مبدأ العمل ومخطط تصميم نظام التحكم في فأرة الكمبيوتر

1. مبدأ عمل فأرة الكمبيوتر

يتم تثبيت ست مجموعات من مجسات الأشعة تحت الحمراء حول فأرة الكمبيوتر لاستشعار اليسار ، والأمام الأيسر ، والأمامي ، والأمام الأيمن ، واليمين على التوالي. يصدر الطرف المرسل الأشعة تحت الحمراء بتردد معين. يحدد الطرف المستقبل ما إذا كان هناك عائق من خلال الموجات المنعكسة في ستة اتجاهات ، ويخزن بيانات الخلية في الوقت الفعلي ، ويتحكم في فأرة الكمبيوتر لإكمال تجنب العوائق ، والانعطاف والتسريع وغيرها من الإجراءات ، استخدم الخوارزمية الذكية للعبور بعض أو كل خلايا المتاهة ، وتخزين معلومات المتاهة في بنية بيانات فعالة. يستخدم المتحكم الدقيق خوارزمية المتاهة الفعالة للعثور على المسار الأمثل وفقًا لهذه المعلومات المسجلة ، وذلك لتحقيق أقصى سرعة من نقطة البداية إلى نقطة النهاية.

2 تصميم دائرة الأجهزة من أجل إكمال مهام الكشف عن المتاهة والركض ، يحتاج فأرة الكمبيوتر إلى الوحدات الوظيفية التالية: يعمل معالج ARM كمركز تحكم لتنسيق التشغيل العادي لكل وحدة وظيفية ؛ يتحكم المحرك ووحدة القيادة في بدء تشغيل المحرك والفرملة في الوقت الفعلي ؛ وحدة الكشف بالأشعة تحت الحمراء مسؤولة عن الكشف عن الأشعة تحت الحمراء والإدراك ؛ يوفر مصدر الطاقة جهدًا ثابتًا للنظام بأكمله. تحدد وحدة الجيروسكوب والبوصلة اتجاه فأرة الكمبيوتر ، وتحلل الإحداثيات وفقًا للمسافة المقطوعة. يتم عرض تكوين الأجهزة في وحدة الطاقة في الشكل 1.2.1

عادةً ما تُستخدم أجهزة تثبيت الجهد الخطي (مثل lm7805) كأجهزة لتنظيم الطاقة ، والتي تتمتع بمزايا جهد الخرج القابل للتعديل ودقة تثبيت الجهد العالي. ومع ذلك ، فإن وضع الضبط الخطي لديه "فقد حرارة" كبير أثناء التشغيل ، مما يؤدي إلى استخدام منخفض للطاقة ولا يمكن أن يلبي متطلبات استهلاك الطاقة المحمولة ومنخفضة. يعمل منظم إمداد الطاقة ، الذي يختلف عن جهاز تثبيت الجهد الخطي ، في طريقة التشغيل أو الإيقاف الكامل. من خلال التحكم في وقت التشغيل والإيقاف لأنبوب التحويل ، يمكنه تقليل "فقد الحرارة" بشكل فعال في العمل وتحسين استخدام الطاقة. في هذا التصميم ، توفر وحدة الطاقة ثلاثة جهود مختلفة للنظام. يستخدم مزود الطاقة 12 فولت لقيادة المحرك. يتم استخدام مصدر طاقة التحويل lm2596 لتقليل جهد التيار المستمر بجهد 12 فولت إلى 5 فولت لتوفير الطاقة لوحدة الأشعة تحت الحمراء ووحدة التفاعل بين الإنسان والكمبيوتر ، ثم يتم تقليل 5 فولت إلى 3.3 فولت من خلال ams1117 لمعالج ARM والوحدات النمطية الأخرى.

2.2 وحدة المعالج الدقيق

المعالج الدقيق هو جوهر نظام التحكم بأكمله. يكمل وظائف الحصول على معلومات المسار من وحدة الكشف بالأشعة تحت الحمراء ، وجمع السرعة الفورية ، ومعالجة البيانات ، وتشغيل خوارزمية التحكم ، وإخراج كمية التحكم في الوقت الفعلي وما إلى ذلك. من أجل ضمان التطبيق العملي وقابلية التوسع السهلة للنظام ، يعتمد نظام التحكم السلسلة "المحسّنة" stfm32f103rct6 التي أطلقها stm32f103xx ، وتستخدم السلسلة المحسّنة stm32f103xx الذراع عالي الأداء correx-m3 32 بت RISC core ، تردد العمل 72 ميجا هرتز ، والذاكرة المدمجة عالية السرعة (تصل إلى 128 كيلو بايت من ذاكرة الفلاش و 20 كيلو بايت من SRAM) ، ومنافذ الإدخال / الإخراج المحسنة الغنية والأجهزة الطرفية المتصلة بنواقل APB. تشتمل جميع طرازات الأجهزة على جهازي ADC 12 بت ، وثلاثة مؤقتات 16 بت عامة ، وجهاز توقيت PWM ، بالإضافة إلى واجهات اتصال قياسية ومتقدمة: ما يصل إلى اثنين من I2C و SPI ، وثلاثة USART ، وواحد USB وواحد علبة ، والتي تلبي المتطلبات في من حيث سعة التخزين وسرعة التشغيل.

2.3 المحرك ووحدة القيادة

من أجل تحسين قوة النظام وتقليل استهلاك الطاقة ، تتبنى دائرة القيادة شريحة الدائرة المتكاملة L298N على أساس تعديل عرض النبض. الأكثر شيوعًا هو L298N في حزمة 15 pin muliwart ، والتي تحتوي على دائرة محرك منطقي بأربع قنوات ، أي محرك جسر كامل مزدوج عالي الجهد وعالي التيار مع جسرين h ، يمكنهما القيادة والتحكم في اثنين من محركات التيار المستمر. تعتمد الرقاقة على مصدر طاقة مزدوج لإمداد طاقة المحرك وإمداد طاقة المستوى المنطقي ، ويمكن أن تقبل إشارة مستوى منطق TTL القياسية لدفع المحركات أقل من 46 فولت و 2 أمبير ، ويمكنها قيادة الحمل الاستقرائي. ENA و ENB هي أطراف تحكم تمكن من التحكم ، in1 ، in2 ، in3 و in4 هي محطات إدخال مستوى التحكم ، وتظهر الدائرة في الشكل 2. يتم استخدام محرك DC ذو الكوب المجوف في هذا التصميم ، والذي يتميز بخصائص توفير الطاقة المتميزة ، وخصائص التحكم الحساسة والمريحة وخصائص التشغيل المستقرة. تبلغ الكفاءة القصوى بشكل عام أكثر من 70٪ ، ويمكن أن تصل بعض المنتجات إلى أكثر من 90٪ ؛ ابدأ واكبح بسرعة واستجب بسرعة كبيرة ؛ يتم تقليل وزنه وحجمه نسبيًا بمقدار 1 / 3-1 / 2 ، ويتم ضبط دورة عمل النبض بواسطة PWM.

2.4 وحدة الكشف بالأشعة تحت الحمراء وحدة الكشف بالأشعة تحت الحمراء مسؤولة بشكل أساسي عن مراقبة بيئة المتاهة ومعالجتها. يتم تعديل الأشعة تحت الحمراء وإرسالها بواسطة أنبوب الإرسال ، ويستقبل أنبوب الاستقبال الضوء المنعكس من جدار المتاهة ، ويحكم على المسافة من جدار التقسيم وفقًا لقوة الإشارة المنعكسة المستلمة. بالمقارنة مع طرق الكشف التقليدية بالأشعة تحت الحمراء ، يتمتع النظام بالخصائص التالية: (1) زاد عدد مجسات الأشعة تحت الحمراء من 5 إلى 6. بالإضافة إلى الزاويتين المائلتين بزاوية 45 درجة للأمام واليسار واليمين والأمام ، تمت إضافة مجموعة من مستشعرات الأشعة تحت الحمراء في المقدمة. من خلال اندماج معلومات مجموعتي أجهزة الاستشعار في المقدمة ، يتحقق العبور المائل بزاوية 45 درجة. بالمقارنة مع ضبط الزاوية اليمنى البالغ 90 درجة السابقة ، فإنه يوفر الوقت ويحسن الكفاءة.

(2) تم اعتماد تصميم مكبر الصوت على أساس شبكة اختيار التردد المزدوج ، ويحقق مستشعر الأشعة تحت الحمراء المدى بين فأرة الكمبيوتر والعائق وفقًا لقوة الإشارة المنعكسة. في الماضي ، تم استخدام مستشعر استقبال الأشعة تحت الحمراء المدمج (مثل irm8601s) ، وتم دمج دائرة التحكم التلقائي في الكسب ودائرة مرشح تمرير النطاق ودائرة فك التشفير ودائرة قيادة الإخراج في رأس الاستقبال. ومع ذلك ، نظرًا لأن إشارة الكشف تخرج إشارة رقمية ، فيمكنها فقط الحكم على ما إذا كانت هناك عوائق أم لا ، ولا يمكن حساب المسافة وفقًا لقوة خرج إشارة الكشف. في هذا التصميم ، تم اعتماد تصميم التضخيم الانتقائي للتردد القائم على شبكة انتقائية للتردد المزدوج t و tlc084 لتضخيم الإشارات المفيدة بترددات مختلفة ومكاسب مختلفة ، وذلك لتصفية أو قمع الإشارات عديمة الفائدة.

(3) إرسال ثلاث موجات ذات تردد معدل للحد من التداخل بين الإشارات. ست مجموعات من أجهزة الاستشعار مقسمة إلى ثلاث مجموعات. مجموعات المستشعرات اليمنى واليسرى مسؤولة عن اكتشاف ما إذا كان فأرة الكمبيوتر تسير على الخط الأوسط ، وذلك لتصحيح الموقف في الوقت المناسب ؛ تتحقق المستشعرات الأمامية اليمنى واليسرى الأمامية بشكل أساسي من وجود تقاطع في الأمام ؛ تتعاون مجموعتا المستشعرات الأماميتان مع المحرك لتحقيق دوران بزاوية 45 درجة. كلما زاد تردد انبعاث ضوء الأشعة تحت الحمراء ، زادت مسافة الانتشار. في هذا التصميم ، لأن المسافة بين جدران المتاهة هي 16.8 سم (الخلية 18 سم. سمك الجدار 1.2 سم) ، وعرض فأرة الكمبيوتر بشكل عام حوالي 10 سم ، والمسافة بين جسم السيارة والجدران على كلا الجانبين حوالي 3 سم فقط ، وبالتالي فإن ترددات الانبعاث على الجانبين الأيمن والأيسر هي 33 كيلو هرتز ، والانبعاث الترددات على الجانبين الأيمن والأيسر 35 كيلو هرتز ، والمسافة الأمامية هي الأبعد ، تردد الإرسال 38 كيلو هرتز. انظر الشكل 3 للحصول على التفاصيل.

في هذا التصميم ، تم تحسين دائرة الأجهزة. يقوم المؤقت STM32 بإخراج ثلاث إشارات PWM. تشترك كل مجموعتين من أنابيب إرسال الأشعة تحت الحمراء في إشارة PWM وتعود بعد مواجهة العوائق. يقوم أنبوب استقبال الأشعة تحت الحمراء بجمع الإشارة وتضخيم الإشارة المفيدة من خلال مضخم اختيار التردد وإرسالها إلى محول AD التقريب المتتالي 12 بت لـ STM32. نظرًا لتأخير التصحيح والتصفية ، تم اعتماد أخذ عينات التيار المتردد هنا. تحتاج ADC إلى 1.5 دورة ADC 12.5 بأعلى سرعة ، وتصل إلى سرعة 1msps عند 14m ADC على مدار الساعة. تظهر دائرة المدى بالأشعة تحت الحمراء في الشكل. 4. عندما يتلقى أنبوب الاستقبال الأشعة تحت الحمراء ، يتم تشغيل D2 ، وكلما كان الانعكاس أقوى ، كانت مقاومة D2 أصغر. عندما لا يتم استقبال الأشعة تحت الحمراء ، تكون مقاومة D2 لانهائية ، وهو ما يعادل القطع ؛ يوفر اثنان من المقاومات 10K R3 و R4 انحيازًا للتيار المستمر يبلغ 2.5 فولت.

3 تصميم نظام البرمجيات تعتبر وحدة البرنامج جزءًا مهمًا من النظام. يحصل فأرة الكمبيوتر على المعلومات المحيطة من خلال الكشف عن الأشعة تحت الحمراء لإكمال الإجراءات الأساسية مثل التقديم والانعطاف والركض والتوقف. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يحصل أيضًا على المعلومات اللازمة لتحقيق البحث عن المسار الأمثل وإكمال السباق النهائي. يستخدم هذا التصميم تصميمًا معياريًا ويستدعي مختلف الإجراءات الفرعية الوظيفية من خلال البرنامج الرئيسي. يظهر مخطط تدفق البرنامج الرئيسي ومخطط تدفق المقاطعة في الشكل 5 (أ) (ب) .4 التحقق التجريبي والتحليل

(1) يستخدم تصميم التضخيم المعتمد على شبكة اختيار التردد في نظام نطاق مستشعر الأشعة تحت الحمراء. نظرًا لاختيار المعيار الوطني للمقاومة والسعة ، لا يمكن أن ينخفض ​​التردد المركزي عند 38 كيلو هرتز. التردد المركزي لشبكة اختيار التردد t المزدوج هو F0 = 1/2 RC ، R / C = 10K / 430pf ، F0 = 37 كيلو هرتز. خصائص تردد الاتساع التي تمت محاكاتها بواسطة Multisim موضحة في الشكل 6. تم بناء الدائرة التجريبية للأجهزة ، ولا ينخفض ​​التردد المركزي عند 37 كيلو هرتز ولكن 30 كيلو هرتز ، مما يقلل من قيمة RC للاختبارات المتعددة. عندما R / C = 9.1k / 430pf ، ينخفض ​​التردد المركزي عند 38 كيلو هرتز.

(2) جدار المتاهة مصنوع من البلاستيك الأبيض المجوف ، ويتم نقل جزء كبير من ضوء الأشعة تحت الحمراء ، إلى جانب تأثير أشعة الشمس. لذلك ، يمكن تغطية أنبوب الإرسال بأنبوب خارجي أسود لتقليل التداخل الخارجي ؛ يولد المعالج الدقيق ARM إشارة PWM ويرسلها إلى أنبوب إرسال الأشعة تحت الحمراء ، ويستقبل أنبوب الاستقبال إشارة الأشعة تحت الحمراء المعدلة ؛ يتم تحقيق تحويل المستوى بواسطة الصمام الثلاثي ، ويتم زيادة قدرة الإرسال عن طريق ضبط مقياس الجهد ، ويتم ضبط الإشارة وتضخيمها إلى أفضل نطاق لتحويل a / D ، ويتم الحصول على دقة المعالجة المطلوبة. يتم الحصول على مجموعة من بيانات مسافة القياس بالأشعة تحت الحمراء والجهد الناتج من خلال قياسات متعددة في التجربة. بأخذ مسافة العائق s على أنها الإحداثي وقيمة الجهد u بعد تضخيم اختيار التردد كإحداثي ، يتم رسم المنحنى باستخدام MATLAB. العلاقة بين قيمة الجهد والمسافة هي u = 0.1195 4.5962 * s-1 ، كما هو موضح في الشكل 7.

(4) باستخدام وظيفة المؤقت STM32 ، يتم تعديل إشارة PWM المطلوبة من خلال برمجة البرامج للتحكم في المحرك ونقل الأشعة تحت الحمراء. يوضح الشكل 8 إشارة PWM لقناة ch1 للموقت 4 بتردد خرج 38 كيلو هرتز ودورة عمل بنسبة 30٪ .5 الخلاصة في هذا البحث ، تم تصميم نظام تحكم فأرة الكمبيوتر على أساس stm32f103rct6. استنادًا إلى محاكاة MATLAB و muhisim ، يتم تحديد معلمات RC لشبكة اختيار التردد ، ويتم الحصول على مخطط العلاقة بين قيمة المسافة والجهد من خلال التجارب ، مما يعكس خصائص اختيار التردد الجيد لشبكة RC المزدوجة المتماثلة ؛ يتم اختيار محرك DC ذو كوب مجوف بكفاءة عالية واستجابة سريعة للمحرك ووحدة القيادة. يوضح الاختبار أن مخطط التصميم يمكن أن يلبي متطلبات النظام.