雙核高速四輪微微鼠沖刺控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種微微鼠(PIC0M0USE)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，屬于微型迷宮機(jī)器人領(lǐng)域。
【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所示。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，圖2中便是微電腦鼠求解的迷宮中的一種。
[0003]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比賽國(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等接口讀取存儲(chǔ)信息。
[0004]微微鼠在迷宮沖刺過程中要時(shí)刻判斷周圍的環(huán)境，然后傳輸參數(shù)到控制器，由控制器反復(fù)控制其在迷宮方格中精確的加速和減速進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。一只優(yōu)秀的微微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，否則將無法完成沖刺任務(wù)。微微鼠迷宮沖刺技術(shù)綜合了多學(xué)科知識(shí)，對(duì)于提升在校學(xué)生的動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生課堂知識(shí)的消化和擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面都非常有幫助，并且微微鼠迷宮沖刺技術(shù)的開展可以培養(yǎng)大批相關(guān)領(lǐng)域的人才，進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
[0005]微微鼠求解迷宮是國(guó)際新興的一門技術(shù)，由于微微鼠迷宮沖刺技術(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。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)踐中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)出的微微鼠存在下列問題:
1、由于求解迷宮數(shù)目的大量增加，原有的微電腦鼠求解迷宮技術(shù)無法用于微微鼠求解現(xiàn)有的復(fù)雜迷宮，無法為高速?zèng)_刺控制器提供一條最佳沖刺路徑。
[0006]、由于微微鼠的尺寸相較于微電腦鼠的尺寸大幅減少，如果微微鼠采用圖1中微電腦鼠的六組傳感器技術(shù)探測(cè)迷宮，經(jīng)常出現(xiàn)傳感器相互干擾的狀況，導(dǎo)致微微鼠在高速?zèng)_刺時(shí)讀取和更新迷宮信息失敗。
[0007]、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。
[0008]、由于微電腦鼠伺服系統(tǒng)采用的都是比較低級(jí)的算法，如果直接將這些算法套用在微微鼠上，使得微微鼠在迷宮當(dāng)中沖刺一般都要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，這使得在真正的大賽中無法取勝。
[0009]、由于迷宮擋墻尺寸的減少，使得微微鼠相較于微電腦鼠單格運(yùn)行的距離減少，微微鼠在高速?zèng)_刺過程中的頻繁剎車和啟動(dòng)加重了單片機(jī)的工作量，單一的單片機(jī)無法滿足微微鼠快速?zèng)_刺啟動(dòng)和停車的要求。
[0010]、由于受單片機(jī)容量影響，現(xiàn)有的微電腦鼠基本上都只有兩個(gè)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)輪、采用兩輪差速方式行駛，使得系統(tǒng)對(duì)兩軸的伺服要求較高，特別是直線加速?zèng)_刺導(dǎo)航時(shí)，要求速度和加速度要追求嚴(yán)格的一致，否則直線導(dǎo)航將會(huì)失敗，將現(xiàn)有的微電腦鼠直接用于微微鼠容易導(dǎo)致微微鼠出現(xiàn)撞墻的現(xiàn)象發(fā)生。
[0011]、對(duì)于兩輪驅(qū)動(dòng)的微電腦鼠來說一般要求驅(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，因此直接將單一單片機(jī)伺服技術(shù)套用在微微鼠上，微微鼠在直道上沖刺時(shí)很難準(zhǔn)確行走在中線上，在高速?zèng)_刺時(shí)很容易撞到左右迷宮擋墻，導(dǎo)致沖刺任務(wù)失敗。
[0012]、兩輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在加速時(shí)由于重心后移，使得前部輕飄，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)，不利于高速微微鼠沖刺的發(fā)展。
[0013]、兩輪如果設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)造成重心前偏或重心側(cè)偏，重心前偏正常行駛時(shí)將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪上承受的正壓力減小，使得運(yùn)動(dòng)時(shí)更加容易打滑、也更容易走偏，導(dǎo)致導(dǎo)航失敗。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。
[0014]、采用兩個(gè)動(dòng)力輪驅(qū)動(dòng)，為了滿足復(fù)雜狀態(tài)下的加速和減速，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)，不利于微型化發(fā)展和系統(tǒng)能源的節(jié)省。
[0015]、微電腦鼠采用的都是一些體積比較大的插件元器件，直接將這些用于微微鼠的設(shè)計(jì)使得微微鼠的體積和重量相對(duì)都比較大，無法滿足快速?zèng)_刺的要求。
[0016]、由于受周圍環(huán)境不穩(wěn)定因素干擾，單片機(jī)控制器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)異常，引起微微鼠失控，抗干擾能力較差。
[0017]、在運(yùn)行過程中，一旦遇到撞墻情況都會(huì)發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)情況，造成電機(jī)瞬間電流過大，嚴(yán)重時(shí)燒壞電機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明的目的是解決的借助現(xiàn)有的先進(jìn)控制技術(shù)以及先進(jìn)控制芯片提供一種雙核高速四輪微微鼠沖刺控制器，解決現(xiàn)有技術(shù)中的諸多問題問題。
[0019]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
雙核高速四輪微微鼠沖刺控制器，包括主板，還包括電池、第一傳感器S1、第二傳感器S2、第三傳感器S5、第四傳感器S6、第一電機(jī)X、第二電機(jī)Y、第三電機(jī)R、第四電機(jī)Z、第五電機(jī)M、三軸陀螺儀Gl、三軸加速度計(jì)Al、真空裝置、STM32F407處理器和FPGA芯片，它們均安裝在主板上；
所述STM32F407處理器電性連接FPGA芯片，所述電池、第一傳感器S1、第二傳感器S2、第三傳感器S5、第四傳感器S6、三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al均與STM32F407處理器信號(hào)連接，F(xiàn)PGA芯片與第一電機(jī)X、第二電機(jī)Y、第三電機(jī)R、第四電機(jī)Z和第五電機(jī)M信號(hào)連接；
所述四軸行走伺服控制單元與真空吸附伺服控制單元信號(hào)連接，所述第一電機(jī)X、第二電機(jī)Y、第三電機(jī)R和第四電機(jī)Z與四軸行走伺服控制單元信號(hào)連接，所述第五電機(jī)M與真空吸附伺服控制單元信號(hào)連接；
第一傳感器S1、第二傳感器S2、第三傳感器S5和第四傳感器S6中的兩個(gè)信號(hào)發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向相同、其中兩個(gè)信號(hào)發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向相同、另外兩個(gè)信號(hào)發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向間有一定夾角、信號(hào)發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向間有一定夾角的兩個(gè)傳感器的探測(cè)區(qū)域與主板設(shè)有車輪的側(cè)面的延長(zhǎng)面相交且探測(cè)區(qū)域能夠繞開發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向相同的傳感器所在位置，第一電機(jī)X、第二電機(jī)Y、第三電機(jī)R和第四電機(jī)Z分別與位于微微鼠兩側(cè)的四輪一一對(duì)應(yīng)、其中兩個(gè)電機(jī)設(shè)置在主板中部?jī)蓚?cè)、另外兩個(gè)電機(jī)設(shè)置在主板后端兩側(cè)使得它們與四個(gè)輪子的位置一一對(duì)應(yīng)構(gòu)成中驅(qū)加后驅(qū)的復(fù)合結(jié)構(gòu)；所述第五電機(jī)M與真空裝置連接；
在電源打開狀態(tài)下微電腦鼠先進(jìn)入自鎖狀態(tài)，當(dāng)所述微電腦鼠放在迷宮起始點(diǎn)時(shí)、所述STM32F407處理器處理后與FPGA處理器通訊進(jìn)而使得FPGA處理器首先控制第五電機(jī)M使得真空裝置開啟，第一傳感器S1、第二傳感器S2、第三傳感器S5和第四傳感器S6根據(jù)實(shí)際導(dǎo)航環(huán)境將參數(shù)傳輸給STM32F407處理器，STM32F407處理器處理參數(shù)后與FPGA芯片通訊，由FPGA芯片處理第一電機(jī)X、第二電機(jī)Y、第三電機(jī)R和第四電機(jī)Z伺服控制實(shí)現(xiàn)四軸行走伺服控制、且FPGA芯片處理第五電機(jī)M實(shí)現(xiàn)單軸真空抽吸附伺服控制，且FPGA芯片把處理數(shù)據(jù)通訊給STM32F407處理器、由STM32F407處理器繼續(xù)處理后續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)。
[0020]由于微微鼠體積的大幅度降低，如果還是采用如圖1所示微電腦鼠的結(jié)構(gòu)、傳感器2和3間以及傳感器4和5間經(jīng)常產(chǎn)生相互干擾，同時(shí)由于每組傳感器采集迷宮擋墻參數(shù)都需要一定的時(shí)間，加重了采樣周期，導(dǎo)致采樣頻率降低，延長(zhǎng)了處理器STM32F407的處理時(shí)間。因此想到進(jìn)行改進(jìn)，如圖4所示，傳感器S1、傳感器S6共同作用判斷前方擋墻，傳感器S2判斷其左邊擋墻的存在，傳感器S5判斷其右邊擋墻的存在，同時(shí)傳感器S2和傳感器S5合作為微微鼠直線運(yùn)動(dòng)提供導(dǎo)航依據(jù)。為了使用智能算法計(jì)算迷宮擋墻信息，在使用前可以對(duì)微微鼠進(jìn)行校正，校正時(shí)微微鼠放在迷宮不同設(shè)定位置，傳感器S1、傳感器S2、傳感器S5和傳感器S6發(fā)出的信號(hào)經(jīng)側(cè)擋墻反饋后分別被傳感器S1、傳感器S2、傳感器S5和傳感器S6接收(在傳感器S1、傳感器S2、傳感器S5和傳感器S6均包括紅外發(fā)射傳感器0PE5594A和紅外接收器TSL262的情況下，第一傳感器S1、第二傳感器S2、第三傳感器S5和第四傳感器S6的紅外發(fā)射傳感器0PE5594A發(fā)射出的紅外光經(jīng)擋墻反饋后會(huì)被對(duì)應(yīng)的紅外接收器TSL262接收)，接收值經(jīng)控制器計(jì)算后作為當(dāng)前位置的設(shè)定閥值，然后微微鼠使用時(shí)在行走過程中通過與這些閥值比較得到其迷宮信息。
[0021]為了進(jìn)一步提高四輪微微鼠在迷宮中沖刺時(shí)的穩(wěn)定性，本發(fā)明在微微鼠伺服硬件系統(tǒng)中加入了三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al，控制器舍棄了原有只在轉(zhuǎn)彎時(shí)才開啟陀螺儀的模式。在微微鼠行走迷宮期間全程開啟陀螺儀和加速度計(jì)，三軸陀螺儀Gl用來測(cè)量微微鼠三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，三軸加速度計(jì)用來測(cè)量微微鼠三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)的加速度?？?