雙核中速六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(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種雙核中速六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(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所不O
[0003]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。
[0004]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(zhuān)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沖刺、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。
[0005]微微鼠在迷宮中沖刺過(guò)程中要時(shí)刻判斷周?chē)沫h(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(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，并且微微鼠走迷宮技術(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。
[0006]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(lái)設(shè)計(jì)微微鼠，在實(shí)踐中則會(huì)發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題:
(I)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](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(wú)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(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。
[0009](4)由于微電腦鼠伺服系統(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。
[0010](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(chē)和啟動(dòng)加重了單片機(jī)的工作量，單一的單片機(jī)無(wú)法滿足微微鼠沖刺時(shí)快速啟動(dòng)和停車(chē)的要求。
[0011](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?zèng)_刺時(shí)很容易撞到迷宮擋墻，導(dǎo)致任務(wù)失敗。
[0012](7)由于受單片機(jī)容量影響，現(xiàn)有的微微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)六軸的伺服要求較高，特別是直線加速?zèng)_刺時(shí)，要求速度和加速度要追求嚴(yán)格的一致，否則直線沖刺將會(huì)失敗，導(dǎo)致微微鼠出現(xiàn)撞墻的現(xiàn)象發(fā)生；
(8)兩輪微微鼠系統(tǒng)在加速?zèng)_刺時(shí)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(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](9)兩輪微微鼠系統(tǒng)在正常沖刺時(shí)行駛時(shí)如果設(shè)計(jì)不當(dāng)造成重心前偏，將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪上承受的正壓力減小，這時(shí)微微鼠系統(tǒng)更加容易打滑，也更容易走偏，導(dǎo)致沖刺失敗。
[0014](10)兩輪微微鼠系統(tǒng)在正常沖刺行駛時(shí)如果設(shè)計(jì)不當(dāng)造成重心側(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。
[0015](11)由于采用兩個(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?zèng)_刺，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(chē)”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O
[0016](12)如果采用前驅(qū)+后驅(qū)的全時(shí)四驅(qū)，雖然沖刺時(shí)動(dòng)態(tài)性能較好，但是全時(shí)四驅(qū)顧名思義隨時(shí)隨地都保持四驅(qū)狀態(tài)，但是其耗能較高。
[0017](13)如果采用前驅(qū)+后驅(qū)的分時(shí)四驅(qū)探索方式，無(wú)論是采用前驅(qū)或者是后驅(qū)時(shí)都具有一定的弱點(diǎn)，在轉(zhuǎn)彎探索時(shí)角度不是過(guò)大，就是不夠，轉(zhuǎn)彎動(dòng)態(tài)性能較差；
(14)如果采用中驅(qū)+后驅(qū)的四輪驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行沖刺，通過(guò)釋放后驅(qū)兩輪采用中驅(qū)兩輪轉(zhuǎn)彎，雖然微微鼠轉(zhuǎn)彎探索性能有所提高，電機(jī)的效率也得到一定優(yōu)化，但是在高速?zèng)_刺時(shí)會(huì)造成重心后偏，需要軟件對(duì)此進(jìn)行保護(hù)。
[0018](15)無(wú)論是兩輪驅(qū)動(dòng)或者是四輪驅(qū)動(dòng)，在高速?zèng)_刺遇到迷宮接縫處具有一定的高度差時(shí)，沖刺動(dòng)態(tài)性能都會(huì)收到嚴(yán)重影響。
[0019](16)基于輪式的微微鼠在沖刺階段只能被動(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。
[0020]微微鼠求解迷宮是國(guó)際新興的一門(mén)技術(shù)，由于微微鼠技術(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(méi)有研發(fā)此機(jī)器人的單位。因此，需要設(shè)計(jì)一種滿足初級(jí)者學(xué)習(xí)微微鼠求解迷宮的高速?zèng)_刺控制器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種雙核中速六輪微微鼠沖刺控制器，以解決微微鼠在沖刺過(guò)程中打滑、傳感器相互干擾、處理時(shí)間慢等問(wèn)題。
[0022]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:為了提高運(yùn)算速度，保證微微鼠沖刺控制器的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明在基于STM32F407的控制器中引入精密運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用芯片LM629，形成基于STM32F407+專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片的全新雙核控制器，此控制器充分考慮電池在這個(gè)系統(tǒng)的作用，把沖刺控制器中工作量最大的六軸行走伺服系統(tǒng)以及單軸真空抽吸伺服系統(tǒng)由STM32F407和LM629配合處理，充分發(fā)揮STM32F407數(shù)據(jù)處理速度較快和LM629伺服調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)，而人機(jī)界面、路徑優(yōu)化、軌跡參數(shù)、加速度、速度和位置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算、I/O控制等功能交給STM32F407完成，這樣就實(shí)現(xiàn)了 STM32F407與LM629的分工，同時(shí)二者之間也可以進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。
[0023]本發(fā)明采用的有益效果是:1、在沖刺過(guò)程中，充分考慮了電池在這個(gè)系統(tǒng)中的作用，基于STM32F407+LM629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，同時(shí)電流傳感器C1~C6實(shí)時(shí)在對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)并反饋給控制器進(jìn)行保護(hù)，避免了大電流的產(chǎn)生，并且時(shí)刻顯示鋰離子電池的S0C，有利于了解電池的能量狀態(tài)，由于本發(fā)明采用永磁直流電機(jī)，電機(jī)的加速度和電機(jī)的電流呈一定比例關(guān)系，所以當(dāng)電池SOC較低時(shí)，為了保證沖刺時(shí)能量的要求，可以在沖刺前提前換掉電池，從而減少了電池因?yàn)榉烹婋娏鬟^(guò)高對(duì)高速?zèng)_刺的誤干擾。
[0024]2、為了充分提高多輪微微鼠沖刺控制器的穩(wěn)定性和行駛能力，并兼顧兩輪中置轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)，并保證微微鼠的重心位置有利于各種運(yùn)動(dòng)，本發(fā)明采用六輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu):中置驅(qū)動(dòng)的功率較大，后置和前置驅(qū)動(dòng)的四個(gè)個(gè)電機(jī)功率較小，只有在動(dòng)力需求較高時(shí)才啟動(dòng)，起到助力作用。由于采用六輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)，微微鼠前后中六個(gè)動(dòng)力輪都有動(dòng)力，可按迷宮地面和周?chē)h(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，提高了微微鼠高速?zèng)_刺是對(duì)復(fù)雜迷宮的適應(yīng)能力。
[0025]3、沖刺時(shí)根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)兩驅(qū)、四驅(qū)和六驅(qū)的功能。在正常沖刺速度下，微微鼠一般會(huì)采用釋放前后四輪，采用中置兩輪驅(qū)動(dòng)的方式；而一旦需要稍微提速，此時(shí)的加速度較小，STM32407會(huì)根據(jù)加速度大小并立即使能中驅(qū)后驅(qū)的四片LM629工作，將微微鼠需求扭矩部分分配給后置兩個(gè)助力驅(qū)動(dòng)輪，同時(shí)控制器改變電機(jī)M的伺服控制，微微鼠系統(tǒng)自然切換到四輪驅(qū)動(dòng)沖刺狀態(tài)。而一旦需要快速提速或者是地面灰塵較多時(shí)，STM32407會(huì)根據(jù)加速度大小并使能前驅(qū)中驅(qū)后驅(qū)的六片LM629，工作并立即將微微鼠需求扭矩