單核低速四輪微微鼠沖刺控制器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微型迷宮沖刺機器人領(lǐng)域，尤其涉及一種單核低速四輪微微鼠沖刺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、傳感器和機電運動部件構(gòu)成的一種智能行走機器人，在國外已經(jīng)競賽了將近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”中自動記憶和選擇路徑，采用相應(yīng)的算法，快速地到達所設(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)、計算機控制技術(shù)的不斷進步，國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)性的迷宮機器人一微微鼠:為了增強迷宮復(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導(dǎo)航，并求解由1024個迷宮格組成的各種復(fù)雜迷宮，能夠快速從起點找到一條到達設(shè)定目標點的最佳路徑，然后以最快的速度沖刺到終點。作為一種自助導(dǎo)航智能機器人，因為通過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際準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沖刺、沖刺后的信息，只能通過算法快速寄存并儲存其行走信息，當(dāng)完成任務(wù)后通過控制器的232串口或者是USB串口讀取存儲信息。
[0005]微微鼠在迷宮沖刺過程中要時刻判斷周圍的環(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行運動。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，對于提升在校學(xué)生的動手能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進學(xué)生課堂知識的消化和擴展學(xué)生的知識面都非常有幫助，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，進而促進相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進程。
[0006]如果認為微微鼠只是微電腦鼠的簡單拷貝，按照微電腦鼠技術(shù)來設(shè)計微微鼠，在實踐中則會發(fā)現(xiàn)如下問題:
(I)基于輪式的微微鼠只能被動的適應(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。
[0007](2)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)無法求解現(xiàn)有的復(fù)雜迷宮。
[0008](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)探測迷宮，經(jīng)常出現(xiàn)傳感器相互干擾的狀況，導(dǎo)致其讀取迷宮信息失敗。
[0009](4)由于微電腦鼠伺服系統(tǒng)采用的都是比較低級的算法，使得微微鼠在迷宮當(dāng)中的沖刺一般都要花費較長的時間，這使得在真正的大賽中無法取勝。
[0010](5)由于受單片機容量影響，現(xiàn)有的微微鼠基本上都只有兩個動力驅(qū)動輪，采用兩輪差速方式行駛，使得系統(tǒng)對兩軸的伺服要求較高，特別是直線沖刺時，要求速度和加速度要追求嚴格的一致，否則直線沖刺將會失敗，導(dǎo)致微微鼠出現(xiàn)撞墻的現(xiàn)象發(fā)生；
(6)兩輪微微鼠沖刺系統(tǒng)在加速時由于重心后移，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。
[0011](7)兩輪微微鼠系統(tǒng)在正常行駛時如果設(shè)計不當(dāng)造成重心前偏，將導(dǎo)致驅(qū)動輪上承受的正壓力減小，這時微微鼠系統(tǒng)更加容易打滑，也更容易走偏，導(dǎo)致導(dǎo)航失敗。
[0012](8)兩輪微微鼠系統(tǒng)在正常行駛時如果設(shè)計不當(dāng)造成重心側(cè)偏將導(dǎo)致兩個驅(qū)動輪承受的正壓力不同，在快速啟動時兩輪打滑程度不一致，瞬間就偏離軌跡，轉(zhuǎn)彎時，其中正壓力小的輪子可能打滑，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎困難。
[0013](9)由于采用兩個動力輪驅(qū)動，為了滿足復(fù)雜狀態(tài)下的加速和減速，使得單個驅(qū)動電機的功率較大，不僅占用的空間較大，而且有時候在一些相對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。
[0014]微微鼠求解迷宮是國際新興的一門技術(shù)，由于微微鼠迷宮沖刺技術(shù)的難度較高以及迷宮設(shè)計的復(fù)雜性，導(dǎo)致國內(nèi)還沒有研發(fā)此機器人的單位。因此，需要設(shè)計一種滿足初級者學(xué)習(xí)微微鼠求解迷宮的高速沖刺控制器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種單核低速四輪微微鼠沖刺控制器，以解決微微鼠在行走過程中打滑、傳感器相互干擾、處理時間慢等問題。
[0016]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:單核低速四輪微微鼠沖刺控制器，包括電池裝置、傳感器裝置、陀螺儀裝置、真空抽吸裝置和控制單元模塊；微微鼠的四輪其中一對位于微微鼠的中部，另一對位于微微鼠的尾部；所述陀螺儀裝置包括陀螺儀Gl和加速度計Al，所述陀螺儀Gl為三軸陀螺儀用于測量三個轉(zhuǎn)動方向運動，所述加速度計Al為三軸加速度計用于測量三個平移運動的加速度；所述傳感器裝置包括位于兩側(cè)的紅外傳感器SI和S6，位于前端的紅外傳感器S2和S5，所述傳感器S1、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S2和S5合作為直線運動提供導(dǎo)航依據(jù)；所述電池裝置分別電連接控制單元模塊、電機X、電機Y、電機R、電機Z和電機M，所述傳感器裝置和陀螺儀裝置分別信號連接控制單元模塊，所述控制單元模塊分別信號連接電機X、Y、R、Z和M ;所述控制單元模塊包括上位機程序模塊和運動控制程序模塊，所述上位機程序模塊包括STM32F407處理器，所述運動控制程序模塊包括兩片兩軸驅(qū)動控制芯片L6207D，所述L6207D芯片處理四軸行走伺服控制和單軸真空吸附伺服控制，所述STM32F407處理器電性連接L6207D芯片，所述四軸行走伺服控制單元信號連接單軸真空吸附伺服控制單元。
[0017]作為本發(fā)明的進一步改進，還包括有電壓傳感器Vl，所述電壓傳感器Vl電連接電池裝置，信號連接控制單元模塊的STM32F407處理器。
[0018]作為本發(fā)明的進一步改進，還包括光補償傳感器LI，所述光補償傳感器LI信號連接控制單元模塊的STM32F407處理器。
[0019]作為本發(fā)明的進一步改進，還包括有電流傳感器C1、C2、C3和C4，所述電流傳感器Cl、C2、C3和C4信號連接STM32F407處理器。
[0020]作為本發(fā)明的更進一步改進，所述STM32F407通過I/O 口連接L6207D芯片，從而使能控制兩片兩軸驅(qū)動控制芯片L6207D。
[0021]作為本發(fā)明的進一步改進，所述電機X、Y、Z和R為高速永磁直流電機，所述電機M為微型直流電機。
[0022]作為本發(fā)明的進一步改進，所述紅外傳感器SI和S2信號發(fā)射方向間的夾角為75°?90°角，所述紅外傳感器S5和S6信號發(fā)射方向間的夾角為75°?90°角。
[0023]本發(fā)明采用的有益效果是:1:在運動過程中，充分考慮了電池在這個系統(tǒng)中的作用，基于STM32F407+L6207D控制器時刻都在對微微鼠的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和運算，由于L6207D內(nèi)部集成了電流采集電路，時刻對電機的電流可以進行采集，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:為了充分提高微微鼠系統(tǒng)的穩(wěn)定性和行駛能力，并兼顧兩輪中置轉(zhuǎn)向的優(yōu)點，本發(fā)明采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu):中置驅(qū)動的功率較大，后置驅(qū)動的兩個個電機功率較小，只有在動力需求較高時才啟動，起到助力作用。由于采用四輪驅(qū)動技術(shù)，微微鼠前后輪都有動力，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，以提高微微鼠的行駛能力。
[0025]3:根據(jù)需要實現(xiàn)分時四驅(qū)。在正常行駛環(huán)境下，微微鼠一般會采用釋放后輪，采用中置輪驅(qū)動的方式；而一旦遇到路面灰塵較多或加速狀況時，STM32407會自動檢測并立即將微微鼠需求扭矩分配給后置兩個助力驅(qū)動輪，同時控制器改變電機M的伺服控制，微微鼠系統(tǒng)自然切換到四輪驅(qū)動狀態(tài)，增強了微微鼠的附著力和操控性。
[0026]4:由于采用中驅(qū)+后驅(qū)的復(fù)合四輪驅(qū)動方式，當(dāng)需要加速行駛時，把動力分配到四個電機，一旦一個動力輪由于地面、機械結(jié)構(gòu)等造成暫時離開地面，STM32407可以重新分配扭矩，把更多的扭矩分配在未失速的驅(qū)動輪上，使系統(tǒng)迅速脫離不穩(wěn)定狀態(tài)，重新回到四軸動力平衡狀態(tài)，使得微微鼠具有更好的直線行走功能。
[0027]5:微微鼠轉(zhuǎn)向時，為了保證旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，采用中置的兩驅(qū)動輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，并釋放后置的兩助力驅(qū)動輪，并利用加速度計實時測量微微鼠的瞬時加速度，為微微鼠精確轉(zhuǎn)彎提供反饋。
[0028]6:四輪微微鼠系統(tǒng)在正常行駛時如果設(shè)計不當(dāng)造成重心前偏，將導(dǎo)致后側(cè)驅(qū)動輪上承受的正壓力減小，STM32F407會自動調(diào)整后側(cè)的動力分配，使系統(tǒng)處于一種新的平衡狀態(tài)，防止微微鼠打滑。
[0029]7:四輪微微鼠系統(tǒng)在正常行駛時如果設(shè)計不當(dāng)造成重心側(cè)偏，將導(dǎo)致一側(cè)驅(qū)動輪上承受的正壓力減小，STM32F407會自動調(diào)整這一側(cè)的動力分配，使系統(tǒng)處于一種新的平衡狀態(tài)，防止微微鼠打滑。
[0030]8:由STM32F407處理微微鼠的五只直流電機的獨立伺服控制，使得控制比較簡單，大大提高了運算速度，解決了單片機軟件運行較慢的瓶頸，縮短了開發(fā)周期短，并且程序可移植能力強。
[0031]9:本發(fā)明基本實現(xiàn)全貼片元器件材料，不僅節(jié)省了控制板占用空間，而且有利于體積和重量的減輕，有利于提高微微鼠的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。
[0032]10:采用四組傳感器求解迷宮技術(shù)替代原有的六組傳感器求解迷宮技術(shù)不僅減少了系統(tǒng)中各傳感器組的干擾，并提高了迷宮擋墻采集頻率，有利于提高微微鼠伺服控制器的運算速度。
[0033]11:由于本控制器采用STM32F407處理迷宮讀取