本實用新型涉及一種單核三軸四輪變結構微微鼠（PICOMOUSE）自動沖刺伺服控制系統(tǒng)，屬于微型迷宮機器人領域。

背景技術：

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---微微鼠，其常用二維結構如圖1所示。為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2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。

微微鼠作為一種新型的迷宮機器人技術，每年世界上有諸多國家和地區(qū)在展開這種技術的競爭，并具有不同的競賽規(guī)則。微微鼠在整個迷宮中的行走分為兩部分：探索和沖刺，相應花費的時間為探索時間TS和沖刺時間TD以及由于違規(guī)而出現(xiàn)的加罰時間TP，微微鼠的最終性能TIME由TS、TD和TP來決定，其中最具有代表性的是日本、美國、英國和新加坡。

日本規(guī)則如下：TIME=TD；

美國規(guī)則如下：TIME=TS/30+TD+TP，其中TP為微微鼠出現(xiàn)故障的加罰時間；

英國規(guī)則如下：TIME=TS/30+TD+TP，其中TP為微微鼠出現(xiàn)故障的加罰時間；

新加坡規(guī)則如下：TIME=TS/60+TD+TP，其中TP為微微鼠出現(xiàn)故障的加罰時間。

從上面的國際規(guī)則可以看出，微微鼠求解迷宮的最終目標就是快速從一點沖刺到終點，沖刺在微微鼠的整個運動中占有非常重要的位置，一旦微微鼠迷宮沖刺失敗，微微鼠的整個功能也就無法實現(xiàn)。

微微鼠在迷宮中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，由控制器反復控制其在迷宮方格中精確的加速和減速運動。一只優(yōu)秀的微微鼠求解迷宮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，否則將無法完成任務。如果采用現(xiàn)有的簡易算法和結構實現(xiàn)微微鼠迷宮沖刺，在實踐中發(fā)現(xiàn)：

（1）由于求解迷宮數(shù)目的大量增加，且迷宮探測設置點不在是原有的迷宮中心，而是迷宮中的任意一格，使得原有的簡易微微鼠求解迷宮技術無法求解現(xiàn)有的復雜迷宮；

（2）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來完成復雜迷宮中的沖刺環(huán)境探測，將加大沖刺采樣周期，并導致沖刺時間較長，微微鼠最終競爭失??；

（3）一些簡易微微鼠樣機伺服系統(tǒng)采用比較低級的芯片和算法，使得微微鼠在迷宮當中的沖刺一般都要花費較長的時間，不僅消耗了大量電池的能量，而且在真正的大賽中也無法取勝；

（4）由于迷宮擋墻尺寸的減少，使得微微鼠單格沖刺運行的距離減少，微微鼠在探索過程中的頻繁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；

（5）對于兩輪驅動的微微鼠來高速沖刺系統(tǒng)來說一般要求驅動其運動的兩個電機PWM控制信號要同步，受計算能力的限制單一單片機伺服系統(tǒng)很難滿足這一條件，微微鼠在直道上高速沖刺時不能準確的行走在中線上，很容易撞到迷宮擋墻，導致任務失??；

（6）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，這使得整個沖刺過程失敗，必須重新探索迷宮；

（7）微微鼠在迷宮高速沖刺時，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，最終無法完成任務；

（8）兩輪微微鼠系統(tǒng)在加速沖刺時由于重心后移，使得老鼠前部輕飄，即使在良好的路面上微微鼠也會打滑，有可能導致撞墻的現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于高速微微鼠的發(fā)展；

（9）兩輪微微鼠系統(tǒng)如果設計不當造成重心前偏，將導致驅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，導致沖刺失敗；

（10）兩輪微微鼠系統(tǒng)如果設計不當造成重心側偏將導致兩個驅動輪承受的正壓力不同，在快速沖刺時兩輪打滑程度不一致，瞬間就偏離軌跡，轉彎時，其中正壓力小的輪子可能打滑，導致轉彎困難；

（11）由于傳統(tǒng)的微微鼠沖刺控制系統(tǒng)多采用光電編碼器實現(xiàn)老鼠的速度和位置的反饋，由于光電編碼器的體積較大，使得微微鼠的體積相對較大，無法實現(xiàn)微微鼠的微型化發(fā)展。

（12）由于比賽場地的灰塵較大，特別是迷宮經(jīng)過多次比賽后，迷宮地板上吸附的灰塵較大，使得快速沖刺的微微鼠很容易打滑，最終導致微微鼠無法完成沖刺任務；

（13）由于傳統(tǒng)微微鼠采用的集成驅動芯片體積較大，微微鼠的體積無法微型化且重量較大，在相同功率直流伺服電機驅動下無法取得足夠大的加速度，系統(tǒng)的快速沖刺性能較弱。

微微鼠迷宮沖刺技術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(nèi)還沒有研發(fā)此機器人的單位。本實用新型借助現(xiàn)有的先進控制技術以及先進控制芯片設計一種三軸四輪帶真空吸附的微微鼠迷宮快速沖刺伺服控制器。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型主要解決的技術問題是提供一種單核三軸四輪變結構微微鼠沖刺控制器，為克服單片機不能滿足微微鼠在復雜迷宮快速沖刺的要求，參考國外微微鼠所采用的單機工作模式，在吸收國外先進控制思想的前提下，自主研發(fā)了基于STM32F405的全新三軸四輪變結構微微鼠快速沖刺伺服控制器，控制板以STM32F405為處理核心，實現(xiàn)微微鼠迷宮沖刺的時數(shù)字信號的實時處理，并實現(xiàn)對兩軸驅動控制芯片A3906SESTR-T的信號輸入和控制，快速響應中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。

為解決上述技術問題，本實用新型采用的一個技術方案是：提供了一種單核三軸四輪變結構微微鼠沖刺控制器，包括微微鼠殼體、車輪、第一紅外傳感器、第三紅外傳感器、第四紅外傳感器、第六紅外傳感器、第一高速直流伺服電機、第二高速直流伺服電機、真空吸附電機、第一磁電編碼器、第二磁電編碼器、運動傳感器以及采樣傳感器，四個所述的車輪分別兩兩設置在微微鼠殼體的左右兩側邊，所述的第一紅外傳感器和第六紅外傳感器分別設置在微微鼠殼體的左右兩側邊并位于車輪的前端，所述的第三紅外傳感器和第四紅外傳感器分別斜向設置在第一紅外傳感器和第六紅外傳感器的內(nèi)側邊，所述的第一高速直流伺服電機和第二高速直流伺服電機分別安裝在微微鼠殼體的左右兩邊并位于兩個車輪之間的位置，所述的真空吸附電機設置在第一高速直流伺服電機和第二高速直流伺服電機上方的中間位置，所述的第一磁電編碼器和第二磁電編碼器分別設置在第一高速直流伺服電機和第二高速直流伺服電機的下方，所述的運動傳感器和采樣傳感器依次設置在真空吸附電機的下方。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述的第三傳感器和第四傳感器斜向設置時與Y軸之間的夾角大小為：。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述的第一磁電編碼器和第二磁電編碼器均采用基于磁電傳感器AS5040H的編碼器。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述的車輪上均設置有真空吸盤。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述的單核三軸四輪變結構微微鼠沖刺控制器還包括控制板，所述的控制板分別發(fā)出第一控制信號、第二控制信號和第三控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號和第三控制信號分別控制所述的第二高速直流伺服電機、第一高速直流伺服電機和真空吸附電機的信號合成之后再控制微微鼠的運動。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述的控制板采用STM32F405沖刺伺服控制，STM32F405沖刺伺服控制是基于STM32F405的控制器中引入多軸集成專用驅動芯片A3906SESTR-T，所述的控制板以STM32F405為處理核心。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述的單核三軸四輪變結構微微鼠沖刺控制器還設置有上位機程序和運動控制程序，所述的上位機程序包括路徑讀取、迷宮更新、迷宮存儲和參數(shù)輸出，所述的運動控制程序包括基于STM32F405三軸四輪微微鼠沖刺伺服控制、迷宮定位和方向控制。

在本實用新型一個較佳實施例中，所述的基于STM32F405三軸四輪微微鼠沖刺伺服控制還包括相互連接的基于變結構兩軸四輪微微鼠迷宮沖刺伺服控制和單軸真空吸盤吸附伺服控制，所述的基于變結構兩軸四輪微微鼠迷宮沖刺伺服控制包括基于最小傳感采樣系統(tǒng)沖刺位置模塊、基于最小傳感采樣系統(tǒng)沖刺速度模塊和基于最小傳感采樣系統(tǒng)沖刺加速度模塊；所述的單軸真空吸盤吸附伺服控制包括吸盤位置模塊、吸盤速度模塊和吸盤加速度模塊。

本實用新型的有益效果是：本實用新型的單核三軸四輪變結構微微鼠沖刺控制器，提高了單核微微鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效防止了微微鼠在高速迷宮沖刺時的地面打滑，避免了微微鼠遠遠偏離中心位置現(xiàn)象的發(fā)生，提高了其快速沖刺時的穩(wěn)定性，增加了微微鼠與地面的接觸面積，減少了兩輪微微鼠由于機械結構造成的高速沖刺失速問題的發(fā)生，使得微微鼠具有更好的快速沖刺功能。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中：

圖1為二輪驅動微微鼠二維圖；

圖2為微微鼠32*32迷宮示意圖；

圖3基于A3906SESTR-T兩軸微微鼠沖刺伺服控制系統(tǒng)連接示意圖；

圖4為三軸四輪變結構微微鼠二維沖刺原理結構圖；

圖5為基于STM32F405三軸四輪變結構微微鼠原理框圖；

圖6為基于STM32F405三軸四輪變結構微微鼠沖刺程序框圖；

圖7為微微鼠速度曲線圖；

圖8為微微鼠右轉沖刺示意圖；

圖9為微微鼠右轉沖刺速度時間示意圖；

圖10為微微鼠左轉沖刺意義圖。

具體實施方式

下面將對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

如圖4所示，本實用新型實施例包括：

一種單核三軸四輪變結構微微鼠沖刺控制器，包括微微鼠殼體、車輪、第一紅外傳感器S1、第三紅外傳感器S3、第四紅外傳感器S4、第六紅外傳感器S6、第一高速直流伺服電機Y、第二高速直流伺服電機X、真空吸附電機M、第一磁電編碼器M1、第二磁電編碼器M2、運動傳感器G1以及采樣傳感器L1，四個所述的車輪分別兩兩設置在微微鼠殼體的左右兩側邊，所述的第一紅外傳感器S1和第六紅外傳感器S6分別設置在微微鼠殼體的左右兩側邊并位于車輪的前端，所述的第三紅外傳感器S3和第四紅外傳感器S4分別斜向設置在第一紅外傳感器S1和第六紅外傳感器S6的內(nèi)側邊，所述的第一高速直流伺服電機Y和第二高速直流伺服電機X分別安裝在微微鼠殼體的左右兩邊并位于兩個車輪之間的位置，所述的真空吸附電機M設置在第一高速直流伺服電機Y和第二高速直流伺服電機X上方的中間位置，所述的第一磁電編碼器M1和第二磁電編碼器M2分別設置在第一高速直流伺服電機Y和第二高速直流伺服電機X的下方，所述的運動傳感器G1和采樣傳感器L1依次設置在真空吸附電機M的下方。其中，所述的車輪包括X輪、Y輪、R輪和Z輪。

上述中，所述的第三傳感器S1和第四傳感器S4斜向設置時與Y軸之間的夾角大小為：。

在本實施例中，所述的第一磁電編碼器M1和第二磁電編碼器M2均采用基于磁電傳感器AS5040H的編碼器；所述的車輪上均設置有真空吸盤，吸附性能好。

如圖5所示，所述的單核三軸四輪變結構微微鼠沖刺控制器還包括控制板，所述的控制板分別發(fā)出第一控制信號、第二控制信號和第三控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號和第三控制信號分別控制所述的第二高速直流伺服電機、第一高速直流伺服電機和真空吸附電機的信號合成之后再控制微微鼠的運動。

上述中，所述的電源裝置采用鋰離子電池；所述的控制板采用STM32F405沖刺伺服控制，STM32F405沖刺伺服控制是基于STM32F405的控制器中引入多軸集成專用驅動芯片A3906SESTR-T，所述的控制板以STM32F405為處理核心。

STM32F4系列除引腳和軟件兼容高性能的F2系列外，F(xiàn)4的主頻(168MHz)高于F2系列(120MHz)，并支持單周期DSP指令和浮點單元、更大的SRAM容量(192 KB，F(xiàn)2為128 KB)、512KB-1MB的嵌入式閃存以及影像、網(wǎng)絡接口和數(shù)據(jù)加密等更先進的外設。STM32F4系列基于最新的ARM Cortex M4內(nèi)核， 在現(xiàn)有出色的STM32微控制器產(chǎn)品組合中新增了信號處理功能，并提高了運行速度；STM32F405x集成了定時器、3個ADC、2個DAC、串行接口、外存接口、實時時鐘、CRC計算單元和模擬真隨機數(shù)發(fā)生器在內(nèi)的整套先進外設，這些性能使得F4系列可以較容易滿足控制和信號處理功能混合的數(shù)字信號控制需求。高效的信號處理功能與Cortex-M處理器系列的低能耗、低成本和易于使用的優(yōu)點的組合，使得其可以為多軸電動機控制提供靈活解決方案。這些特點使得STM32F405特別適合微微鼠兩軸快速沖刺伺服系統(tǒng)的信號處理。

本實用新型為了減少單核微微鼠高速沖刺伺服系統(tǒng)的體積，舍棄了傳統(tǒng)的兩軸直流伺服電機H型驅動橋L6207D，而采用體積更小、電壓更小的兩軸直流伺服電機驅動橋A3906SESTR-T，A3906SESTR-T是一種單雙路直流電機驅動芯片，A3906 旨在用于低電壓步進電動機、單路及雙路直流電機的脈寬控制(PWM)，可在各通道輸出高達 1 A 的電流，工作電壓范圍為 2.5 至 9 V。A3906SESTR-T內(nèi)置固定關斷時間 PWM 計時器，根據(jù)對芯片外圍采樣電阻的選擇，設置峰值電流。過流輸出標記用于通知控制器電機電流已經(jīng)達到峰值，可用于過流保護，上述特點使得A3906SESTR-T特別適合應用于微微鼠的兩軸沖刺伺服控制系統(tǒng)中， A3906SESTR-T與微微鼠兩軸直流伺服電機的連接圖如圖3所示，其中沖刺PWM控制輸入信號和沖刺使能信號來自于伺服控制器，控制器通過調(diào)整沖刺PWM控制輸入信號來調(diào)整其沖刺PWM控制輸出信號，繼而實現(xiàn)直流伺服電機的四象限運動，滿足微微鼠快速沖刺需要。

本次實用新型設計的全數(shù)字伺服控制器程序框圖如圖6，所述的單核三軸四輪變結構微微鼠沖刺控制器還設置有上位機程序和運動控制程序，所述的上位機程序包括路徑讀取、迷宮更新、迷宮存儲和參數(shù)輸出，所述的運動控制程序包括基于STM32F405三軸四輪微微鼠沖刺伺服控制、迷宮定位和方向控制。

其中，所述的基于STM32F405三軸四輪微微鼠沖刺伺服控制還包括相互連接的基于變結構兩軸四輪微微鼠迷宮沖刺伺服控制和單軸真空吸盤吸附伺服控制，所述的基于變結構兩軸四輪微微鼠迷宮沖刺伺服控制包括基于最小傳感采樣系統(tǒng)沖刺位置模塊、基于最小傳感采樣系統(tǒng)沖刺速度模塊和基于最小傳感采樣系統(tǒng)沖刺加速度模塊；所述的單軸真空吸盤吸附伺服控制包括吸盤位置模塊、吸盤速度模塊和吸盤加速度模塊。

為了提高單核微微鼠沖刺伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加微微鼠與地面的接觸面積，減少微微鼠重心的前移、后移或者是側移，本實用新型借助齒輪機械結構實現(xiàn)兩軸四輪的功能，左右每軸電機的轉軸上配備一個小的機械齒輪，此齒輪和前后兩個輪子的大齒輪機械連接，其中大齒輪的齒為每周60，小齒輪的齒為每周15，通過這樣的機械連接使得每個輪子都變成了動力輪。

為了進一步提高單核微微鼠快速沖刺伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止微微鼠在高速沖刺時由于地面灰塵較多而導致行走打滑，本實用新型在微微鼠快速沖刺伺服硬件系統(tǒng)中加入了微型直流電機M，在微微鼠快速沖刺過程中，電機M通過真空抽吸裝置不停抽吸微型真空吸盤內(nèi)的空氣，使微型真空吸盤的內(nèi)外壓力不一樣，產(chǎn)生一定的負壓，使其對帶有灰塵的迷宮地面產(chǎn)生一定的吸附力，有效防止了微微鼠在高速迷宮沖刺時的地面打滑。

為了進一步提高單核微微鼠在復雜迷宮高速沖刺時的穩(wěn)定性，本實用新型在微微鼠快速沖刺伺服硬件系統(tǒng)中加入了高性能 MEMS運動傳感器LY3200ALH，傳感器LY3200ALH可以測量出微微鼠快速沖刺時的偏航率，傳感器LY3200ALH參數(shù)時刻被STM32F405控制器記錄并計算，當微微鼠在迷宮沖刺時姿態(tài)發(fā)生變化超過設定閥值，在一個新的采樣周期控制器就立即對其位置補償，避免了微微鼠高速沖刺時遠遠偏離中心位置現(xiàn)象的發(fā)生，提高了其快速沖刺時的穩(wěn)定性。

為了更好的采集迷宮信息和減少紅外傳感器占用的面積，本實用新型采用紅外傳感器SFH4350代替了傳統(tǒng)使用的OPE9954A，紅外傳感器S1、S2、S3、S4、S5、S6的紅外光經(jīng)側邊擋墻反饋后會被對應的紅外接收器BPW85A接收，然后BPW85A的反饋值經(jīng)控制器計算后作為當前位置的反饋，控制器通過這些反饋值調(diào)整微微鼠的姿態(tài)。

為了減少光電編碼器占用的面積，并減少灰塵對光電編碼器的影響，本實用新型采用基于磁電傳感器AS5040H的編碼器替代了傳統(tǒng)的光電編碼器，此傳感器可以有效測量出兩軸直流伺服電機快速沖刺時的速度和位移，為微微鼠快速沖刺三閉環(huán)伺服控制提供了可靠依據(jù)。

在實驗中發(fā)現(xiàn)，采用四組傳感器可以提高傳感器的采樣頻率，有利于提高微微鼠的速度，但是四組傳感器如果補償做的不好將有可能導致微微鼠求解的是一個錯誤的迷宮；如果采用六組傳感器探測未知迷宮，求解迷宮一般不會出現(xiàn)錯誤，但是過多的傳感器組合影響了采樣頻率，不利于微微鼠速度的提高；為了兼顧不同的國際規(guī)則以及迷宮探測的準確性，本實用新型自主研發(fā)了基于六組傳感器自由組合變結構探測迷宮的全新控制模式，所實用新型的三軸四輪微微鼠二維沖刺結構如圖4所示，在圖4中，為了更好的探測迷宮，傳感器S3和S4與Y軸之間的夾角大小為：，在此區(qū)間，傳感器配合工作狀態(tài)最佳。對于不同的國際比賽規(guī)則，通過軟件開啟六組傳感器探索模式或者是四組傳感器探索模式，當在高速沖刺時只能開啟四組傳感器導航模式，傳感器S1、S6共同作用判斷前方擋墻，傳感器S3判斷其左邊擋墻的存在，傳感器S4判斷其右邊擋墻的存在，同時S3和S4合作為微微鼠直線快速沖刺運動提供導航依據(jù)。紅外傳感器S1、S3、S4、S6的紅外光經(jīng)側邊擋墻反饋后會被對應的紅外接收器BPW85A接收，然后BPW85A的反饋值經(jīng)控制器計算后作為當前位置的反饋，然后控制器通過這些反饋值調(diào)整微微鼠沖刺的姿態(tài)。

本實用新型為克服單片機不能滿足微微鼠在復雜迷宮快速沖刺的要求，參考國外微微鼠所采用的單機工作模式，在吸收國外先進控制思想的前提下，自主研發(fā)了基于STM32F405的全新三軸四輪變結構微微鼠快速沖刺伺服控制器，其原理如圖5所示：控制板以STM32F405為處理核心，實現(xiàn)微微鼠迷宮沖刺的時數(shù)字信號的實時處理，并實現(xiàn)對兩軸驅動控制芯片A3906SESTR-T的信號輸入和控制，快速響應中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。

對于本文設計的基于STM32F405控制器，把微微鼠放在迷宮起始點，在電源打開狀態(tài)下，微微鼠先進入自鎖狀態(tài)，并調(diào)取已經(jīng)優(yōu)化的沖刺迷宮信息。一旦沖刺按鍵觸發(fā)，控制器首先開啟真空抽吸電機M，通過增加其與地面的吸附力調(diào)整微微鼠與地面的摩擦系數(shù)，然后微微鼠依靠前方、左右側面紅外蔽障傳感器S1、S3、S4、S6根據(jù)實際導航環(huán)境通過四個紅外接收傳感器BPW85A傳輸參數(shù)給控制器中的STM32F405，STM32F405處理后再結合磁電傳感器M1、M2的反饋生成兩路PWM波，經(jīng)驅動橋A3906SESTR-T放大后驅動兩個獨立電機并實現(xiàn)其快速沖刺時的伺服控制，最后磁電傳感器M1、M2實時反饋電機的速度和位移信號給STM32F405，由STM32F405繼續(xù)處理后續(xù)的運行狀態(tài)。

參照圖6，具體實施步驟是：

把微微鼠控制系統(tǒng)分為兩部分：上位機系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)。其中上位機系統(tǒng)完成路徑讀取、迷宮更新、迷宮存儲和數(shù)據(jù)輸出等功能；運動控制系統(tǒng)完成三軸微微鼠沖刺系統(tǒng)的伺服控制、單軸真空吸附伺服控制等功能，其中工作量最大的三軸伺服系統(tǒng)交給STM32F405處理，驅動信號經(jīng)A3906SESTR-T放大后驅動電機X、電機Y完成微微鼠的伺服控制。

參照圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10，其具體的功能實現(xiàn)如下：

1）在微微鼠未接到?jīng)_刺命令之前，它一般會在起點坐標（0，0）等待控制器發(fā)出的沖刺命令，并調(diào)出已經(jīng)探索后的最優(yōu)迷宮。一旦沖刺按鍵觸發(fā)，控制器首先開啟真空抽吸電機M，通過抽吸裝置先對微型真空吸盤抽吸，使真空吸盤對地面具有一定的吸附力，控制器并實時檢測，如果地面不干凈，系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)電機M加大真空吸盤對地面的吸附力，增加微微鼠沖刺時與地面的摩擦系數(shù)。然后，微微鼠會沿著最佳路徑從起點開始快速沖向終點（X1，Y1）；

2）微微鼠放在起點坐標（0，0），接到任務后為了防止放錯沖刺方向，其前方的傳感器S1、S6和會對前方的環(huán)境進行判斷，確定有沒有擋墻進入運動范圍，如存在擋墻將向STM32F405發(fā)出中斷請求，STM32F405會對中斷做第一時間響應，然后拉低A3906SESTR-T的輸入IN1、IN2、IN3和IN4，封鎖微微鼠的電機X、電機Y的PWM驅動信號，使其靜止在原地，然后二次判斷迷宮確定前方信息，防止信息誤判；如果沒有擋墻進入前方的運動范圍，微微鼠將進行正常的沖刺；

3）在微微鼠沿著Y軸向前快速沖刺過程中如果迷宮信息中顯示前方有Z格直線坐標下沒有擋墻進入前方的運動范圍，微微鼠將存儲其現(xiàn)在的坐標（X,Y），處理器把向前運動Z格的位置參數(shù)傳遞給STM32F405，STM32F405根據(jù)沖刺控制器速度和加速度要求生成速度運動梯形圖，這個速度-時間圖形包含的面積就是微微鼠電機X和電機Y要運行的Z格距離，STM32F405根據(jù)這個梯形圖結合磁電編碼器M1、M2的反饋生成驅動兩軸直流伺服電機的PWM波，然后STM32F405調(diào)整A3906SESTR-T的輸入IN1、IN2、IN3和IN4，由A3906SESTR-T驅動兩個獨立電機X和電機Y向前運動，電機X和電機Y的磁電編碼器會時刻記錄已經(jīng)移動的距離并輸送給控制器；在微微鼠沿著當前迷宮格向前沖刺過程中，控制器會實時檢測電機X和電機Y磁電編碼器M1和M2的數(shù)值，并根據(jù)其速度大小自動調(diào)節(jié)電機M加大真空吸盤對地面的吸附力，然后傳感器S3和S4會對左右的擋墻進行判斷，STM32F405記錄儲存當前迷宮擋墻信息，微微鼠根據(jù)前進方向左右擋墻的迷宮信息進入單墻導航模式或者是雙墻導航模式；傳感器G1（LY3200ALH）記錄微微鼠沖刺時的瞬時旋轉速度并反饋給STM32F405，當微微鼠快速沖刺脫離了設定中心位置時，微處理器根據(jù)離開中心位置的偏差借助傳感器G1（LY3200ALH）開始進行實時補償，微調(diào)電機X和電機Y的PWM波輸入，STM32F405調(diào)整A3906SESTR-T的輸入IN1、IN2、IN3和IN4，由A3906SESTR-T驅動兩個獨立電機X和電機Y向前差速行駛，通過此方式可以精確調(diào)整微微鼠的姿態(tài)，使其重新回到設定中心位置；在未到達目標前，如果微微鼠高速沖刺時迷宮地面灰塵較多，STM32F405會調(diào)節(jié)M加大微微鼠與地面的摩擦，系統(tǒng)進入三軸四輪驅動狀態(tài)；當微微鼠在傳感器G1（LY3200ALH）的控制下運動Z格距離到達新地址時，微處理器將更新其坐標為（X,Y+Z），在Y+Z<1F的前提下，判斷其坐標是不是（X1，Y1），如果不是將繼續(xù)更新其坐標，如果是將通知控制器已經(jīng)沖刺到目標，然后置返航探索標志為1，微微鼠準備返程探索；

4）在微微鼠沿著Y軸反向向前快速沖刺過程中如果迷宮信息中顯示前方有Z格直線坐標下沒有擋墻進入前方的運動范圍，微微鼠將存儲其現(xiàn)在的坐標（X,Y），處理器把向前運動Z格的位置參數(shù)傳遞給STM32F405， STM32F405根據(jù)沖刺控制器速度和加速度要求生成速度運動梯形圖，這個速度-時間圖形包含的面積就是微微鼠電機X和電機Y要運行的Z格距離。STM32F405根據(jù)這個梯形圖結合磁電編碼器M1、M2的反饋生成驅動兩軸直流伺服電機的PWM波，然后STM32F405調(diào)整A3906SESTR-T的輸入IN1、IN2、IN3和IN4，由A3906SESTR-T驅動兩個獨立電機X和電機Y向前運動，電機X和電機Y的磁電編碼器會時刻記錄已經(jīng)移動的距離并輸送給控制器；在微微鼠沿著當前迷宮格向前沖刺過程中，控制器會實時檢測電機X和電機Y磁電編碼器的數(shù)值，并根據(jù)其速度大小自動調(diào)節(jié)電機M加大真空吸盤對地面的吸附力，然后傳感器S3和S4會對左右的擋墻進行判斷，STM32F405記錄儲存當前迷宮擋墻信息，微微鼠根據(jù)前進方向左右擋墻的迷宮信息進入單墻導航模式或者是雙墻導航模式；傳感器G1（LY3200ALH）記錄微微鼠沖刺時的瞬時旋轉速度并反饋給STM32F405，當微微鼠快速沖刺脫離了設定中心位置時，微處理器根據(jù)離開中心位置的偏差借助傳感器G1（LY3200ALH）開始進行實時補償，微調(diào)電機X和電機Y的PWM波輸入，STM32F405調(diào)整A3906SESTR-T的輸入IN1、IN2、IN3和IN4，由A3906SESTR-T驅動兩個獨立電機X和電機Y向前差速行駛，通過此方式可以精確調(diào)整微微鼠的姿態(tài)，使其重新回到設定中心位置；在未到達目標前，如果微微鼠高速沖刺時迷宮地面灰塵較多，STM32F405會調(diào)節(jié)M加大微微鼠與地面的摩擦，系統(tǒng)進入三軸四輪驅動狀態(tài)；當微微鼠在傳感器G1（LY3200ALH）的控制下運動Z格距離到達新地址時，微處理器將更新其坐標為（X,Y-Z），在0<Y-Z<1F的前提下，判斷其坐標是不是（X1，Y1），如果不是將繼續(xù)更新其坐標，如果是將通知控制器已經(jīng)沖刺到目標，然后置返航探索標志為1，微微鼠準備返程探索；

5）在微微鼠沿著Y軸向前運動過程中如果有擋墻進入前方的運動范圍，并且此時迷宮信息中左方有擋墻時，微微鼠將存儲此時坐標（X,Y），然后進入圖8所示的曲線運動軌跡，在右沖刺轉彎時，控制器把此時的速度和離中心點A的距離傳輸給STM32F405，STM32F405根據(jù)當前的速度和沖刺時間生成兩軸伺服系統(tǒng)的加速度、速度和位置信號，并結合磁電編碼器M1、M2的反饋生成兩軸PWM波，然后STM32F405調(diào)整A3906SESTR-T的輸入IN1、IN2、IN3和IN4，由A3906SESTR-T驅動兩個獨立電機X和電機Y向前減速運動，電機X和電機Y的磁電編碼器會時刻記錄已經(jīng)移動的距離并輸送給控制器；在微微鼠沿著當前迷宮格向前沖刺過程中，控制器自動調(diào)節(jié)電機M加大微微鼠與地面的摩擦，然后傳感器S3會對左擋墻進行判斷，STM32F405記錄儲存當前迷宮擋墻信息，微微鼠根據(jù)前進方向左擋墻的迷宮信息進入單墻導航模式，然后傳感器G1（LY3200ALH）記錄微微鼠的瞬時旋轉速度，當微微鼠快速沖刺脫離了設定中心位置時，微處理器根據(jù)離開中心位置的偏差借助傳感器G1（LY3200ALH）開始進行實時補償，通過A3906SETR-T微調(diào)電機的PWM波輸入，STM32F405調(diào)整A3906SESTR-T的輸入IN1、IN2、IN3和IN4，由A3906SESTR-T驅動兩個獨立電機X和電機Y向前差速行駛，通過此方式可以精確調(diào)整微微鼠的姿態(tài)，使其重新回到設定中心位置；

當微微鼠到達迷宮中心點時，傳感器參考值R90_FrontWallRef開始工作，防止外界干擾開始做誤差補償，保證微微鼠在迷宮方格中心停車，此時電機X、電機Y、速度降為0，STM32F405調(diào)整A3906SESTR-T的輸入IN1、IN2、IN3和IN4，通過A3906SESTR-T的管腳OUT1A、OUT2A和OUT1B、OUT2B的電平，使左側輪正轉，右側輪反轉，在傳感器G1（LY3200ALH）的控制下使微微鼠原地右轉90度，然后控制器開始準備沿著X軸正向沖刺，當微微鼠在傳感器G1（LY3200ALH）控制下沖出當前迷宮，控制器將更新其坐標為（X+1,Y），在X+1<1F的前提下，判斷其坐標是不是（X1，Y1），如果不是將繼續(xù)更新其坐標，如果是則通知控制器已經(jīng)沖刺到目標，然后置返航探索標志為1，沖刺標志為0，微微鼠準備沖刺后的二次返程探索，去搜尋更優(yōu)的迷宮路徑；

6）在微微鼠沿著Y軸向前運動過程中如果有擋墻進入前方的運動范圍，并且此時迷宮信息中右方有擋墻時，微微鼠將存儲此時坐標（X,Y），然后進入圖10所示的曲線運動軌跡，在左沖刺轉彎時，控制器把此時的速度和離中心點A的距離傳輸給STM32F405，STM32F405根據(jù)當前的速度和沖刺時間生成兩軸伺服系統(tǒng)的加速度、速度和位置信號，并結合磁電編碼器M1、M2的反饋生成兩軸PWM波，然后STM32F405調(diào)整A3906SESTR-T的輸入IN1、IN2、IN3和IN4，由A3906SESTR-T驅動兩個獨立電機X和電機Y向前減速運動，電機X和電機Y的磁電編碼器會時刻記錄已經(jīng)移動的距離并輸送給控制器；在微微鼠沿著當前迷宮格向前沖刺過程中，控制器自動調(diào)節(jié)電機M加大微微鼠與地面的摩擦，然后傳感器S4會對左擋墻進行判斷，并記錄儲存當前迷宮擋墻信息，微微鼠根據(jù)前進方向左擋墻的迷宮信息進入單墻導航模式，然后傳感器G1（LY3200ALH）記錄微微鼠的瞬時旋轉速度，當微微鼠快速沖刺脫離了設定中心位置時，微處理器根據(jù)離開中心位置的偏差借助傳感器G1（LY3200ALH）開始進行實時補償，通過A3906SETR-T微調(diào)電機的PWM波輸入， STM32F405調(diào)整A3906SESTR-T的輸入IN1、IN2、IN3和IN4，由A3906SESTR-T驅動兩個獨立電機X和電機Y向前差速行駛，通過此方式可以精確調(diào)整微微鼠的姿態(tài)，使其重新回到設定中心位置；

當微微鼠到達迷宮中心點時，傳感器參考值L90_FrontWallRef開始工作，防止外界干擾開始做誤差補償，保證微微鼠在迷宮方格中心停車，此時電機X、電機Y、速度降為0，STM32F405調(diào)整A3906SESTR-T的輸入IN1、IN2、IN3和IN4，通過A3906SESTR-T的管腳OUT1A、OUT2A和OUT1B、OUT2B的電平，使左側輪反轉，右側輪正轉，在傳感器G1（LY3200ALH）的控制下使微微鼠原地左轉90度，然后控制器開始準備沿著X軸反向沖刺，當微微鼠在傳感器G1（LY3200ALH）控制下沖出當前迷宮，控制器將更新其坐標為（X-1,Y），在0<X-1<1F的前提下，判斷其坐標是不是（X1，Y1），如果不是將繼續(xù)更新其坐標，如果是則通知控制器已經(jīng)沖刺到目標，然后置返航探索標志為1，沖刺標志為0，微微鼠準備沖刺后的二次返程探索，去搜尋更優(yōu)的迷宮路徑；

7）當微微鼠沖刺到達（X1，Y1）后，系統(tǒng)會準備沖刺后的返程探索以便搜尋更優(yōu)的路徑，控制器會調(diào)出其已經(jīng)存儲的迷宮信息，然后計算出可能存在的其它最佳路徑，然后返程開始進入其中認為最優(yōu)的一條；

8）為了能夠實現(xiàn)微微鼠在沖刺時準確的坐標計算，微微鼠左右紅外傳感器S3和S4會時刻對周圍的迷宮擋墻和柱子進行探測，如果S3或者S4發(fā)現(xiàn)傳感器信號發(fā)生了較大數(shù)值的躍變，則說明微微鼠進入了從有迷宮擋墻到無迷宮擋墻（或者是從無迷宮擋墻到有迷宮擋墻）狀態(tài)的變化，STM32F405會根據(jù)微微鼠當前運行狀態(tài)并借助磁電傳感器M1和M2進行精確補償，徹底消除微微鼠在復雜迷宮中沖刺時已經(jīng)累計的誤差；

9）在微微鼠進入迷宮返程探索時，其導航的傳感器S1、S3、S4、S6將工作，并把反射回來的光電信號送給STM32F405，經(jīng)STM32F405運算后確定現(xiàn)在迷宮所處位置，然后由STM32F405根據(jù)當前迷宮生成PWM波和送控制信號給A3906SESTR-T：如果進入已經(jīng)搜索的區(qū)域將加大PWM波的占空比，使微微鼠進行快速前進，減少迷宮搜索的時間；如果是未知返回區(qū)域則采用正常速度搜索，控制器根據(jù)當前搜索速度實時調(diào)整電機M的伺服控制，保證微微鼠的穩(wěn)定行，在搜索過程中時刻更新其坐標（X,Y），并判斷其坐標是不是（0，0），如果是的話置返航探索標志為0，微微鼠進入沖刺階段，并置沖刺標志為1；

10）在微微鼠沖刺過程中，如果系統(tǒng)出現(xiàn)了干擾，STM32F405會根據(jù)當前狀態(tài)對電流加以補償，快速調(diào)整電流環(huán)的PID參數(shù)，使得系統(tǒng)快速穩(wěn)定下來，防止高速沖刺時干擾對系統(tǒng)的影響；

11）在微微鼠整個運動過程中，傳感器L1會時刻對外界干擾光源進行采集，然后傳輸給STM32F405，STM32F405會根據(jù)L1的自動補償外界干擾，減少了外界干擾光源對微微鼠快速沖刺伺服系統(tǒng)的干擾；

12）當微微鼠完成整個沖刺過程到達（X1，Y1），微微鼠會置探索標志為1，微微鼠返程探索回到起始點（0，0），STM32F405將控制A3906SESTR-T的電平輸出使得微微鼠起始點中心點停車，然后重新調(diào)整A3906SESTR-T的輸出信號，使得電機X和電機Y以相反的方向運動，并在傳感器G1（LY3200ALH）的控制下，原地旋轉180度，然后停車1秒，二次調(diào)取迷宮信息，并根據(jù)改進洪水算法計算出微微鼠探索的最優(yōu)沖刺路徑，然后置沖刺標志為1，系統(tǒng)進入快速沖刺階段?？刂破鞲鶕?jù)沖刺速度的大小自動調(diào)整電機M，改變真空吸盤對地面的吸附力，滿足快速沖刺時的摩擦需要。

本實用新型具有的有益效果是：

1：本實用新型中的電阻和電容均采用0402封裝替代了原有的0603封裝，可以更好的減少微微鼠沖刺伺服控制系統(tǒng)的體積，有利于微微鼠的微型化發(fā)展；

2：本實用新型STM32F405采用BGA封裝替代了原有的LQFP176封裝，使得芯片占有的體積更小，有利于微微鼠沖刺伺服系統(tǒng)體積的縮小，且BGA封裝更已于微微鼠高速沖刺時芯片的散熱；

3：為了充分提高微微鼠系統(tǒng)高速沖刺伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和行駛能力，并兼顧兩輪驅動的優(yōu)點，本實用新型舍棄了原有的多動力實時四驅結構，通過齒輪機械結構實現(xiàn)兩軸四輪功能，既減少了微微鼠控制器驅動動力電機的數(shù)目，又通過齒輪實現(xiàn)了多輪的功能，提高微微鼠的快速沖刺能力；

4：由于STM32F405集成了新的DSP和FPU指令，168MHz的高速處理性能提高了數(shù)字信號控制器的執(zhí)行速度和代碼效率，使得控制器處理微微鼠快速沖刺系統(tǒng)兩軸動力的實時控制性能增加，增加了微微鼠高速沖刺時的穩(wěn)定性；

5：根據(jù)需要實現(xiàn)吸附功能。在微微鼠快速沖刺過程中，一旦遇到路面灰塵較多或加速狀況時，STM32F405會根據(jù)兩軸電機的反饋數(shù)據(jù)立即開啟吸附電機M的伺服控制，微微鼠系統(tǒng)自然切換到三軸四輪驅動狀態(tài)，增強了微微鼠高速沖刺時的附著力和操控性；

6：由于采用兩軸四輪驅動結構，增加了微微鼠與地面的接觸面積，減少了兩輪微微鼠由于機械結構造成的高速沖刺失速問題的發(fā)生，使得微微鼠具有更好的快速沖刺功能；

7、在此微微鼠沖刺伺服系統(tǒng)中引入了高性能 MEMS運動傳感器LY3200ALH，實現(xiàn)了微微鼠在復雜迷宮快速沖刺時的瞬時旋轉速度的檢測，并利用反饋實現(xiàn)全程導航的實時校正，有利于提高微微鼠快速沖刺伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能；

8：微微鼠轉向時，為了保證旋轉的穩(wěn)定性和準確性，通過傳感器G1（LY3200ALH）的實時反饋，基于STM32F405的沖刺伺服控制器對微微鼠的轉彎實時校正，提高了迷宮信息的正確性；

9：由STM32F405處理微微鼠在復雜迷宮中快速沖刺時三只直流電機的伺服控制，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；

10：根據(jù)國際規(guī)則的不同，控制器通過軟件可以實現(xiàn)四組傳感器探測模式和六組傳感器探測模式的變結構切換，提高了微微鼠快速沖刺時采樣頻率，有利于提高系統(tǒng)的運算速度；

11：由于采用磁電編碼器技術替代了傳統(tǒng)的光電編碼器技術，使得微微鼠的快速沖刺伺服系統(tǒng)體積可以更小，有利于微微鼠微型化的發(fā)展；

12：由于采用磁電編碼器替代了傳統(tǒng)的光電編碼器，使得灰塵對編碼器的數(shù)據(jù)采集影響大大降低，提高了微微鼠快速沖刺時速度和位移的精確性，也保證了微微鼠在復雜迷宮沖刺時坐標的準確性；

13：由于本控制器采用STM32F405處理迷宮存儲和沖刺算法，有效地防止了程序的“跑飛”，抗干擾能力大大增強；

14：在微微鼠快速沖刺過程中，控制器會對高速直流伺服電機X、電機Y和電機M的轉矩進行在線辨識并利用電機力矩與電流的關系進行補償，減少了電機轉矩抖動對微微鼠快速沖刺的影響；

15：通過調(diào)節(jié)電機M可以有效調(diào)節(jié)真空吸盤對地面的吸附力，消除了微微鼠在高速沖刺時打滑現(xiàn)象的發(fā)生；

16：由于具有存儲功能，這使得微微鼠掉電后可以輕易的調(diào)取已經(jīng)探索好的迷宮信息，使二次探索的時間和路徑大大降低。

綜上所述，本實用新型的單核三軸四輪變結構微微鼠沖刺控制器，提高了單核微微鼠全數(shù)字伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效防止了微微鼠在高速迷宮沖刺時的地面打滑，避免了微微鼠遠遠偏離中心位置現(xiàn)象的發(fā)生，提高了其快速沖刺時的穩(wěn)定性，增加了微微鼠與地面的接觸面積，減少了兩輪微微鼠由于機械結構造成的高速沖刺失速問題的發(fā)生，使得微微鼠具有更好的快速沖刺功能。

以上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書內(nèi)容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內(nèi)。