雙核中速四輪微微鼠沖刺控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種微微鼠(PIC0M0USE)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，屬于微型迷宮機(jī)器人領(lǐng)域。
【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，圖2中便是微電腦鼠求解的迷宮中的一種。
[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(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^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比賽國(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)后通過控制器的232串口或者是USB等接口讀取存儲(chǔ)信息。
[0004]微微鼠在迷宮中沖刺過程中要時(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)行沖刺運(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)法完成沖刺任務(wù)。微微鼠迷宮沖刺技術(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(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]微微鼠求解迷宮是國(guó)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(jì)的復(fù)雜性，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)還沒有研發(fā)此機(jī)器人的單位。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)踐中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)出的微微鼠存在下列問題:
1、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)法用于微微鼠求解現(xiàn)有的復(fù)雜迷宮，無(wú)法為高速?zèng)_刺提供一條最佳沖刺路徑。
[0006]2、由于微微鼠的尺寸相較于微電腦鼠的尺寸大幅減少，如果微微鼠采用圖1中微電腦鼠的六組傳感器使微微鼠二次更新復(fù)雜迷宮時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)傳感器相互干擾的狀況，導(dǎo)致微微鼠在高速?zèng)_刺時(shí)讀取和更新迷宮信息失敗。
[0007]3、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，隨著微微鼠沖刺速度的提高，其打滑概率也極大增加，導(dǎo)致求解迷宮失敗。
[0008]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，如果直接將這些算法套用在微微鼠上，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。
[0009]5、由于迷宮擋墻尺寸的減少，使得微微鼠相較于微電腦鼠單格運(yùn)行的距離減少，微微鼠在高速?zèng)_刺過程中的頻繁剎車和啟動(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?zèng)_刺啟動(dòng)和停車的要求。
[0010]6、由于受單片機(jī)容量影響，現(xiàn)有的微電腦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)兩軸的伺服要求較高，特別是直線加速?zèng)_刺導(dǎo)航時(shí)，要求速度和加速度要追求嚴(yán)格的一致，否則直線導(dǎo)航將會(huì)失敗，將現(xiàn)有的微電腦鼠直接用于微微鼠容易導(dǎo)致微微鼠出現(xiàn)撞墻的現(xiàn)象發(fā)生。
[0011]7、對(duì)于兩輪驅(qū)動(dòng)的微電腦鼠來(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，因此直接將單一單片機(jī)伺服技術(shù)套用在微微鼠上，微微鼠在直道上沖刺時(shí)很難準(zhǔn)確行走在中線上，在高速?zèng)_刺時(shí)很容易撞到左右迷宮擋墻，導(dǎo)致沖刺任務(wù)失敗。
[0012]8、兩輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在加速時(shí)由于重心后移，使得前部輕飄，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、兩輪如果設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)造成重心前偏或重心側(cè)偏，重心前偏正常行駛時(shí)將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)輪上承受的正壓力減小，使得運(yùn)動(dòng)時(shí)更加容易打滑、也更容易走偏，導(dǎo)致導(dǎo)航失敗。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。
[0014]10、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，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”的現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于微型化發(fā)展和系統(tǒng)能源的節(jié)省。
[0015]11、微微鼠在迷宮行走時(shí)，易于受到外界干擾，由于沒有進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)償導(dǎo)致微微鼠碰撞迷宮擋墻，在運(yùn)行過程中，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)瞬間電流過大，嚴(yán)重時(shí)燒壞電機(jī)，最終無(wú)法完成任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的是解決的借助現(xiàn)有的先進(jìn)控制技術(shù)以及先進(jìn)控制芯片提供一種雙核中速四輪微微鼠沖刺控制器，解決現(xiàn)有技術(shù)中的諸多問題問題。
[0017]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
雙核中速四輪微微鼠沖刺控制器，包括主板，還包括電池、第一傳感器S1、第二傳感器S2、第三傳感器S5、第四傳感器S6、第一電機(jī)X、第二電機(jī)Y、第三電機(jī)R、第四電機(jī)Z、第五電機(jī)M、三軸陀螺儀G1、三軸加速度計(jì)Al、真空裝置、STM32F407控制器和5個(gè)LM629芯片，它們均安裝在主板上；
所述STM32F407處理器電性連接LM629芯片，所述電池、第一傳感器S1、第二傳感器S2、第三傳感器S5、第四傳感器S6、三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al均與STM32F407控制器信號(hào)連接，5片LM629芯片分別與第一電機(jī)X、第二電機(jī)Y、第三電機(jī)R、第四電機(jī)Z和第五電機(jī)M信號(hào)連接； 第一傳感器S1、第二傳感器S2、第三傳感器S5和第四傳感器S6均位于主板上表面前端、其中兩個(gè)信號(hào)發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向相同、另外兩個(gè)信號(hào)發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向間有一定夾角，信號(hào)發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向間有一定夾角的兩個(gè)傳感器的探測(cè)區(qū)域與主板設(shè)有車輪的側(cè)面的延長(zhǎng)面相交且探測(cè)區(qū)域能夠繞開發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向相同的傳感器所在位置；第一電機(jī)X、第二電機(jī)Y、第三電機(jī)R和第四電機(jī)Z分別與位于微微鼠兩側(cè)的四輪一一對(duì)應(yīng)、其中兩個(gè)電機(jī)設(shè)置在主板中部?jī)蓚?cè)、另外兩個(gè)電機(jī)設(shè)置在主板后端兩側(cè)使得微微鼠構(gòu)成中驅(qū)加后驅(qū)的復(fù)合結(jié)構(gòu)；所述第五電機(jī)M與真空裝置連接。
[0018]由于微微鼠體積的大幅度降低，如果還是采用如圖1所示微電腦鼠的結(jié)構(gòu)、傳感器2和3間以及傳感器4和5間經(jīng)常產(chǎn)生相互干擾，同時(shí)由于每組傳感器采集迷宮擋墻參數(shù)都需要一定的時(shí)間，加重了采樣周期，導(dǎo)致采樣頻率降低，延長(zhǎng)了處理器STM32F407的處理時(shí)間。因此想到進(jìn)行改進(jìn)，如圖4所示，傳感器S1、傳感器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(shí)傳感器S2和傳感器S5合作為微微鼠直線沖刺運(yùn)動(dòng)提供導(dǎo)航依據(jù)。為了使用智能算法計(jì)算迷宮擋墻信息，在使用前可以對(duì)微微鼠進(jìn)行校正，校正時(shí)微微鼠放在迷宮不同設(shè)定位置，傳感器S1、傳感器S2、傳感器S5和傳感器S6發(fā)出的信號(hào)經(jīng)側(cè)擋墻反饋后分別被傳感器S1、傳感器S2、傳感器S5和傳感器S6接收(在傳感器S1、傳感器S2、傳感器S5和傳感器S6均包括紅外發(fā)射傳感器0PE5594A和紅外接收器TSL262的情況下，第一傳感器S1、第二傳感器S2、第三傳感器S5和第四傳感器S6的紅外發(fā)射傳感器0PE5594A發(fā)射出的紅外光經(jīng)擋墻反饋后會(huì)被對(duì)應(yīng)的紅外接收器TSL262接收)，接收值經(jīng)控制器計(jì)算后作為當(dāng)前位置的設(shè)定閥值，然后微微鼠使用時(shí)在沖刺過程中通過與這些閥值比較得到其迷宮信息。
[0019]為了進(jìn)一步提高四輪微微鼠在迷宮中沖刺時(shí)的穩(wěn)定性，本發(fā)明在微微鼠伺服硬件系統(tǒng)中加入了三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al，控制器舍棄了原有只在轉(zhuǎn)彎時(shí)才開啟陀螺儀的模式。在微微鼠沖刺迷宮期間全程開啟陀螺儀和加速度計(jì)，三軸陀螺儀Gl用來(lái)測(cè)量微微鼠三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，三軸加速度計(jì)用來(lái)測(cè)量微微鼠三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)的加速度?？刂破鞲鶕?jù)測(cè)得的加速度信號(hào)計(jì)算出微微鼠的速度和位置數(shù)據(jù)，利用陀螺儀Gl短時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)和加速度計(jì)Al長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定的特點(diǎn)，兩者結(jié)合，得到即能短時(shí)穩(wěn)定又能長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定的傾斜角度，用陀螺儀測(cè)量短時(shí)內(nèi)角度變化，把加速度計(jì)傳感器當(dāng)作傾角傳感器測(cè)量?jī)A角，并在一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)，迫使陀螺儀得到的傾角慢慢匹配加速度傳感器得到的傾角。陀螺儀和加速度計(jì)時(shí)刻記錄微微鼠的瞬時(shí)參數(shù)并輸送給控制器，當(dāng)微微鼠的姿態(tài)發(fā)生變化超過設(shè)定閥值時(shí)，在一個(gè)新的采樣周期就立即對(duì)其位置補(bǔ)償，避免了微微鼠遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離中心位置現(xiàn)象的發(fā)生，提尚了其沖刺時(shí)的穩(wěn)定性。
[0020]為了進(jìn)一步提高微微鼠在迷宮沖刺時(shí)的穩(wěn)定性，防止微微鼠在高速?zèng)_刺時(shí)打滑導(dǎo)致微微鼠迷宮信息錯(cuò)誤，本發(fā)明在兩輪微微鼠沖刺控制器的硬件系統(tǒng)中加入了微型直流電機(jī)M，真空裝置具體的可以采用包括真空抽吸裝置和位于兩輪微微鼠下表面的微型真空吸盤的方式設(shè)置(當(dāng)然也可以采用其他結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn))，在微微鼠沖刺過程中，電機(jī)M