雙核高速兩輪微微鼠沖刺控制器及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及微型迷宮沖刺機器人領域，尤其涉及一種雙核高速兩輪微微鼠沖刺控制器及其控制方法。
【背景技術】
[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成的一種智能行走機器人，在國外已經競賽了將近30年，其常采用兩輪結構，兩輪微電腦鼠二維結構如圖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，采用相應的算法，快速地到達所設定的目的地。其求解的迷宮之一示意如圖2所示。
[0004]隨著微電子技術、計算機控制技術的不斷進步，國外專家在微電腦鼠求解迷宮的技術基礎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，新的迷宮二維結構如圖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航，并求解由1024個迷宮格組成的各種復雜迷宮，能夠快速從起點找到一條到達設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，當完成任務后通過控制器的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，然后傳輸參數到控制器，由控制器反復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。微微鼠迷宮沖刺技術綜合了多學科知識，對于提升在校學生的動手能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進學生課堂知識的消化和擴展學生的知識面都非常有幫助，并且微微鼠迷宮沖刺技術的開展可以培養(yǎng)大批相關領域的人才，進而促進相關領域的技術發(fā)展和產業(yè)化進程。
[0006]如果認為微微鼠只是微電腦鼠的簡單拷貝，按照微電腦鼠技術來設計微微鼠，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迷宮地面的打滑程度，隨著微微鼠沖刺速度的提高，其打滑概率也極大增加，導致求解迷宮失敗。
[0007](2)由于求解迷宮數目的大量增加，原有的微電腦鼠求解迷宮技術無法求解現(xiàn)有的復雜迷宮。
[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探測沖刺時的迷宮，經常出現(xiàn)傳感器相互干擾的狀況，導致其讀取迷宮信息失敗。
[0009](4)由于微電腦鼠沖刺伺服系統(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 )由于迷宮擋墻尺寸的減少，使得微微鼠單格運行的距離減少，微微鼠沖刺過程中頻繁的剎車和啟動加重了單片機的工作量，單一的單片機無法滿足微微鼠快速沖刺啟動和停車的要求。
[0011 ] (6)對于兩輪驅動的微微鼠來說一般要求驅動其沖刺的兩個電機PWM控制信號要同步，受計算能力的限制單片機伺服系統(tǒng)很難滿足這一條件，微微鼠在直道上行駛時不能準確的行走在中線上，在高速沖刺時很容易撞到迷宮擋墻，導致任務失敗。
[0012](7)由于受單片機容量和算法影響，微微鼠無法存儲迷宮信息，當遇到掉電情況時所有的信息將消失，使得微微鼠無法完成沖刺任務。
[0013](8)微微鼠在迷宮沖刺時，易于受到外界干擾，由于沒有進行及時補償導致微微鼠碰撞迷宮擋墻，最終無法完成沖刺任務。
[0014](9)微微鼠在沖刺過程中，一旦遇到撞墻情況都會發(fā)生電機堵轉情況，造成電機瞬間電流過大，嚴重時燒壞電機。
[0015]微微鼠求解迷宮是國際新興的一門技術，由于微微鼠技術的難度較高以及迷宮設計的復雜性，導致國內還沒有研發(fā)此機器人的單位。因此，需要設計一種滿足初級者學習微微鼠求解迷宮的高速沖刺控制器。

【發(fā)明內容】

[0016]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術的不足，提供一種雙核高速兩輪微微鼠沖刺控制器，以解決微微鼠在高速沖刺過程中打滑、傳感器相互干擾、處理時間慢等問題。
[0017]本發(fā)明采用的技術方案是:基于STM32F407+FPGA芯片的全新控制模式，其程序框圖如圖4所示。全數字微微鼠兩軸行走伺服控制系統(tǒng)以FPGA微處理器為核心，充分發(fā)揮FPGA數據處理速度較快的特點，使其全權處理三軸直流伺服系統(tǒng)的各種算法，把STM32F407從復雜的數據處理中解脫出來。其中伺服系統(tǒng)位置、速度、電流的給定值由微處理器STM32F407根據傳感器S1、S2、S5、S6的導航值來生成，光電編碼器反饋和電機的檢測電流經FPGA內部算法解碼后作為三閉環(huán)伺服控制的反饋值，經FPGA內部PID調節(jié)后生成控制三軸電機的PWM波。同時STM32F407實現(xiàn)部分的信號處理算法(直流電機轉矩補償等)和FPGA的控制邏輯，并響應中斷，實現(xiàn)二者之間的數據通信和存儲實時信號。
[0018]雙核高速兩輪微微鼠沖刺控制器，其特征是包括電池裝置、傳感器裝置、陀螺儀裝置G、真空抽吸裝置和控制單元模塊；所述電池裝置分別電連接控制單元模塊、電機X、電機Y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和M ;所述電機X和電機Y位于兩側，電機M位于尾部，所述陀螺儀裝置G位于中心位置；所述傳感器裝置包括位于兩側的紅外傳感器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航依據；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FPGA處理器，所述FPGA處理器包括兩軸行走伺服控制單元和單軸真空吸附伺服控制單元，所述STM32F407處理器電性連接FPGA處理器，所述兩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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]作為本發(fā)明的進一步改進，還包括有電流傳感器Cl和C2，所述電流傳感器Cl和C2信號連接STM32F407處理器。
[0022]作為本發(fā)明的更進一步改進，所述FPGA處理器通過I/O端口與STM32F407處理器實時通訊，STM32F407處理器控制FPGA處理器開通和關斷。
[0023]作為本發(fā)明的進一步改進，所述電機X和Y為高速永磁直流電機，所述電機M為微型直流電機。
[0024]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。
[0025]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+FPGA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，避免了大電流的產生，所以從根本上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。
[0026]2、由FPGA處理微微鼠數字伺服系統(tǒng)的行走伺服控制和真空吸附伺服控制，充分發(fā)揮FPGA控制方面的特長以及程序移植功能，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