單核低速兩輪微微鼠全數(shù)字導(dǎo)航伺服控制器及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微型迷宮機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及兩輪微微鼠全數(shù)字伺服控制器及控制方法。
【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。其求解的迷宮之一示意如圖2所示。
[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(kāi)，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^(guò)無(wú)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(wú)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(guò)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(guò)控制器的232串口或者是USB串口讀取存儲(chǔ)信息。
[0004]微微鼠在迷宮中導(dǎo)航過(guò)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，良好的導(dǎo)航能力，優(yōu)秀的智能算法，否則將無(wú)法完成任務(wù)。微微鼠技術(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，并且微微鼠迷宮導(dǎo)航技術(shù)的開(kāi)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]目前應(yīng)用的微微鼠在挑戰(zhàn)32*32格的迷宮時(shí)發(fā)現(xiàn)具有以下問(wèn)題:
(O由于求解迷宮數(shù)目的大量增加，原有的微微鼠求解迷宮技術(shù)無(wú)法求解現(xiàn)有的復(fù)雜迷宮。
[0006](2)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。
[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)致其讀取迷宮信息失敗。
[0008](4)由于微微鼠伺服系統(tǒng)采用的都是比較低級(jí)的算法，使得微微鼠在迷宮當(dāng)中的探索和沖刺一般都要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，這使得在真正的大賽中無(wú)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(wú)法滿足微微鼠快速啟動(dòng)和停車的要求。
[0010](6)對(duì)于兩輪驅(qū)動(dòng)的微微鼠來(lái)說(shuō)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，在高速導(dǎo)航時(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(wú)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(guò)程要重新開(kāi)始。
[0012](8)微微鼠在迷宮導(dǎo)航時(shí)，易于受到外界干擾，由于沒(méi)有進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)償導(dǎo)致微微鼠碰撞迷宮擋墻，最終無(wú)法完成任務(wù)。
[0013](9)微微鼠在運(yùn)行過(guò)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(guò)大，嚴(yán)重時(shí)燒壞電機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是現(xiàn)有的微微鼠在32*32格的迷宮應(yīng)用中所存在的諸多弊端，為此提供一種單核低速兩輪微微鼠全數(shù)字導(dǎo)航伺服控制器及控制方法。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)方案是:單核低速兩輪微微鼠全數(shù)字導(dǎo)航伺服控制器，它包括微微鼠本體，所述微微鼠本體上集成有紅外線傳感器、電壓傳感器、鋰離子電池、STM32F407控制器、三軸陀螺儀、L6207D控制芯片、分別控制左車輪和右車輪的永磁直流電機(jī)X和永磁直流電機(jī)Y，所述紅外線傳感器、鋰離子電池、電壓傳感器、三軸陀螺儀、L6207D控制芯片分別和STM32F407控制器信號(hào)連接，所述第一永磁直流電機(jī)和第二永磁直流電機(jī)分別與L6207D控制芯片信號(hào)連接，所述紅外線傳感器包括四個(gè)獨(dú)立的紅外發(fā)射管和四個(gè)與紅外發(fā)射管一一對(duì)應(yīng)的紅外接收器，所述四個(gè)獨(dú)立的紅外發(fā)射管包括由位于微微鼠本體前端共線間隔設(shè)置且檢測(cè)區(qū)域?yàn)槲⑽⑹笞笥曳较虻牡谝患t外發(fā)射管和第二紅外發(fā)射管構(gòu)成的水平檢測(cè)組，以及分別位于左車輪和右車輪內(nèi)側(cè)檢測(cè)區(qū)域?yàn)槲⑽⑹笄昂蠓较虻牡谌t外發(fā)射管和第四紅外發(fā)射管構(gòu)成的垂直檢測(cè)組。
[0016]上述方案中所述第一紅外發(fā)射管和第二紅外發(fā)射管位于第三紅外發(fā)射管和第四紅外發(fā)射管之間。
[0017]上述方案的改進(jìn)是它還包括真空抽吸電機(jī)和位于微微鼠底部的真空吸盤，所述真空抽吸電機(jī)與STM32F407控制器信號(hào)連接以控制真空吸盤動(dòng)作。
[0018]上述方案中所述第一永磁直流電機(jī)和第二永磁直流電機(jī)分別通過(guò)光電編碼器與STM32F407控制器信號(hào)連接。
[0019]上述方案中所述紅外發(fā)射管是0PE5594A型紅外發(fā)射管，所述紅外接收器是TSL262型紅外接收器。
[0020]上述方案中所述L6207D控制芯片是24管腳S024封裝，所述L6207D控制芯片的
1、2、11、14、12和23管腳與STM32F407控制器的輸出管腳相連，5和8管腳與第一永磁直流電機(jī)相連，16和21管腳與第二永磁直流電機(jī)相連。
[0021]單核低速兩輪微微鼠全數(shù)字導(dǎo)航伺服控制器的控制方法，它包括以下步驟:(1)、電壓檢測(cè):在電源打開(kāi)狀態(tài)下，微微鼠先進(jìn)入自鎖狀態(tài)，然后把微微鼠放在迷宮起始點(diǎn)，電壓傳感器Vl會(huì)對(duì)鋰離子電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，如果伺服系統(tǒng)處于低壓狀態(tài)，同時(shí)電壓傳感器Vl將與STM32F407控制器進(jìn)行通訊，STM32F407控制器禁止L6207D工作，0UT1A、0UT2A、OUTlB和0UT2B均為低電平，第一永磁直流電機(jī)和第二永磁直流電機(jī)不能啟動(dòng)，STM32F407控制器并發(fā)出并報(bào)警信號(hào)；(2)、真空抽吸直流電機(jī)、真空抽吸裝置和真空吸盤的聯(lián)動(dòng):如果電壓正常，此時(shí)STM32F407控制器首先開(kāi)啟真空抽吸直流電機(jī)M，通過(guò)真空抽吸裝置先對(duì)真空吸盤抽吸，使真空吸盤對(duì)地面具有一定的吸附力，STM32F407控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)，如果地面不干凈，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)真空抽吸電機(jī)M加大真空吸盤對(duì)地面的吸附力；(3)、微微鼠迷宮探索:微微鼠靠水平檢測(cè)組和垂直檢測(cè)組探測(cè)未知迷宮信息，實(shí)際導(dǎo)航環(huán)境經(jīng)紅外接收器TSL262轉(zhuǎn)換后輸送給STM32F407控制器，STM32F407控制器先把這些環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)化為微微鼠左右輪要運(yùn)行的距離、速度和加速度指令值，然后再結(jié)合光電編碼器的反饋生成驅(qū)動(dòng)兩軸永磁直流電機(jī)的PWM波，最終使能L6207D，由L6207D驅(qū)動(dòng)兩個(gè)永磁直流電機(jī)，并由三軸陀螺儀Gl實(shí)時(shí)全程進(jìn)行位置檢測(cè)和補(bǔ)償，并通過(guò)電流傳感器Cl、C2進(jìn)行電流檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)兩軸高速直流電機(jī)的同步伺服控制，并把處理數(shù)據(jù)通過(guò)光電編碼器通訊給STM32F407控制器，由STM32F407控制器繼續(xù)處理后續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)；(4)糾偏調(diào)整:根據(jù)微微鼠行走速度的不同，STM32F407控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)真空抽吸直流電機(jī)M，改變真空吸盤對(duì)地面的吸附力，改變其與地面的摩擦系數(shù)，滿足其行走需要。
[0022]本發(fā)明的有益效果是
1、在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，充分考慮了電池在這個(gè)系統(tǒng)中的作用，基于STM32F407+L6207D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，由于L6207D內(nèi)部集成了電流采集電路，時(shí)刻對(duì)電機(jī)的電流進(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(guò)度老化現(xiàn)象的發(fā)生。
[0023]2:由STM32F407處理微微鼠伺服系統(tǒng)兩只直流電機(jī)的獨(dú)立控制，使得控制比較簡(jiǎn)單，相對(duì)于STM32F1系列控制器，大大提高了運(yùn)算速度，解決了軟件運(yùn)行較慢的瓶頸，縮短了開(kāi)發(fā)周期短，并且程序可移植能力強(qiáng)。
[0024]3:本發(fā)