雙核中速四輪微微鼠探索控制器的制造方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種微微鼠(PIC0M0USE)的自動控制系統(tǒng)，屬于微型迷宮機器人領域。
【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(jīng)競賽了將近30年，其常采用兩輪結(jié)構，兩輪微電腦鼠二維結(jié)構如圖1所示。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，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、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比賽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探索、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等接口讀取存儲信息。
[0004]微微鼠在迷宮中行走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，否則將無法完成探索任務。微微鼠探索迷宮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，并且微微鼠探索迷宮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(chǎn)業(yè)化進程。
[0005]微微鼠求解迷宮是國際新興的一門技術，由于微微鼠探索迷宮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。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，在實踐中發(fā)現(xiàn)設計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無法用于微微鼠求解現(xiàn)有的復雜迷宮。
[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技術探測迷宮，經(jīng)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。
[0007]3、基于輪式的微微鼠只能被動的適應迷宮地面的打滑程度，隨著微微鼠速度的提高，其打滑概率也極大增加，導致求解迷宮失敗。
[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中的探索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。
[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行的距離減少，頻繁的剎車和啟動加重了單片機的工作量，采用現(xiàn)有技術微電腦鼠的單一的單片機技術已經(jīng)無法滿足快速啟動和停車的要求。
[0010]6、由于受單片機容量影響，現(xiàn)有的微電腦鼠基本上都只有兩個動力驅(qū)動輪、采用兩輪差速方式行駛，使得系統(tǒng)對兩軸的伺服要求較高，特別是直線導航時，要求速度和加速度要追求嚴格的一致，否則直線導航將會失敗，將現(xiàn)有的微電腦鼠直接用于微微鼠容易導致微微鼠出現(xiàn)撞墻的現(xiàn)象發(fā)生；
7、對于兩輪驅(qū)動的微電腦鼠來說一般要求驅(qū)動其運動的兩個電機PffM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，因此直接將單一單片機伺服技術套用在微微鼠在直道上行駛時不能準確的行走在中線上，在高速行走時很容易撞到迷宮擋墻，導致任務失敗。
[0011]8、兩輪驅(qū)動系統(tǒng)在加速時由于重心后移，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。
[0012]9、兩輪如果設計不當會造成重心前偏或重心側(cè)偏，重心前偏正常行駛時將導致驅(qū)動輪上承受的正壓力減小，使得運動時更加容易打滑、也更容易走偏，導致導航失敗。重心側(cè)偏將導致兩個驅(qū)動輪承受的正壓力不同，在快速啟動時兩輪打滑程度不一致，瞬間就偏離軌跡，轉(zhuǎn)彎時，其中正壓力小的輪子可能打滑，導致轉(zhuǎn)彎困難。
[0013]10、采用兩個動力輪驅(qū)動，為了滿足復雜狀態(tài)下的加速和減速，使得單個驅(qū)動電機的功率較大，不僅占用的空間較大，而且有時候在一些相對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。
[0014]11、微微鼠在迷宮行走時，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，在運行過程中，一旦遇到撞墻情況都會發(fā)生電機堵轉(zhuǎn)情況，造成電機瞬間電流過大，嚴重時燒壞電機，最終無法完成任務。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的是解決的借助現(xiàn)有的先進控制技術以及先進控制芯片提供一種雙核中速四輪微微鼠探索控制器，解決現(xiàn)有技術中的諸多問題問題。
[0016]本發(fā)明采用的技術方案是:雙核中速四輪微微鼠探索控制器，包括主板，它還包括電池、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X、第二電機Y、第三電機R、第四電機Z、第五電機M、三軸陀螺儀Gl、三軸加速度計Al、電壓傳感器Vl、第一電流傳感器Cl、第二電流傳感器C2、第三電流傳感器C3、第四電流傳感器C4、真空裝置、STM32F407控制器和5個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、三軸加速度計均Al、第一電流傳感器Cl、第二電流傳感器C2、第三電流傳感器C3和第四電流傳感器C4與STM32F407控制器信號連接，5片LM629芯片分別與第一電機X、第二電機Y、第三電機R、第四電機Z和第五電機M信號連接； 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、其中兩個信號發(fā)射方向與車輪行進方向相同、另外兩個信號發(fā)射方向與車輪行進方向間有一定夾角；第一電機X、第二電機Y、第三電機R和第四電機Z分別與位于微微鼠兩側(cè)的四輪一一對應、其中兩個電機設置在主板中部兩側(cè)、另外兩個電機設置在主板后端兩側(cè)使得它們與四個輪子的位置—對應構成中驅(qū)加后驅(qū)的復合結(jié)構；第一電流傳感器Cl、第二電流傳感器C2、第三電流傳感器C3和第四電流傳感器C4分別與控制微微鼠的四個輪子的電機對應；所述第五電機M與真空裝置連接。
[0017]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、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，同時由于每組傳感器采集迷宮擋墻參數(shù)都需要一定的時間，加重了采樣周期，導致采樣頻率降低，延長了處理器STM32F407的處理時間。因此想到進行改進，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，同時傳感器S2和傳感器S5合作為微微鼠直線運動提供導航依據(jù)。為了使用智能算法計算迷宮擋墻信息，在使用前可以對微微鼠進行校正，校正時微微鼠放在迷宮不同設定位置，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)擋墻反饋后會被對應的紅外接收器TSL262接收)，接收值經(jīng)控制器計算后作為當前位置的設定閥值，然后微微鼠使用時在行走過程中通過與這些閥值比較得到其迷宮信息。
[0018]為了進一步提高四輪微微鼠在探索迷宮時的穩(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Al，控制器舍棄了原有只在轉(zhuǎn)彎時才開啟陀螺儀的模式。在微微鼠行走迷宮期間全程開啟陀螺儀和加速度計，三軸陀螺儀Gl用來測量微微鼠三個轉(zhuǎn)動方向運動，三軸加速度計用來測量微微鼠三個平移運動的加速度。LM629通過數(shù)據(jù)線和控制線與STM32F407相連，STM32F407根據(jù)測得的加速度信號計算出微微鼠的速度和位置數(shù)據(jù)，利用陀螺儀Gl短時測量準確的優(yōu)勢和加速度計Al長時穩(wěn)定的特點，兩者結(jié)合，得到即能短時穩(wěn)定又能長時穩(wěn)定的傾斜角度，用陀螺儀測量短時內(nèi)角度變化，把加速度計傳感器當作傾角傳感器測量傾角，并在一個長時間范圍內(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。陀螺儀和加速度計時刻記錄微微鼠的瞬時參數(shù)并輸送給控制器，當微微鼠的姿態(tài)發(fā)生變化超過設定閥值時，在一個新的采樣周期就立即對其位置補償，避免了微微鼠遠遠偏離中心位置現(xiàn)象的發(fā)生，提高了其快速行走時的穩(wěn)定性。STM32F407把外界環(huán)境轉(zhuǎn)化后向LM629發(fā)送位置、速度、加速度等指令值，LM629將指令值再結(jié)合光電編碼器、第一電流傳感器Cl、第二電流傳感器C2、第三電流傳感器C3和第四電流傳感器C4的反饋生成四軸伺服系統(tǒng)的偏差信號，以LM629為處理核心來產(chǎn)生四軸伺服系統(tǒng)PffM波，經(jīng)驅(qū)動橋放大后驅(qū)動微微鼠快速前進。采用這種方式STM