雙核高速四輪微微鼠全數(shù)字導(dǎo)航伺服控制器的制造方法
【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)動部件構(gòu)成的一種智能行走機(jī)器人，在國外已經(jīng)競賽了將近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，能夠快速從起點(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(zhǔn)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(dāng)完成任務(wù)后通過控制器的232串口或者是USB等接口讀取存儲信息。
[0004]微微鼠在迷宮中行走過程中要時(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)行運(yùn)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，否則將無法完成導(dǎo)航任務(wù)。微微鼠迷宮導(dǎo)航技術(shù)綜合了多學(xué)科知識，對于提升在校學(xué)生的動手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生課堂知識的消化和擴(kuò)展學(xué)生的知識面都非常有幫助，并且微微鼠迷宮導(dǎo)航技術(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際新興的一門技術(shù)，由于微微鼠迷宮導(dǎo)航技術(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單拷貝，按照微電腦鼠技術(shù)來設(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)無法用于微微鼠求解現(xiàn)有的復(fù)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(shù)來導(dǎo)航微微鼠探測迷宮，經(jīng)常出現(xiàn)傳感器相互干擾的狀況，導(dǎo)致其讀取迷宮?目息失敗。
[0007]3、基于輪式的微微鼠只能被動的適應(yīng)迷宮地面的打滑程度，隨著微微鼠導(dǎo)航速度的提高，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)中的探索和沖刺一般都要花費(fèi)較長的時(shí)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(yùn)行的距離減少，頻繁的剎車和啟動加重了單片機(jī)的工作量，采用現(xiàn)有技術(shù)微電腦鼠的單一的單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)無法滿足快速導(dǎo)航時(shí)啟動和停車的要求。
[0010]6、由于受單片機(jī)容量和算法影響，微微鼠對迷宮的信息沒有存儲，當(dāng)遇到掉電情況時(shí)所有的信息將消失，這使得整個(gè)探索過程要重新開始。
[0011]7、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(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。
[0012]8、兩輪驅(qū)動系統(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)，不利于高速微微鼠的發(fā)展。
[0013]9、兩輪如果設(shè)計(jì)不當(dāng)會造成重心前偏，正常行駛時(shí)將導(dǎo)致驅(qū)動輪上承受的正壓力減小，使得運(yùn)動時(shí)更加容易打滑、也更容易走偏，導(dǎo)致導(dǎo)航失敗。同時(shí)重心側(cè)偏將導(dǎo)致兩個(gè)驅(qū)動輪承受的正壓力不同，在快速啟動時(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)動力輪驅(qū)動，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、微電腦鼠采用的都是一些體積比較大的插件元器件，直接將這些用于微微鼠的設(shè)計(jì)使得微微鼠的體積和重量相對都比較大，無法滿足快速探索的要求。
[0016]12、由于受周圍環(huán)境不穩(wěn)定因素干擾，單片機(jī)控制器經(jīng)常會出現(xiàn)異常，引起微微鼠失控，抗干擾能力較差。
[0017]13、在運(yùn)行過程中，一旦遇到撞墻情況都會發(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)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]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高速四輪微微鼠全數(shù)字導(dǎo)航伺服控制器，解決現(xiàn)有技術(shù)中的諸多問題問題。
[0019]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:雙核高速四輪微微鼠全數(shù)字導(dǎo)航伺服控制器，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Gl、三軸加速度計(jì)Al、真空裝置、STM32F407處理器和FPGA芯片，它們均安裝在主板上；
它還包括控制模塊，所述控制模塊包括上位機(jī)控制單元和運(yùn)動控制單元，所述STM32F407處理器電性連接FPGA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處理器信號連接；所述上位機(jī)控制單元包括迷宮讀取單元、迷宮存儲單元、在線輸出單元，所述運(yùn)動控制單元包括五軸伺服控制單元、坐標(biāo)定位單元、I/O控制單元，其中迷宮讀取單元、迷宮存儲單元、在線輸出單元、坐標(biāo)定位單元、I/O控制單元由STM32F407處理器控制，五軸伺服控制單元由FPGA芯片控制；
所述五軸伺服控制單元包括四軸行走伺服控制單元和單軸真空抽吸附伺服控制單元，所述四軸行走伺服控制單元與真空吸附伺服控制單元信號連接，所述第一電機(jī)X、第二電機(jī)Y、第三電機(jī)R和第四電機(jī)Z與四軸行走伺服控制單元信號連接，所述第五電機(jī)M與真空吸附伺服控制單元信號連接；
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中的兩個(gè)信號發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向相同、另外兩個(gè)信號發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向間有一定夾角，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)的四輪一一對應(yīng)、其中兩個(gè)電機(jī)設(shè)置在主板中部兩側(cè)、另外兩個(gè)電機(jī)設(shè)置在主板后部兩側(cè)使得微微鼠構(gòu)成中驅(qū)加后驅(qū)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0020]在電源打開狀態(tài)下微電腦鼠先進(jìn)入自鎖狀態(tài)，當(dāng)所述微電腦鼠放在迷宮起始點(diǎn)時(shí)、所述STM32F407處理器處理后與FPGA處理器通訊進(jìn)而使得FPGA處理器首先控制第五電機(jī)M使得真空裝置開啟，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根據(jù)實(shí)際導(dǎo)航環(huán)境將參數(shù)傳輸給STM32F407處理器，STM32F407處理器處理參數(shù)后與FPGA芯片通訊，由FPGA芯片處理第一電機(jī)X、第二電機(jī)Y、第三電機(jī)R和第四電機(jī)Z伺服控制實(shí)現(xiàn)四軸行走伺服控制單元、且FPGA芯片處理第五電機(jī)M實(shí)現(xiàn)單軸真空抽吸附伺服控制，且FPGA芯片把處理數(shù)據(jù)通訊給STM32F407處理器、由STM32F407處理器繼續(xù)處理后續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)。
[0021]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合作為微微鼠直線運(yùn)動提供導(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(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)在行走