雙核高速六輪微微鼠探索控制器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微型迷宮探索機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種雙核高速六輪微微鼠探索控制器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微電腦鼠是使用嵌入式微控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成的一種智能行走機(jī)器人，在國(guó)外已經(jīng)競(jìng)賽了將近30年，其常采用兩輪結(jié)構(gòu)，兩輪微電腦鼠二維結(jié)構(gòu)如圖1所不O
[0003]微電腦鼠可以在不同“迷宮”中自動(dòng)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。其求解的迷宮之一示意如圖2所示。
[0004]隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)外專家在微電腦鼠求解迷宮的技術(shù)基礎(chǔ)之上提出了一種更具有挑戰(zhàn)性的迷宮機(jī)器人一微微鼠:為了增強(qiáng)迷宮復(fù)雜程度以及老鼠求解迷宮的難度，迷宮擋墻由原有的180mm變成了 90mm，原有的迷宮由16*16格變成了 32*32格，新的迷宮二維結(jié)構(gòu)如圖3所示。電源一旦打開，微微鼠全程完全依靠自身攜帶的傳感器自動(dòng)導(dǎo)航，并求解由1024個(gè)迷宮格組成的各種復(fù)雜迷宮，能夠快速?gòu)钠瘘c(diǎn)找到一條到達(dá)設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)的最佳路徑，然后以最快的速度沖刺到終點(diǎn)。作為一種自助導(dǎo)航智能機(jī)器人，因?yàn)橥ㄟ^無線裝置可以向控制器輸入迷宮信息，微微鼠或者微電腦鼠國(guó)際準(zhǔn)則拒絕使用無線裝置，為了能夠得到微微鼠或者是微電腦鼠探索、沖刺后的信息，只能通過算法快速寄存并儲(chǔ)存其行走信息，當(dāng)完成任務(wù)后通過控制器的232串口或者是USB串口讀取存儲(chǔ)信息。
[0005]如果認(rèn)為微微鼠只是微電腦鼠的簡(jiǎn)單拷貝，按照微電腦鼠技術(shù)來設(shè)計(jì)微微鼠，在實(shí)踐中則會(huì)發(fā)現(xiàn)如下問題:
(I)基于輪式的微微鼠只能被動(dòng)的適應(yīng)迷宮地面的打滑程度，隨著微微鼠速度的提高，其打滑概率也極大增加，導(dǎo)致求解迷宮失敗。
[0006](2)由于求解迷宮數(shù)目的大量增加，原有的微電腦鼠迷宮探索技術(shù)無法求解現(xiàn)有的復(fù)雜迷宮。
[0007](3)由于微微鼠尺寸的大幅減少，如果微微鼠采用圖1中的六組傳感器技術(shù)探測(cè)迷宮，經(jīng)常出現(xiàn)傳感器相互干擾的狀況，導(dǎo)致其探索迷宮信息失敗。
[0008](4)由于微電腦鼠探索伺服系統(tǒng)采用的都是比較低級(jí)的算法，使得微微鼠在迷宮當(dāng)中的探索一般都要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，這使得在真正的大賽中無法取勝。
[0009](5)由于迷宮擋墻尺寸的減少，使得微微鼠單格運(yùn)行的距離減少，微微鼠頻繁的剎車和啟動(dòng)加重了單片機(jī)的工作量，單一的單片機(jī)無法滿足微微鼠探索時(shí)快速啟動(dòng)和停車的要求。
[0010](6)對(duì)于兩輪驅(qū)動(dòng)的微微鼠來說一般要求驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)電機(jī)PffM控制信號(hào)要同步，受計(jì)算能力的限制單一單片機(jī)伺服系統(tǒng)很難滿足這一條件，微微鼠在直道上行駛時(shí)不能準(zhǔn)確的行走在中線上，在高速探索時(shí)很容易撞到迷宮擋墻，導(dǎo)致任務(wù)失敗。
[0011](7)由于受單片機(jī)容量和算法影響，微微鼠無法存儲(chǔ)迷宮信息，當(dāng)遇到掉電情況時(shí)所有的信息將消失，這使得整個(gè)探索過程要重新開始。
[0012](8)兩輪微微鼠系統(tǒng)在加速探索時(shí)由于重心后移，使得老鼠前部輕飄，即使在良好的路面上微微鼠也會(huì)打滑，有可能導(dǎo)致撞墻的現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于高速微微鼠的發(fā)展。
[0013](9)兩輪微微鼠系統(tǒng)在正常探索行駛時(shí)如果設(shè)計(jì)不當(dāng)造成重心前偏，將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪上承受的正壓力減小，這時(shí)微微鼠系統(tǒng)更加容易打滑，也更容易走偏，導(dǎo)致導(dǎo)航失敗。
[0014](10)兩輪微微鼠系統(tǒng)在正常探索行駛時(shí)如果設(shè)計(jì)不當(dāng)造成重心側(cè)偏將導(dǎo)致兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪承受的正壓力不同，在快速啟動(dòng)時(shí)兩輪打滑程度不一致，瞬間就偏離軌跡，轉(zhuǎn)彎時(shí)，其中正壓力小的輪子可能打滑，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎困難。
[0015](11)由于采用兩個(gè)動(dòng)力輪驅(qū)動(dòng)，為了滿足復(fù)雜迷宮下探索的加速和減速，使得單個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率較大，不僅占用的空間較大，而且有時(shí)候在一些相對(duì)需求能量較低的狀態(tài)下造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于微微鼠本體微型化發(fā)展和微微鼠系統(tǒng)能源的節(jié)省O
[0016](12)如果采用前驅(qū)+后驅(qū)的全時(shí)四驅(qū)，雖然探索時(shí)動(dòng)態(tài)性能較好，但是全時(shí)四驅(qū)顧名思義隨時(shí)隨地都保持四驅(qū)狀態(tài)，但是其耗能較高，而且探索時(shí)電機(jī)沒有工作在最優(yōu)狀
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[0017](13)如果采用前驅(qū)+后驅(qū)的分時(shí)四驅(qū)探索方式，無論是采用前驅(qū)或者是后驅(qū)時(shí)都具有一定的弱點(diǎn)，在轉(zhuǎn)彎探索時(shí)角度不是過大，就是不夠，轉(zhuǎn)彎動(dòng)態(tài)性能較差；
(14)如果采用中驅(qū)+后驅(qū)的四輪驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行探索，通過釋放后驅(qū)兩輪采用中驅(qū)兩輪轉(zhuǎn)彎，雖然微微鼠轉(zhuǎn)彎探索性能有所提高，電機(jī)的效率也得到一定優(yōu)化，但是在高速探索時(shí)會(huì)造成重心后偏，需要軟件對(duì)此進(jìn)行保護(hù)。
[0018](15)無論是兩輪驅(qū)動(dòng)或者是四輪驅(qū)動(dòng)，在高速探索遇到迷宮接縫處具有一定的高度差時(shí)，探索動(dòng)態(tài)性能都會(huì)收到嚴(yán)重影響。.(16)基于輪式的微微鼠只能被動(dòng)的適應(yīng)迷宮地面的打滑程度，隨著微微鼠速度的提高，其打滑概率也極大增加，導(dǎo)致求解迷宮失敗。
[0019]微微鼠求解迷宮是國(guó)際新興的一門技術(shù)，由于微微鼠迷宮探索技術(shù)的難度較高以及迷宮設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)還沒有研發(fā)此機(jī)器人的單位。因此，需要設(shè)計(jì)一種滿足初級(jí)者學(xué)習(xí)微微鼠求解迷宮的高速探索控制器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種雙核高速六輪微微鼠探索控制器，以解決微微鼠在探索過程中打滑、傳感器相互干擾、處理時(shí)間慢等問題。
[0021]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:微微鼠放在迷宮起始點(diǎn)，在電源打開狀態(tài)下，微微鼠先進(jìn)入自鎖狀態(tài)?？刂破魇紫乳_啟真空抽吸電機(jī)Μ，調(diào)節(jié)微微鼠與地面的摩擦系數(shù)，然后控制器解鎖微微鼠，微微鼠依靠方向傳感器Dl的反饋借助電機(jī)X和電機(jī)Y自動(dòng)調(diào)節(jié)使其運(yùn)動(dòng)方向與設(shè)定方向重合，微微鼠依靠前方、左右側(cè)面蔽障紅外傳感器S1、S2、S5、S6根據(jù)實(shí)際導(dǎo)航環(huán)境傳輸參數(shù)給STM32F407，STM32F407把環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)化為位置、速度和加速度指令值，然后與FPGA通訊，F(xiàn)PGA借助光電編碼器和電流傳感器C1~C6、方向傳感器D1、陀螺儀Gl和加速度計(jì)Al的反饋，經(jīng)其內(nèi)部位置伺服算法生成七軸獨(dú)立直流電機(jī)的PffM波信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)橋MX118驅(qū)動(dòng)微微鼠快速探索1024格的復(fù)雜迷宮。在探索過程中，控制器實(shí)時(shí)對(duì)微微鼠行走速度、地面等狀況進(jìn)行檢測(cè)，并通過調(diào)節(jié)電機(jī)M的伺服控制來有效調(diào)節(jié)真空吸盤對(duì)地面的吸附力，增加微微鼠與地面的摩擦系數(shù)。
[0022]為了提高運(yùn)算速度，保證微微鼠探索迷宮信息時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明引入了六輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)，加大了微微鼠與地面的接觸面積，并利用真空吸盤技術(shù)提高了微微鼠與地面的摩擦力系數(shù)，增加了其穩(wěn)定性。此控制器充分考慮電池在這個(gè)系統(tǒng)的作用，把控制系統(tǒng)中工作量最大的七軸伺服系統(tǒng)交給FPGA處理，充分發(fā)揮FPGA數(shù)據(jù)處理速度較快的特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)MX118放大后控制微微鼠完成復(fù)雜迷宮中的探索。
[0023]本發(fā)明采用的有益效果是:1:在探索迷宮過程中，控制器充分考慮電池在這個(gè)系統(tǒng)中的作用，基于STM32F407+FPGA的雙核控制器時(shí)刻都在對(duì)微微鼠的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和運(yùn)算，通過電流傳感器C1~C6實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)的電流可以進(jìn)行采集，從根本上避免了大電流的產(chǎn)生，所以解決了大電流對(duì)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。
[0024]2:為了進(jìn)一步提高四輪微微鼠探索控制器的穩(wěn)定性和行駛能力，并兼顧兩輪中置轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)，并保證微微鼠的重心位置有利于各種運(yùn)動(dòng)，本發(fā)明采用六輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu):中置驅(qū)動(dòng)的功率較大，后置和前置驅(qū)動(dòng)的四個(gè)個(gè)電機(jī)功率較小，只有在動(dòng)力需求較高時(shí)才啟動(dòng)，起到助力作用。由于采用六輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)，微微鼠前后中六個(gè)動(dòng)力輪都有動(dòng)力，可按迷宮地面和周圍環(huán)境狀態(tài)不同而將需求扭矩按不同比例分布在前后所有的輪子上，提高了微微鼠探索復(fù)雜迷宮并適應(yīng)復(fù)雜迷宮的能力。
[0025]3:根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)兩驅(qū)、四驅(qū)和六驅(qū)的功能，不僅滿足其動(dòng)力需求，而且還增加了其平衡性，增強(qiáng)了微微鼠的附著力和操控性。
[0026]4:由于采用多輪驅(qū)動(dòng)的復(fù)合驅(qū)動(dòng)方式，使得微微鼠具有更好的直線探索行走功會(huì)K。
[0027]5:微微鼠探索轉(zhuǎn)向時(shí)，為了保證旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，F(xiàn)PGA使能中驅(qū)的兩路PffM波輸出并禁止前后四路PWM波輸出，微微鼠采用中置的兩驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，并釋放前后置的四個(gè)助力驅(qū)動(dòng)輪，利用方向傳感器Dl、陀螺儀Gl、加速度計(jì)Al實(shí)時(shí)測(cè)量微微鼠的瞬時(shí)角度、角速度和加速度，為微微鼠精確轉(zhuǎn)彎提供可靠準(zhǔn)確的反饋。
[0028]7:多輪驅(qū)動(dòng)方式下微微鼠探索系統(tǒng)在正常探索時(shí)如果設(shè)計(jì)不當(dāng)造成重心偏移，將導(dǎo)致一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪上承受的正壓力減小，STM32F407會(huì)自動(dòng)調(diào)整這一側(cè)的動(dòng)力分配，然后FPGA使能輸出相應(yīng)電機(jī)的PffM波控制信號(hào)使探索系統(tǒng)處于一種新的平衡狀態(tài)，防止微微鼠打滑。<