双核高速四轮微微鼠冲刺控制器的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种微微鼠(PIC0M0USE)的自动控制系统，属于微型迷宫机器人领域。
【背景技术】
[0002]微电脑鼠是使用嵌入式微控制器、传感器和机电运动部件构成的一种智能行走机器人，在国外已经竞赛了将近30年，其常采用两轮结构，两轮微电脑鼠二维结构如图1所示。微电脑鼠可以在不同“迷宫”中自动记忆和选择路径，采用相应的算法，快速地到达所设定的目的地，图2中便是微电脑鼠求解的迷宫中的一种。
[0003]随着微电子技术、计算机控制技术的不断进步，国外专家在微电脑鼠求解迷宫的技术基础之上提出了一种更具有挑战性的迷宫机器人一微微鼠，为了增强迷宫复杂程度以及求解迷宫的难度，迷宫挡墙由原有的180mm变成了 90mm，原有的迷宫由16*16格变成了32*32格，新的迷宫二维结构如图3所示。电源一旦打开，微微鼠全程完全依靠自身携带的传感器自动导航，并求解由1024个迷宫格组成的各种复杂迷宫，能够快速从起点找到一条到达设定目标点的最佳路径，然后以最快的速度冲刺到终点。作为一种自助导航智能机器人，因为通过无线装置可以向控制器输入迷宫信息，微微鼠或者微电脑鼠比赛国际准则拒绝使用无线装置，为了能够得到微微鼠或者是微电脑鼠探索、冲刺后的信息，只能通过算法快速寄存并储存其行走信息，当完成任务后通过控制器的232串口或者是USB等接口读取存储信息。
[0004]微微鼠在迷宫冲刺过程中要时刻判断周围的环境，然后传输参数到控制器，由控制器反复控制其在迷宫方格中精确的加速和减速进行运动。一只优秀的微微鼠必须具备良好的感知能力，有良好的行走能力，优秀的智能算法，否则将无法完成冲刺任务。微微鼠迷宫冲刺技术综合了多学科知识，对于提升在校学生的动手能力、团队协作能力和创新能力，促进学生课堂知识的消化和扩展学生的知识面都非常有帮助，并且微微鼠迷宫冲刺技术的开展可以培养大批相关领域的人才，进而促进相关领域的技术发展和产业化进程。
[0005]微微鼠求解迷宫是国际新兴的一门技术，由于微微鼠迷宫冲刺技术的难度较高以及迷宫设计的复杂性，导致国内还没有研发此机器人的单位。如果认为微微鼠只是微电脑鼠的简单拷贝，按照微电脑鼠技术来设计微微鼠，在实践中发现设计出的微微鼠存在下列问题:
1、由于求解迷宫数目的大量增加，原有的微电脑鼠求解迷宫技术无法用于微微鼠求解现有的复杂迷宫，无法为高速冲刺控制器提供一条最佳冲刺路径。
[0006]、由于微微鼠的尺寸相较于微电脑鼠的尺寸大幅减少，如果微微鼠采用图1中微电脑鼠的六组传感器技术探测迷宫，经常出现传感器相互干扰的状况，导致微微鼠在高速冲刺时读取和更新迷宫信息失败。
[0007]、基于轮式的微微鼠只能被动的适应迷宫地面的打滑程度，随着微微鼠速度的提高，其打滑概率也极大增加，导致求解迷宫失败。
[0008]、由于微电脑鼠伺服系统采用的都是比较低级的算法，如果直接将这些算法套用在微微鼠上，使得微微鼠在迷宫当中冲刺一般都要花费较长的时间，这使得在真正的大赛中无法取胜。
[0009]、由于迷宫挡墙尺寸的减少，使得微微鼠相较于微电脑鼠单格运行的距离减少，微微鼠在高速冲刺过程中的频繁刹车和启动加重了单片机的工作量，单一的单片机无法满足微微鼠快速冲刺启动和停车的要求。
[0010]、由于受单片机容量影响，现有的微电脑鼠基本上都只有两个动力驱动轮、采用两轮差速方式行驶，使得系统对两轴的伺服要求较高，特别是直线加速冲刺导航时，要求速度和加速度要追求严格的一致，否则直线导航将会失败，将现有的微电脑鼠直接用于微微鼠容易导致微微鼠出现撞墙的现象发生。
[0011]、对于两轮驱动的微电脑鼠来说一般要求驱动其运动的两个电机PffM控制信号要同步，受计算能力的限制单一单片机伺服系统很难满足这一条件，因此直接将单一单片机伺服技术套用在微微鼠上，微微鼠在直道上冲刺时很难准确行走在中线上，在高速冲刺时很容易撞到左右迷宫挡墙，导致冲刺任务失败。
[0012]、两轮驱动系统在加速时由于重心后移，使得前部轻飘，即使在良好的路面上微微鼠也会打滑，有可能导致撞墙的现象出现，不利于高速微微鼠冲刺的发展。
[0013]、两轮如果设计不当会造成重心前偏或重心侧偏，重心前偏正常行驶时将导致驱动轮上承受的正压力减小，使得运动时更加容易打滑、也更容易走偏，导致导航失败。重心侧偏将导致两个驱动轮承受的正压力不同，在快速启动时两轮打滑程度不一致，瞬间就偏离轨迹，转弯时，其中正压力小的轮子可能打滑，导致转弯困难。
[0014]、采用两个动力轮驱动，为了满足复杂状态下的加速和减速，使得单个驱动电机的功率较大，不仅占用的空间较大，而且有时候在一些相对需求能量较低的状态下造成“大马拉小车”的现象出现，不利于微型化发展和系统能源的节省。
[0015]、微电脑鼠采用的都是一些体积比较大的插件元器件，直接将这些用于微微鼠的设计使得微微鼠的体积和重量相对都比较大，无法满足快速冲刺的要求。
[0016]、由于受周围环境不稳定因素干扰，单片机控制器经常会出现异常，引起微微鼠失控，抗干扰能力较差。
[0017]、在运行过程中，一旦遇到撞墙情况都会发生电机堵转情况，造成电机瞬间电流过大，严重时烧坏电机。
【发明内容】
[0018]本发明的目的是解决的借助现有的先进控制技术以及先进控制芯片提供一种双核高速四轮微微鼠冲刺控制器，解决现有技术中的诸多问题问题。
[0019]本发明采用的技术方案是:
双核高速四轮微微鼠冲刺控制器，包括主板，还包括电池、第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5、第四传感器S6、第一电机X、第二电机Y、第三电机R、第四电机Z、第五电机M、三轴陀螺仪Gl、三轴加速度计Al、真空装置、STM32F407处理器和FPGA芯片，它们均安装在主板上；
所述STM32F407处理器电性连接FPGA芯片，所述电池、第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5、第四传感器S6、三轴陀螺仪Gl和三轴加速度计Al均与STM32F407处理器信号连接，FPGA芯片与第一电机X、第二电机Y、第三电机R、第四电机Z和第五电机M信号连接；
所述四轴行走伺服控制单元与真空吸附伺服控制单元信号连接，所述第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z与四轴行走伺服控制单元信号连接，所述第五电机M与真空吸附伺服控制单元信号连接；
第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6中的两个信号发射方向与车轮行进方向相同、其中两个信号发射方向与车轮行进方向相同、另外两个信号发射方向与车轮行进方向间有一定夹角、信号发射方向与车轮行进方向间有一定夹角的两个传感器的探测区域与主板设有车轮的侧面的延长面相交且探测区域能够绕开发射方向与车轮行进方向相同的传感器所在位置，第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z分别与位于微微鼠两侧的四轮一一对应、其中两个电机设置在主板中部两侧、另外两个电机设置在主板后端两侧使得它们与四个轮子的位置一一对应构成中驱加后驱的复合结构；所述第五电机M与真空装置连接；
在电源打开状态下微电脑鼠先进入自锁状态，当所述微电脑鼠放在迷宫起始点时、所述STM32F407处理器处理后与FPGA处理器通讯进而使得FPGA处理器首先控制第五电机M使得真空装置开启，第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6根据实际导航环境将参数传输给STM32F407处理器，STM32F407处理器处理参数后与FPGA芯片通讯，由FPGA芯片处理第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z伺服控制实现四轴行走伺服控制、且FPGA芯片处理第五电机M实现单轴真空抽吸附伺服控制，且FPGA芯片把处理数据通讯给STM32F407处理器、由STM32F407处理器继续处理后续的运行状态。
[0020]由于微微鼠体积的大幅度降低，如果还是采用如图1所示微电脑鼠的结构、传感器2和3间以及传感器4和5间经常产生相互干扰，同时由于每组传感器采集迷宫挡墙参数都需要一定的时间，加重了采样周期，导致采样频率降低，延长了处理器STM32F407的处理时间。因此想到进行改进，如图4所示，传感器S1、传感器S6共同作用判断前方挡墙，传感器S2判断其左边挡墙的存在，传感器S5判断其右边挡墙的存在，同时传感器S2和传感器S5合作为微微鼠直线运动提供导航依据。为了使用智能算法计算迷宫挡墙信息，在使用前可以对微微鼠进行校正，校正时微微鼠放在迷宫不同设定位置，传感器S1、传感器S2、传感器S5和传感器S6发出的信号经侧挡墙反馈后分别被传感器S1、传感器S2、传感器S5和传感器S6接收(在传感器S1、传感器S2、传感器S5和传感器S6均包括红外发射传感器0PE5594A和红外接收器TSL262的情况下，第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6的红外发射传感器0PE5594A发射出的红外光经挡墙反馈后会被对应的红外接收器TSL262接收)，接收值经控制器计算后作为当前位置的设定阀值，然后微微鼠使用时在行走过程中通过与这些阀值比较得到其迷宫信息。
[0021]为了进一步提高四轮微微鼠在迷宫中冲刺时的稳定性，本发明在微微鼠伺服硬件系统中加入了三轴陀螺仪Gl和三轴加速度计Al，控制器舍弃了原有只在转弯时才开启陀螺仪的模式。在微微鼠行走迷宫期间全程开启陀螺仪和加速度计，三轴陀螺仪Gl用来测量微微鼠三个转动方向运动，三轴加速度计用来测量微微鼠三个平移运动的加速度。控