雙核中速六輪全數(shù)字導航伺服控制器及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及微型迷宮導航機器人領域，尤其涉及一種雙核中速六輪全數(shù)字導航伺服控制器及其控制方法。
【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，其常采用兩輪結構，兩輪微電腦鼠二維結構如圖1所不O
[0003]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。其求解的迷宮之一示意如圖2所示。
[0004]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導航信息，當完成任務后通過控制器的232串口或者是USB串口讀取存儲信息。
[0005]微微鼠在迷宮中導航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，否則將無法完成任務。微微鼠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，并且微微鼠走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。
[0006]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，在實踐中則會發(fā)現(xiàn)如下問題:
(I)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。
[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無法求解現(xiàn)有的復雜迷宮。
[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。
[0009](4)由于微電腦鼠伺服系統(tǒng)采用的都是比較低級的算法，使得微微鼠在迷宮當中的導航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。
[0010](5)由于迷宮擋墻尺寸的減少，使得微微鼠單格運行的距離減少，微微鼠頻繁的剎車和啟動加重了單片機的工作量，單一的單片機無法滿足微微鼠快速啟動和停車的要求。
[0011](6)對于兩輪驅(qū)動的微微鼠來說一般要求驅(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，微微鼠在直道上行駛時不能準確的行走在中線上，在高速導航時很容易撞到迷宮擋墻，導致任務失敗。
[0012](7)由于受單片機容量和算法影響，微微鼠無法存儲迷宮信息，當遇到掉電情況時所有的信息將消失，這使得整個探索過程要重新開始。
[0013](8)兩輪微微鼠系統(tǒng)在加速導航時由于重心后移，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。
[0014](9)兩輪微微鼠系統(tǒng)在正常導航時行駛時如果設計不當造成重心前偏，將導致驅(qū)動輪上承受的正壓力減小，這時微微鼠系統(tǒng)更加容易打滑，也更容易走偏，導致導航失敗。
[0015](10)兩輪微微鼠系統(tǒng)在正常導航行駛時如果設計不當造成重心側(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。
[0016](11)由于采用兩個動力輪驅(qū)動，為了滿足復雜狀態(tài)下的加速和減速導航，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)，不利于微微鼠本體微型化發(fā)展和微微鼠系統(tǒng)能源的節(jié)省O
[0017](12)如果采用前驅(qū)+后驅(qū)的全時四驅(qū)，雖然導航時動態(tài)性能較好，但是全時四驅(qū)顧名思義隨時隨地都保持四驅(qū)狀態(tài)，但是其耗能較高。
[0018]( 13)如果采用前驅(qū)+后驅(qū)的分時四驅(qū)探索方式，無論是采用前驅(qū)或者是后驅(qū)時都具有一定的弱點，在轉(zhuǎn)彎探索時角度不是過大，就是不夠，轉(zhuǎn)彎動態(tài)性能較差；
(14)如果采用中驅(qū)+后驅(qū)的四輪驅(qū)動方式進行導航，通過釋放后驅(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，電機的效率也得到一定優(yōu)化，但是在高速導航時會造成重心后偏，需要軟件對此進行保護。
[0019](15)無論是兩輪驅(qū)動或者是四輪驅(qū)動，在高速導航遇到迷宮接縫處具有一定的高度差時，導航動態(tài)性能都會收到嚴重影響。
[0020](16)基于輪式的微微鼠在導航階段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。
[0021]微微鼠求解迷宮是國際新興的一門技術，由于微微鼠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。因此，需要設計一種滿足初級者學習微微鼠求解迷宮的全數(shù)字伺服控制器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0022]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術的不足，提供一種雙核中速六輪全數(shù)字導航伺服控制器，以解決微微鼠在導航過程中打滑、傳感器相互干擾、處理時間慢等問題。
[0023]本發(fā)明采用的技術方案是:為了提高運算速度，保證微微鼠數(shù)字導航伺服控制器的穩(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動控制專用芯片LM629，形成基于STM32F407+專用運動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系統(tǒng)的作用，把導航伺服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，而人機界面、路徑優(yōu)化、軌跡參數(shù)、加速度、速度和位置數(shù)據(jù)存儲和計算、I/O控制等功能交給STM32F407完成，這樣就實現(xiàn)了 STM32F407與LM629的分工，同時二者之間也可以進行通訊，實時進行數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。
[0024]本發(fā)明采用的有益效果是:1、在導航過程中，充分考慮了電池在這個系統(tǒng)中的作用，基于STM32F407+LM629控制器時刻都在對微微鼠的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和運算，同時電流傳感器C1~C6實時在對電流進行檢測并反饋給控制器進行保護，避免了大電流的產(chǎn)生，并且時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，電機的加速度和電機的電流呈一定比例關系，所以當電池SOC較低時，為了保證導航時能量的要求，可以在導航前提前換掉電池，從而減少了電池因為放電電流過高對高速導航的誤干擾。
[0025]2、為了充分提高多輪微微鼠導航伺服控制器的穩(wěn)定性和行駛能力，并兼顧兩輪中置轉(zhuǎn)向的優(yōu)點，并保證微微鼠的重心位置有利于各種運動，本發(fā)明采用六輪驅(qū)動結構:中置驅(qū)動的功率較大，后置和前置驅(qū)動的四個個電機功率較小，只有在動力需求較高時才啟動，起到助力作用。由于采用六輪驅(qū)動技術，微微鼠前后中六個動力輪都有動力，可按迷宮地面和周圍環(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，提高了微微鼠高速導航對復雜迷宮的適應能力。
[0026]3、導航時根據(jù)需要實現(xiàn)兩驅(qū)、四驅(qū)和六驅(qū)的功能。在正常導航速度下，微微鼠一般會采用釋放前后四輪，采用中置兩輪驅(qū)動的方式；而一旦需要稍微提速，此時的加速度較小，STM32407會根據(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助力驅(qū)動輪，同時控制器改變電機M的伺服控制，微微鼠系統(tǒng)自然切換到四輪驅(qū)動導航狀態(tài)。而一旦需要快速提速或者是地面灰塵較多時，STM3240