jù)結構存儲，微控制器根據(jù)這些記錄信息運用迷宮高效算法找到一條最優(yōu)化路徑，從而實現(xiàn)從起點到終點的最大化沖刺。
2 硬件電路設計
為完成迷宮探測和沖刺任務，電腦鼠需具備以下各功能模塊：ARM微處理器作為控制核心協(xié)調各功能模塊正常工作；電機及驅動模塊實時控制電機啟動、制動；紅外檢測模塊負責紅外線探測感知；電源為整個系統(tǒng)供電穩(wěn)定電壓，陀螺儀及指南針模塊確定電腦鼠方位，根據(jù)走過的距離，從而解析出所在坐標。硬件組成如圖1所示。
2．1 電源模塊
電源調節(jié)器件通常使用線性穩(wěn)壓器件(如LM7805)，具有輸出電壓可調、穩(wěn)壓精度高的優(yōu)點，但是其線性調整工作方式在工作有較大的“熱損耗”，導致電源利用率不高、滿足不了便攜低功耗需求。開關電源調節(jié)器，不同于線性穩(wěn)壓器件，以完全導通或關斷的方式工作，通過控制開關管的導通與截止時間，有效的減少工作中的“熱損耗”，提高了電源利用率。本設計中電源模塊為系統(tǒng)提供三種不同的電壓，12V電源用于驅動電機，使用開關式電源LM2596將12V直流電壓降到5V給紅外模塊、人機交互模塊供電，再通過AMS1117將5V降到3．3V，供ARM處理器及其他模塊使用。
2．2 微處理器模塊
微處理器是整個控制系統(tǒng)的核心，它完成從紅外檢測模塊獲取路徑信息，采集瞬時速度，進行數(shù)據(jù)處理，控制算法運算，輸出實時控制量等功能。為了保證系統(tǒng)的實用性和易擴展性，本控制系統(tǒng)采用意法半導體推出的“增強型”系列STFM32F103RCT6，STM32F103xx增強型系列使用高性能的ARM Correx-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I／O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN，在存儲容量和運算速度方面滿足要求。
2．3 電機及驅動模塊
為提高系統(tǒng)功率、降低功耗，驅動電路采用基于脈寬調制方式的集成電路芯片L298N。比較常見的是15腳Muliwart封裝的L298N，內(nèi)部包含四通道邏輯驅動電路，即內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，可以驅動和控制兩個直流電機，芯片采用供給電機電源和邏輯電平電源的雙電源供電，可接受標準TTL邏輯電平信號，驅動46V，2A以下的電機，并可驅動電感性負載。其中ENA、ENB是控制使能端，IN1、IN 2、IN3、IN4是控制電平輸入端，電路如圖2所示。本設計中采用空心杯直流電機，它具有突出的節(jié)能特性、靈敏方便的控制特性和穩(wěn)定的運行特性，最大效率一般在70％以上，部分產(chǎn)品可達到90％以上；起動、制動迅速，響應極快；其重量、體積相對減少1／3-1／2，通過PWM調節(jié)脈沖占空比進行調速。
2．4 紅外檢測模塊
紅外檢測模塊主要負責迷宮環(huán)境監(jiān)測和處理。紅外線經(jīng)調制后由發(fā)射管發(fā)出，接收管接收迷宮墻壁反射光，根據(jù)接收反射信號強弱來判斷與隔墻的距離。本系統(tǒng)相對傳統(tǒng)紅外檢測方法做如下特點：
(1)紅外傳感器由原來的5組增加到6組。除了正前、正左、正右以及正前方兩個45度斜角外，正前方增加1組紅外傳感器，通過正前方兩組傳感器信息的融合實現(xiàn)路口45度斜走，相對于以往的90度直角調整，節(jié)約了時間，提高了效率。
(2)采用基于雙T選頻網(wǎng)絡的放大器設計，紅外傳感器根據(jù)反射信號的強弱實現(xiàn)電腦鼠與障礙物之間的測距。以往使用的是一體化紅外接收傳感器(如IRM8601S)，其接收頭內(nèi)部集成自動增益控制電路、帶通濾波電路、解碼電路及輸出驅動電路，但由于檢測信號輸出的是數(shù)字信號，只能判斷有或無障礙物，不能根據(jù)檢測信號輸出的強度計算距離。本設計中采用基于雙T選頻網(wǎng)絡和TLC084組成的選頻放大設計，實現(xiàn)頻率不同增益不同，對有用信號進行放大處理，濾除或抑制無用信號。
(3)發(fā)射三種頻率調制波，減少信號之間的干擾。6組傳感器分為三組，正左和正右兩組傳感器負責檢測電腦鼠是否走在中線上，以便及時做出姿勢校正；左前方和右前方兩組傳感器主要檢查前方是否有路口；前方兩組傳感器配合電機，協(xié)同工作實現(xiàn)45度轉彎。紅外光發(fā)射頻率越高，傳播距離相對越遠，在本設計中由于迷宮墻壁之間距離16．8cm(單元格18cm．墻壁厚度1．2cm)，而電腦鼠的寬度一般為10cm左右，車體距兩邊墻體的距離只有3cm左右，所以正左方和正右方發(fā)射頻率選擇為33kHz，左前方和右前方發(fā)射35kHz，正前方距離最遠，發(fā)射頻率為38kHz。具體如圖3所示。
本設計進行了硬件電路改進，由STM32定時器輸出三路PWM信號，每兩組紅外發(fā)射管共用一路PWM信號，遇到障礙物后返回，紅外接收管進行信號采集，通過選頻放大器對有用信號進行放大處理，送入STM32的12位逐次逼近型AD轉換器。由于整流濾波有延時，所以此處采用交流采樣，ADC在最高速采樣的時候需要1．5十12．5個ADC周期，在14M的ADC時鐘下達到1Msps的速度。紅外測距電路如圖4所示，當接收管接收到紅外線，D2導通，并且反射越強，D2阻值越小，沒有收到紅外線時，D2阻值無窮大，相當于截止；R3和R4兩個10K電阻提供2．5V的直流偏置。
3 軟件系統(tǒng)設計
軟件模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，電腦鼠通過紅外檢測獲取周圍信息，完成前進、轉彎、沖刺、停止等基本動作，此外還要通過以獲取信息實現(xiàn)最優(yōu)路徑的搜尋并完成最后的沖刺。本設計才用模塊化設計，通過主程序調用各個功能子程序，主程序流程圖和中斷流程圖如圖5(a)(b)所示。
4 實驗驗證及分析
(1)紅外傳感器測距系統(tǒng)中使用基于選頻網(wǎng)絡的放大設計，由于電阻電容選用國標，無法使中心頻率恰好落在38kHz，雙T選頻網(wǎng)絡中心頻率f0=1／2πRC，選擇R／C=10k／430pF，f0=37kHz，用multisim仿真出的幅頻特性如圖6所示，搭建硬件實驗電路，中心頻率并未落在37kHz而是30kHz，減小RC值多次試驗，當R／C=9．1k／430pF，中心頻率落在38kHz。
(2)迷宮墻壁由空心的白色塑料做成，有很大一部分紅外光發(fā)生透射，加之日光影響，因此如法給發(fā)射管套用黑色外管，減少外界干擾；由ARM微處理器產(chǎn)生PWM信號送人紅外發(fā)射管，接收管接收經(jīng)過調制的紅外信號；用三極管實現(xiàn)電平轉換，調節(jié)電位器增加發(fā)射功率，使信號調整放大到A／D轉換的最佳量程范圍內(nèi)，獲得期望的處理精度。通過實驗多次測量，得到一組紅外測量距離與輸出電壓的數(shù)據(jù)，以障礙物距離S為橫坐標，選頻放大后的電壓值U為縱坐標，用matlab繪制曲線，電壓值與距離關系式為U=0．1195+4．5962*S-1，如圖7所示。
(4)利用STM32定時器功能，通過軟件編程調制出需要的PWM信號，以此控制電機、發(fā)射紅外，圖8是Timer4的CH1通道輸出頻率為38kHz，占空比為30％的PWM信號。
5 結束語
本文設計了基于STM32F103RCT6的電腦鼠控制系統(tǒng)，在matlab、muhisim仿真基礎上，確定了選頻網(wǎng)絡的RC參數(shù)，并通過實驗得到距離與電壓值的關系圖，體現(xiàn)了對稱RC雙T網(wǎng)絡良好的選頻特性；電機及驅動模塊選用效率高、響應快的空心杯直流電機。經(jīng)試驗驗證，該設計方案可以滿足系統(tǒng)要求。