基于双核两轮极速微电脑鼠对角线冲刺伺服系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种基于双核两轮极速微电脑鼠对角线冲刺伺服系统，包括冲刺中心控制单元、第一运动驱动单元、第二运动驱动单元、第一高速直流电机、第二高速直流电机和电源供应单元，冲刺中心控制单元包括ARM9处理器和FPGA处理器，ARM9处理器与FPGA处理器电性连接，FPGA处理器分别与第一运动驱动单元和第二运动驱动单元电性连接，第一运动驱动单元进一步与第一高速直流电机电性连接，第二运动驱动单元进一步与第二高速直流电机电性连接。本发明同时采用两个处理器协同工作处理数据，运算速度较快，避免了大电流的产生，减少了电池对高速冲刺的影响；所述陀螺仪能够为所述微电脑鼠转弯进行导航，提高了微电脑鼠的稳定性。
【专利说明】基于双核两轮极速微电脑鼠对角线冲刺伺服系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于双核两轮极速微电脑鼠对角线冲刺伺服系统。
【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，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。微电脑鼠比赛在国外已经有30几年的历史，现在每年国际上都要举行上百场类似的微电脑鼠大赛。
[0003]微电脑鼠竞赛采用运行时间、迷宫时间和碰触这三个参数，从速度、求解迷宫的效率和电脑鼠的可靠性三个方面来进行评分，不同的国家采用不同的评分标准，最有代表的四个国家标准为:
(1)美国IEEEAPEC国际微电脑鼠机器人竞赛:探索时间、冲刺时间和固定的接触扣分，都记入总成绩，得分=探索时间/30 +冲刺时间+固定接触扣分；
(2)全日本国际微电脑鼠机器人大会(专家级):总成绩仅计算冲刺时间，得分=最佳冲刺时间；
(3)英国微电脑鼠机器人挑战赛:探索时间、冲刺时间和可变的接触扣分都记入总成绩，得分=探索时间/30 +冲刺时间+变动接触扣分；
(4)新加坡机器人大赛:探索时间、冲刺时间记入总成绩，每次接触机器人将减少一次尝试机会，得分=探索时间/30 +冲刺时间。
[0004]从上面的国际标准来看，冲刺时间决定整个微电脑鼠的成败，由于国内研发此机器人的单位较少，相对研发水平比较落后，研发的微电脑鼠结构如图1，长时间运行发现存在着很多安全问题，即:
(I)作为微电脑鼠的眼睛采用的是超声波或者是一般的红外传感器，而且传感器的设置有误，使得微电脑鼠在快速冲刺时对周围迷宫的判断存在一定的误判，使得微电脑在快速冲刺的时候容易撞上前方的挡墙。
[0005](2)作为微电脑鼠的执行机构采用的是步进电机，经常会遇到丢失脉冲的问题出现，导致对冲刺位置的记忆出现错误，有的时候找不到冲刺的终点。
[0006](3)由于采用步进电机，使得机体发热比较严重，不利于在大型复杂迷宫中快速冲刺。
[0007](4)由于采用比较低级的算法，使得最佳迷宫的计算和冲刺路径的计算都有一定的问题，研发的微电脑鼠基本上不会多次自动加速冲刺，在一般迷宫当中的冲刺一般都要花费15?30秒的时间，这使得在真正的国际复杂迷宫大赛中无法取胜。
[0008](5)由于微电脑鼠在快速冲刺过程中需要频繁的刹车和启动，加重了单片机的工作量，单片信号处理器无法满足微电脑鼠快速冲刺的要求。
[0009]( 6 )相对采用的都是一些体积比较大的插件元器件使得微电脑鼠的体积和重量比较庞大，而且重心较高，无法满足快速冲刺的要求。[0010](7)由于受周围环境不稳定因素干扰，特别是周围一些光线的干扰，单片机控制器经常会出现异常，引起微电脑鼠失控，抗干扰能力较差。
[0011](8)对于差速控制的微电脑鼠来说，一般要求其两个电机的控制信号要同步，但是对于单一单片机来说很难办到，使得微电脑鼠在高速冲刺时会在迷宫当中摇摆幅度较大，经常出现撞墙的现象发生，导致冲刺失败。
[0012](9)由于受单片机容量和算法影响，微电脑鼠对迷宫的信息没有存储，当遇到掉电情况时候所有的信息将消失，这使得整个冲刺过程无法完成。
[0013](10)由于没有角速度传感器的辅助进行转弯，经常出现转弯角度过小或者过大的现象发生，然后依靠导航的传感器进行补偿，导致在连续多次转弯的迷宫中出现撞墙的现象发生,致使冲刺失败。
[0014](11)采用单个传感器探知前方迷宫的挡墙，极易收到外界干扰，致使前方传感器错误引导快速冲刺的微电脑鼠，导致微电脑鼠在迷宫中冲刺不到位或者撞墙，致使冲刺失败。
[0015]因此，需要对现有的基于单片机控制的微电脑鼠控制器进行重新设计。
【发明内容】
[0016]本发明主要解决的技术问题是提供一种基于双核两轮极速微电脑鼠对角线冲刺伺服系统，同时采用两个处理器协同工作处理数据，运算速度较快，避免了大电流的产生，减少了电池对高速冲刺的影响；所述陀螺仪能够为所述微电脑鼠转弯进行导航，提高了微电脑鼠的稳定性。
[0017]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种基于双核两轮极速微电脑鼠对角线冲刺伺服系统，应用于两轮微电脑鼠中，所述冲刺伺服系统包括冲刺中心控制单元、第一运动驱动单元、第二运动驱动单元、第一高速直流电机、第二高速直流电机和电源供应单元，所述电源供应单元包括锂离子电池，所述冲刺中心控制单元包括ARM9处理器和FPGA处理器，所述ARM9处理器与FPGA处理器电性连接以传输控制信号和数据信息，所述FPGA处理器分别与所述第一运动驱动单元和第二运动驱动单元电性连接，所述第一运动驱动单元进一步与所述第一高速直流电机电性连接，所述第二运动驱动单元进一步与所述第二高速直流电机电性连接。
[0018]在本发明一个较佳实施例中，所述第一高速直流电机和第二高速直流电机上均进一步设置光电编码器和电流传感器，所述光电编码器和电流传感器分别与所述FPGA处理器电性连接。
[0019]在本发明一个较佳实施例中，所述冲刺伺服系统进一步包括至少六个蔽障传感器，所述ARM9处理器分别与每一个所述蔽障传感器电性连接以接收蔽障传感器检测到的环境信息，所述蔽障传感器为红外线传感器，所述红外线传感器包括红外线发射器0PE5594A和红外线接收器TSL262。
[0020]在本发明一个较佳实施例中，所述冲刺伺服系统进一步包括第一陀螺仪和第二陀螺仪，第一陀螺仪包括微机械角速度传感器，第二陀螺仪包括速度传感器，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪分别与所述ARM9处理器电性连接以将检测到的角速度信息和速度信息传送至ARM9处理器。[0021]本发明还提供一种两轮微电脑鼠，包括所述的冲刺伺服系统，所述冲刺伺服系统包括冲刺中心控制单元、第一运动驱动单元、第二运动驱动单元、第一高速直流电机、第二高速直流电机和电源供应单元，所述电源供应单元包括锂离子电池，所述冲刺中心控制单元包括ARM9处理器和FPGA处理器，所述ARM9处理器与FPGA处理器电性连接以传输控制信号和数据信息，所述FPGA处理器分别与所述第一运动驱动单元和第二运动驱动单元电性连接，所述第一运动驱动单元进一步与所述第一高速直流电机电性连接，所述第二运动驱动单元进一步与所述第二高速直流电机电性连接；
所述两轮微电脑鼠进一步包括壳体、第一车轮和第二车轮，所述壳体内部设置所述冲刺伺服系统，所述第一车轮和第二车轮分别设置在所述壳体两侧，所述第一车轮与所述第一高速直流电机连接，所述第二车轮与所述第二高速直流电机连接。
[0022]在本发明一个较佳实施例中，所述第一车轮的转轴与所述第一陀螺仪连接，所述第二车轮的转轴与所述第二陀螺仪连接。
[0023]在本发明一个较佳实施例中，所述两轮微电脑鼠进一步包括光电补偿传感器和光电补偿传感器，所述电压传感器和光电补偿传感器分别与所述ARM处理器电性连接。
[0024]本发明还提供一种所述两轮微电脑鼠的控制方法，所述两轮微电脑鼠包括所述冲刺伺服系统，所述冲刺伺服系统包括冲刺中心控制单元、第一运动驱动单元、第二运动驱动单元、第一高速直流电机、第二高速直流电机和电源供应单元，所述电源供应单元包括锂离子电池，所述冲刺中心控制单元包括ARM9处理器和FPGA处理器，所述ARM9处理器与FPGA处理器电性连接以传输控制信号和数据信息，所述FPGA处理器分别与所述第一运动驱动单元和第二运动驱动单元电性连接，所述第一运动驱动单元进一步与所述第一高速直流电机电性连接，所述第二运动驱动单元进一步与所述第二高速直流电机电性连接；
包括运动控制模块和上位机控制模块，所述上位机控制模块包括迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元，所述运动控制模块包括数据存储单元，输入输出单元和FPGA控制单元，所述FPGA控制单元包括直线冲刺单元、右转冲刺单元、左转冲刺单元、对角线冲刺单元和U形冲刺单元。
[0025]在本发明一个较佳实施例中，所述FPGA控制单元控制所述两轮微电脑鼠在每一段运动路程内中的冲刺速度，所述冲刺速度依次分为加速运动阶段、匀速运动阶段和减速运动阶段；在所述加速运动阶段和所述减速运动阶段，两轮微电脑鼠的加速度均从O开始逐渐增大，接着保持不变，最后逐渐减小至O。
[0026]在本发明一个较佳实施例中，所述两轮微电脑鼠的控制方法包括探索冲刺和直接冲刺两种冲刺模式，所述直接冲刺模式进一步包括定速冲刺模式和不定速冲刺模式；在所述探索冲刺模式下，所述两轮微电脑鼠自动搜索完成迷宫探索到达终点后再返回起点，最后调取探索过程中获取的迷宫信息快速冲刺到终点；在直接冲刺模式下，所述两轮微电脑鼠直接调取历史迷宫信息快速冲刺到终点。
[0027]本发明的有益效果是:
Cl)同时采用ARM9处理器和FPGA处理器分工工作，由FPGA处理器处理微电脑鼠高速冲刺时的两只高速直流电机的同步伺服控制，使得控制比较简单，大大提高了运算速度，避免产生大电流，缩短了开发周期短，并且程序可移植能力强；有效地防止了程序的跑飞，抗干扰能力大大增强；时刻监测锂离子电池的剩余容量，有利于了解电池的能量状态，当电池能量状态较低时，可以在冲刺前提前换掉电池，从而减少了电池对高速冲刺的误干扰；
(2 )在微电脑鼠快速冲刺过程中，所述ARM9处理器能够对直流电机X和电机Y的转矩进行在线辨识并利用直流电机力矩与电流的关系进行补偿，减少了电机转矩抖动对微电脑鼠快速冲刺的影响；
(3)所述陀螺仪可以按时间累计确定角坐标和测量车轮转速，这对于微电脑鼠连续旋转一定角度计算具有导航作用，可以实现两轮微电脑鼠的速度大小和方向的独立控制，有利于提高微电脑鼠冲刺时的稳定性和动态性能，使微电脑鼠更容易实现曲线轨迹的转动；
(4)所述数据存储模块能够存储微电脑鼠的迷宫探索信息，有利于提取对应信息并优化二次冲刺的路径，降低冲刺时间；
(5)所述LM629控制模块依据具体路径调取不同冲刺模块控制冲刺方向和冲刺速度，自动冲刺，杜绝接触扣分，快捷安全；
(6)所述两轮微电脑鼠包括两种冲刺模式，满足现实比赛的需求；
(7)采用S型加减速曲线在任何一点的加速度都是连续变化的，从而避免了微电脑鼠系统的柔性冲击，速度的平滑性很好，运动精度高。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中:
图1是单片机控制的微电脑鼠的电路原理框图；
图2为本发明所述冲刺伺服系统的电路原理框图；
图3为本发明所述冲刺中心控制单元的工作原理图；
图4为本发明所述的两轮微电脑鼠的控制方法的控制模块框图；
图5为本发明所述两轮微电脑鼠运动时的迷宫坐标示意图；
图6是本发明所述两轮微电脑鼠一较佳实施例的结构示意图；
图7是本发明所述两轮微电脑鼠的速度曲线图；
图8为本发明所述的两轮微电脑鼠的控制方法的自动冲刺程序流程图；
图9为本发明所述两轮微电脑鼠的右转冲刺示意图；
图10为本发明所述两轮微电脑鼠的左转冲刺示意图；
图11为本发明所述两轮微电脑鼠运动时的楼梯形迷宫结构图；
图12为本发明所述两轮微电脑鼠沿着楼梯形迷宫进行45度冲刺的示意图；
图13为本发明所述两轮微电脑鼠运动时的U形迷宫结构图；
图14为本发明所述两轮微电脑鼠在U形迷宫内的运动轨迹示意图；
图15为本发明所述两轮微电脑鼠沿着U形迷宫冲刺的运动参数示意图。
[0029]附图中各部件的标记如下:1、壳体，2、第一车轮,3、第二车轮，S1、第一个蔽障传感器，S2、第二个蔽障传感器，S3、第三个蔽障传感器，S4、第四个蔽障传感器，S5、第五个蔽障传感器，S6、第六个蔽障传感器，S7、光电补偿传感器，S8、电压传感器。【具体实施方式】
[0030]下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]请参阅图1至图15,本发明实施例包括:
一种基于双核两轮极速微电脑鼠对角线冲刺伺服系统，应用于两轮微电脑鼠中，所述冲刺伺服系统包括冲刺中心控制单元、第一运动驱动单元、第二运动驱动单元、第一高速直流电机X、第二高速直流电机Y和电源供应单元，所述电源供应单元包括锂离子电池，所述冲刺中心控制单元包括ARM9处理器和FPGA处理器，所述ARM9处理器与FPGA处理器电性连接以传输控制信号和数据信息，所述FPGA处理器分别与所述第一运动驱动单元和第二运动驱动单元电性连接，所述第一运动驱动单元进一步与所述第一高速直流电机电性连接，所述第二运动驱动单元进一步与所述第二高速直流电机电性连接。
[0032]ARM9 处理器米用 R I SC ( Reduce Instruction Computer，精简指令集计算机)结构，具有寄存器多、寻址方式简单、批量传输数据、使用地址自动增减等特点。新一代的ARM9处理器，通过全新的设计，采用了更多的晶体管，能够达到两倍以上于ARM7处理器的处理能力，这种处理能力的提高是通过增加时钟频率和减少指令执行周期实现的。
[0033]FPGA，即现场可编程门阵列，是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
[0034]FPGA采用了逻辑单元阵列LCA (Logic Cell Array)这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurabIe Logic Block)、输出输入模块10B(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。
[0035]本发明所述第一高速直流电机和第二高速直流电机上均进一步设置光电编码器和电流传感器，所述光电编码器和电流传感器分别与所述FPGA处理器电性连接。
[0036]所述冲刺伺服系统进一步包括至少六个蔽障传感器，在本实施例中，所述蔽障传感器的数量为六个，依次编号为S1、S2、S3、S4、S5、S6。所述ARM9处理器分别与每一个所述蔽障传感器电性连接以接收蔽障传感器检测到的环境信息，所述蔽障传感器为红外线传感器，所述红外线传感器包括红外线发射器0PE5594A和红外线接收器TSL262。
[0037]所述冲刺伺服系统进一步包括第一陀螺仪和第二陀螺仪，第一陀螺仪包括微机械角速度传感器，第二陀螺仪包括速度传感器，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪分别与所述ARM9处理器电性连接以将检测到的角速度信息和速度信息传送至ARM9处理器。
[0038]本发明还提供一种两轮微电脑鼠，包括所述的冲刺伺服系统，所述两轮微电脑鼠进一步包括壳体1、第一车轮2和第二车轮3，所述壳体I内部设置所述冲刺伺服系统，所述第一车轮2和第二车轮3分别设置在所述壳体I两侧，所述第一车轮2与所述第一高速直流电机连接，所述第二车轮3与所述第二高速直流电机连接。所述第一车轮2的转轴与所述第一陀螺仪连接，所述第二车轮3的转轴与所述第二陀螺仪连接。
[0039]所述两轮微电脑鼠进一步包括光电补偿传感器7和光电补偿传感器7，所述电压传感器8和光电补偿传感器7分别与所述ARM处理器电性连接。[0040]本发明还提供一种所述两轮微电脑鼠的控制方法，包括运动控制模块和上位机控制模块，所述上位机控制模块包括迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元，所述运动控制模块包括数据存储单元，输入输出单元和FPGA控制单元，所述FPGA控制单元包括直线冲刺单元、右转冲刺单元、左转冲刺单元、对角线冲刺单元和U形冲刺单元。在本实施例中，所述直线冲刺模块、右转冲刺模块、左转冲刺模块、对角线冲刺模块和U形冲刺模块依次编号为子程序1、子程序2、子程序3、子程序4、子程序5。
[0041]其中，所述FPGA控制单元控制所述两轮微电脑鼠在每一段运动路程内中的冲刺速度，所述冲刺速度依次分为加速运动阶段、匀速运动阶段和减速运动阶段；在所述加速运动阶段和所述减速运动阶段，两轮微电脑鼠的加速度均从O开始逐渐增大，接着保持不变，最后逐渐减小至O。
[0042]所述两轮微电脑鼠的控制方法包括探索冲刺和直接冲刺两种冲刺模式，所述直接冲刺模式进一步包括定速冲刺模式和不定速冲刺模式；在所述探索冲刺模式下，所述两轮微电脑鼠自动搜索完成迷宫探索到达终点后再返回起点，最后调取探索过程中获取的迷宫信息快速冲刺到终点；在直接冲刺模式下，所述两轮微电脑鼠直接调取历史迷宫信息快速冲刺到终点。
[0043]在具体应用时，本发明开发时米用S3C2440A作为开发板核心,所述电脑鼠基本实现全贴片元器件材料，实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，而且有利于体积和重量的减轻，有利于提高微电脑鼠伺服系统的稳定性和动态性能。
[0044]对于本文设计的双核控制器，先把微电脑鼠放在迷宫起始点，在电源打开状态下，并根据按键信息决定是自动搜索完成迷宫探索或者是调取储存的迷宫信息生成最优冲刺路径，然后微电脑鼠靠前方、左右侧面蔽障传感器根据实际导航环境传输参数给双核控制器中的ARM9(S3C2440A)，ARM9 (S3C2440A)处理后与FPGA通讯，然后由FPGA结合光电编码器的反馈处理两个独立电机的伺服控制，并把处理数据通讯给ARM9 (S3C2440A)，由ARM9 (S3C2440A)继续处理后续的运行状态。
[0045]本发明的工作原理为:
I)在微电脑鼠打开电源瞬间，系统将会按照图8的方式完成冲刺，首先系统要完成初始化，然后等待按键信息，未接到按键信息命令之前，它一般会在起点坐标(0，O)等待控制器发出的冲刺命令，根据按键信息，本发明有多种冲刺方法:如果按下的是START(启动)键，说明系统要放弃以前的迷宫信息先进行搜索，然后搜索完成后生成优化的冲刺迷宫信息，微电脑鼠进入自动多次冲刺阶段；如果按下的是RESET (复位)+STRAT (启动)键，说明系统要调出已经探索后的最优迷宫，然后沿着起点开始快速向终点(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)冲刺；如果按下的是RESET (复位)+STRAT (启动)+SPEED (速度)键，说明系统要调出已经探索后的最优迷宫，然后沿着起点以设定的冲刺速度开始快速向终点(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)冲刺。
[0046]2)微电脑鼠放在起点坐标(0，0)，接到任务后为了防止放错冲刺方向，其前方的传感器S1、S6和会对前方的环境进行判断，确定有没有挡墙进入运动范围，如存在挡墙将向ARM9 (S3C2440A)发出中断请求，ARM9 (S3C2440A)会对中断做第一时间响应，如果ARM9 (S3C2440A)的中断响应没有来得及处理，微电脑鼠的电机X和电机Y将继续自锁，然后二次判断迷宫确定前方信息，防止信息误判；如果没有挡墙进入前方的运动范围，微电脑鼠将进行正常的冲刺。
[0047]3)在微电脑启动冲刺瞬间，传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6 (六个独立的红外发射管0PE5594A发出的红外光经接收器TSL262接受后转化为周围迷宫的信息)判断周围的环境并送给ARM9 (S3C2440A)，然后由ARM9 (S3C2440A)根据冲刺迷宫信息生成图7的S曲线轨迹生成速度-时间运动图的指令给定值，这个图形包含的面积就是微电脑鼠两个电机X、电机Y要运行的距离SI。然后与FPGA通讯，FPGA根据速度、加速度参数指令值然后结合光电编码盘和电流传感器的反馈生成驱动两轴直流电机的PWM波与方向。PWM波经驱动桥后驱动两个独立电机，完成整个加速过程直到达到冲刺设定速度，并把处理数据通讯给ARM9(S3C2440A),由ARM9 (S3C2440A)继续处理后续的运行状态。
[0048]4)在微电脑鼠沿着Y轴向前运动如果有Z格坐标没有挡墙进入前方的运动范围，系统进入自动冲刺子系统1，微电脑鼠将存储其坐标(X，Y)，为了快速行走需要，舍弃了传统单一速度冲刺模式，按照图7的S曲线速度-时间图进行加速和减速，在其向前运动过程中，ARM9(S3C2440A)把向前Z格的距离按照时间要求转化为微电脑鼠需要冲刺的加速度和速度指令值，然后与FPGA通讯，FPGA结合光电编码器和电流传感器的反馈把加速度和速度指令值转化为实际的速度和加速度，由FPGA生成驱动两轴直流电机的PWM波信号，经驱动桥后驱动微电脑鼠到达预定距离，微电脑鼠在冲刺过程中每经过一个方格，将更新其坐标为(X，Y+1)，在Y+l〈15的前提下，判断其坐标是不是(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)其中的一个，如果不是将继续更新其坐标，如果是的话通知控制器已经冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为0，微电脑鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更优的迷宫路径。
[0049]5)在微电脑鼠沿着Y轴反向运动过程中如果有多个坐标没有挡墙进入前方的运动范围，系统进入自动冲刺子系统1，微电脑鼠将存储此时坐标(X，Y)，为了快速行走需要，舍弃了传统单一速度冲刺模式，按照图7的速度和时间曲线进行加速和减速，在其向前运动过程中，ARM9(S3C2440A)把向前Z格的距离按照时间要求转化为微电脑鼠需要冲刺的加速度和速度指令值，然后与FPGA通讯，FPGA结合光电编码器和电流传感器的反馈把加速度和速度指令值转化为实际的速度和加速度，由FPGA生成驱动两轴直流电机的PWM波信号，经驱动桥后驱动微电脑鼠到达预定距离，微电脑鼠在冲刺过程中每经过一个方格，，将更新其坐标为(X，Y-1)，在确定Y-DO的前提下，判断其坐标是不是(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)其中的一个，如果不是将继续更新其坐标，如果是的话通知控制器已经冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为0，微电脑鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更优的迷宫路径。
[0050]6)在微电脑鼠沿着Y轴向前运动过程中如果有挡墙进入前方的运动范围，并且此时迷宫信息中左方有挡墙时，系统进入自动冲刺子系统2，微电脑鼠将存储此时坐标(X，Y)，然后进入图9所示的曲线运动轨迹，在右冲刺转弯时，微电脑鼠将首先前往直线走很短的距离 DashTurn_R90_Leading 传输给 ARM9 (S3C2440A)，ARM9 (S3C2440A)根据冲刺的时间要求，把此距离转化为相应的位置、速度和加速指令然后传输给FPGA，FPGA再结合电机反馈的光电编码器A、B、Z和电机电流I信号生成控制电机X和电机Y的PWM波，然后经过驱动桥驱动两轮电机运转到预定位置，此时R90_FrontWallRef开始工作，防止外界干扰开始做误差补偿；微电脑鼠然后将DashTurn_R90_Arcl传输给ARM9 (S3C2440A)，ARM9 (S3C2440A)根据新的冲刺时间要求，把此距离转化为响应的位置、速度和加速指令然后传输给FPGA，FPGA再结合电机反馈的光电编码器A、B、Z和电机电流I信号生成控制电机X和电机Y的PWM波和电机的速度DashTurn_R90_VelXl和DashTurn_R90_VelYl，然后经过驱动桥驱动两轮电机运转到预定位置；随后，微电脑鼠开始调整速度将微电脑鼠将行走的距离 DashTurn_R90_Arc2 传输给 ARM9 (S3C2440A)，ARM9 (S3C2440A)根据新的冲刺时间要求，把此距离转化为相应的位置、速度和加速指令然后传输给FPGA，FPGA再结合光电编码器和电机电流的反馈生成控制电机X和电机Y的PWM波和电机的速度DashTurn_R90_VelX2和DashTurn_R90_VelY2，然后经过驱动桥驱动两轮电机运转到预定位置，并且在陀螺仪控制下微电脑鼠已经右转90度；微电脑鼠开始调整速度将微电脑鼠将行走的距离 DashTurn_R90_Passing 传输给 ARM9 (S3C2440A)，ARM9 (S3C2440A)根据新的冲刺时间要求，把此距离转化为相应的位置、速度和加速指令然后传输给FPGA，FPGA再结合光电编码器和电机电流的反馈生成控制电机X和电机Y的PWM和电机的速度DashTurn_R90_VelX3和DashTurn_R90_VelY3，然后经过驱动桥驱动两轮电机运转到预定位置，经过四段不同的速度、和电流的闭环控制完成整个右转弯的轨迹曲线运动。此时将更新其坐标为(X+1，Y)，在X+l〈15的前提下，判断其坐标是不是(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)其中的一个，如果不是将继续更新其坐标，如果是的话通知控制器已经冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为0，微电脑鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更优的迷宫路径；
7)在微电脑鼠沿着Y轴向前运动过程中如果有挡墙进入前方的运动范围，并且此时迷宫信息中右方有挡墙时，系统进入自动冲刺子系统3，微电脑鼠将存储此时坐标(X，Y)，然后进入图10所示的曲线运动轨迹，在右冲刺转弯时，微电脑鼠将首先前往直线走很短的距离 DashTurn_L90_Leading 传输给 ARM9 (S3C2440A)，ARM9 (S3C2440A)根据冲刺的时间要求，把此距离转化为相应的位置、速度和加速指令然后传输给FPGA，FPGA再结合电机反馈的光电编码器A、B、Z和电机电流I信号生成控制电机X和电机Y的PWM波，然后经过驱动桥驱动两轮电机运转到预定位置，此时L90_FrontWallRef开始工作，防止外界干扰开始做误差补偿；微电脑鼠然后将 DashTurn_L90_Arcl 传输给 ARM9 (S3C2440A)，ARM9 (S3C2440A)根据新的冲刺时间要求，把此距离转化为响应的位置、速度和加速指令然后传输给FPGA，FPGA再结合电机反馈的光电编码器A、B、Z和电机电流I信号生成控制电机X和电机Y的PWM波和电机的速度DashTurn_L90_VelXl和DashTurn_L90_VelYl，然后经过驱动桥驱动两轮电机运转到预定位置；随后，微电脑鼠开始调整速度将微电脑鼠将行走的距离DashTurn_L90_Arc2传输给ARM9 (S3C2440A)，ARM9 (S3C2440A)根据新的冲刺时间要求，把此距离转化为相应的位置、速度和加速指令然后传输给FPGA，FPGA再结合光电编码器和电机电流的反馈生成控制电机X和电机Y的PWM波和电机的速度DashTurn_L90_VelX2和DashTurn_L90_VdY2，然后经过驱动桥驱动两轮电机运转到预定位置，并且在陀螺仪控制下微电脑鼠已经左转90度；微电脑鼠开始调整速度将微电脑鼠将行走的距离DaShTurn_L90_PaSSing传输给ARM9 (S3C2440A)，ARM9 (S3C2440A)根据新的冲刺时间要求，把此距离转化为相应的位置、速度和加速指令然后传输给FPGA，FPGA再结合光电编码器和电机电流的反馈生成控制电机X和电机Y的PWM和电机的速度DashTurn_L90_VelX3和DashTurn_L90_VdY3，然后经过驱动桥驱动两轮电机运转到预定位置，经过四段不同的速度、和电流的闭环控制完成整个右转弯的轨迹曲线运动。此时将更新其坐标为(X-1，Y)，在X-DO的前提下，判断其坐标是不是(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)其中的一个，如果不是将继续更新其坐标，如果是的话通知控制器已经冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为O,微电脑鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更优的迷宫路径。
[0051]8)在微电脑鼠沿着X轴、Y轴向前运动过程中如果有类似图11的楼梯型迷宫挡墙进入前方的运动范围，系统进入自动冲刺子系统4，微电脑鼠将存储此时坐标(X，Y)，然后进入图12所示的对角线运动轨迹，在直道坐标为(X，Y)时，ARM9 (S3C2440A)使能FPGA，有FPGA控制直流电机X和直流电机Y以相同的速度匀速前进，在前进过程中传感器S2、S3和S4、S5共同作用，保证微电脑鼠冲刺的时候一定沿着迷宫中线行驶，即将冲出坐标为(X，Y)迷宫方格时，微电脑鼠前方传感器SI和S6将工作，当读到预设值时，说明微电脑鼠的前部已经进入坐标(X，Y+1)，然后把微电脑鼠传感器SI到电机中心的距离SX传输给ARM9 (S3C2440A), ARM9 (S3C2440A)首先把行走直线很短的距离SX按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后传输给控制FPGA，FPGA会根据这些参数在结合光电编码器和电流的反馈生成驱动左右轮的PWM波形，控制左右轮的电机向前运动快速；当到达既定目标时，把此时的迷宫坐标更新为(X，Y+1);微电脑鼠开始为45度对角线冲刺做姿态调整，此时ARM9 (S3C2440A)会把曲线运动轨迹R_Arcl_45按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器和电流传感器的反馈生成控制左右轮的PWM波，然后控制左右轮以恒定的比值Cl前进；当到达既定目标后，立即调整微电脑鼠左右轮的速度，ARM9(S3C2440A)把曲线运动轨迹R_Arc2_45按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器和电流传感器的反馈生成控制左右轮的PWM波，然后控制左右轮以恒定的比值C2前进；在陀螺仪的控制下，保证到达当到达既定目标A点时曲线R_Arc2_45的斜率为45度，然后控制器把直线行走很短的距离Passingl按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器和电流传感器的反馈生成控制左右轮的PWM波，然后控制左右轮以相同的加速度和速度前进，当到达既定目标后通过三段不同的轨迹完成整个右转弯45度方向改变的轨迹曲线运动，微电脑鼠进入对角线冲刺阶段，此时前方传感器SI和S6开始工作；ARM9(S3C2440A)首先把行走直线距离按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器、电流传感器的反馈和传感器SI和S6对前方柱子的探测，生成控制左右轮的PWM波，然后控制左右轮以相同的加速度和速度直线前进；当到达既定目标时，微电脑鼠完成在坐标(X+l，Y+1)到坐标(X+1，Y+2 )下的对角线冲刺，微电脑鼠完成一格楼梯迷宫的冲刺，把此时的迷宫坐标更新为(X+2，Y+3);依次类推，微电脑鼠完成Z格楼梯迷宫的冲刺，更新迷宫为(X+Z+l，Y+Z+2),微电脑鼠开始做转出动作，此时控制器会把曲线运动轨迹L_Arc3_45按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器和电流传感器的反馈生成控制左右轮的PWM波，然后控制左右轮以恒定的比值C3前进；当到达既定目标后，立即调整微电脑鼠左右轮的速度，控制器把曲线运动轨迹L_Arc4_45按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器和电流传感器的反馈生成控制左右轮的PWM波，然后控制左右轮以恒定的比值C4前进；在陀螺仪的控制下，保证到达当到达既定目标B点时曲线1^八1^4_45的斜率为O度，然后控制器把直线行走很短的距离Passing2按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器和电流传感器的反馈生成控制左右轮的PWM波，然后控制左右轮以相同的加速度和速度前进，当到达既定目标后通过三段不同的轨迹完成在坐标(X+Z+l，Y+Z+1)下整个左转弯45度曲线轨迹的运动，微电脑鼠完成对角线冲刺后变为直路的轨迹改变，微电脑鼠进入直线冲刺阶段，此时前方传感器S2、S3、S4和S5开始工作，进入直线导航；并更新当前坐标为(X+Z+l，Y+Z+2)在X+Z+K15和Y+Z+2〈15的前提下，判断其坐标是不是(7，7)、(7，
8)、(8，7)、(8，8)其中的一个，如果不是将继续更新其坐标，如果是的话通知控制器已经冲刺到目标，然后置返航探索标志为I，冲刺标志为O,微电脑鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更优的迷宫路径。
[0052]9)在微电脑鼠沿着X轴、Y轴向前运动过程中如果有类似图13的U型迷宫挡墙进入前方的运动范围，系统进入自动冲刺子系统5,微电脑鼠将存储此时坐标(X，Y),然后进入图14、图15所示的曲线运动轨迹，在一次右冲刺转弯时，ARM9 (S3C2440A)首先把行走直线很短的距离Leadingl按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后传输给FPGA，FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器和电流传感器的反馈生成控制左右轮的PWM波，然后通过驱动桥控制左右轮以相同的加速度和速度直线前进；当到达既定目标时，把此时的迷宫坐标更新为(X，Υ+1)，传感器参考值R90_FrontWalIRef开始工作，防止外界干扰开始做误差补偿。误差补偿结束后，控制器会把曲线运动轨迹R_Arcl按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后传输给FPGA, FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器和电流传感器的反馈生成控制左右轮的PWM波，然后通过驱动桥控制左右轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，立即调整微电脑鼠的速度，控制器会把曲线运动轨迹R_Arc2按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后传输给FPGA，FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器和电流传感器的反馈生成控制左右轮的PWM波，然后通过驱动桥控制左右轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，在陀螺仪控制下微电脑鼠已经右转90度，控制器把直线行走很短的距离PaSSingl+Leading2，按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后传输给FPGA，FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器和电流传感器的反馈生成控制左右轮的PWM波，然后通过驱动桥控制左右轮以相同的加速度和速度前进，当传感器S5的值产生有低电平到高电平的跃变时，更新微电脑鼠坐标为(X+1，Y+1)，微电脑鼠继续以当前的速度和加速前进，当到达既定目标时，传感器参考值R90_FrOntWallRef开始工作，防止外界干扰开始做误差补偿。误差补偿结束后，微电脑鼠继续右转，控制器会把曲线运动轨迹R_Arcl按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后传输给FPGA，FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器和电流传感器的反馈生成控制左右轮的PWM波，然后通过驱动桥控制左右轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，立即调整微电脑鼠的速度，控制器会把曲线运动轨迹R_Arc2按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后传输给FPGA, FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器和电流传感器的反馈生成控制左右轮的PWM波，然后通过驱动桥控制左右轮的速度以恒定的比值转弯；当到达既定目标后，在陀螺仪控制下微电脑鼠已经右转90度，控制器把直线行走很短的距离Passing2按照不同的冲刺条件时间要求转化为速度参数以及加速度参数指令值，然后传输给FPGA，FPGA结合电机X和电机Y上的光电编码器和电流传感器的反馈生成控制左右轮的PWM波，然后通过驱动桥控制左右轮相同的加速度和速度前进，到达既定目标后，微电脑鼠完成一个U型迷宫的冲刺，更新微电脑鼠坐标为(X+1，Y)，并判断其坐标是不是(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)其中的一个，如果不是将继续更新其坐标，如果是的话通知控制器已经冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为O，微电脑鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更优的迷宫路径。
[0053]10)当微电脑鼠冲刺到达(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)后，会准备冲刺后的返程探索以便搜寻更优的路径，ARM9(S3C2440A)会调出其已经存储的迷宫信息，然后计算出可能存在的其它最佳路径，然后返程开始进入其中认为最优的一条。
[0054]11)在微电脑鼠进入迷宫返程探索时，其导航的传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6将工作，并把反射回来的光电信号送给ARM9 (S3C2440A)，经ARM9 (S3C2440A)判断后送给FPGA，由FPGA运算后与ARM9(S3C2440A)进行通讯，然后由控制器送控制信号给导航的电机X和电机Y进行确定:如果进入已经搜索的区域将进行快速前进，如果是未知返回区域则采用正常速度搜索，并时刻更新其坐标(X，Y)，并判断其坐标是不是(0，0)，如果是的话置返航探索标志为O,微电脑鼠进入冲刺阶段,并置冲刺标志为I。
[0055]12)为了能够实现微电脑鼠准确的坐标计算功能，本发明在高速直流电机X轴和Y轴上加入了 512线的光电编码器，时刻对微电脑鼠运行的距离进行计算并根据迷宫挡墙和柱子对传感器反馈信息不同的特点引入了补偿，使得微电脑鼠的冲刺坐标计算不会出现错误。
[0056]13)为了能够减少光源对微电脑鼠冲刺的干扰，本发明加入了光电补偿传感器7S8，此传感器会在微电脑鼠冲刺阶段对周围的异常光源进行读取，并自动送给控制器做实时补偿，消除了外界光源对冲刺的干扰。
[0057]14)在微电脑鼠运行过程中，ARM9 (S3C2440A)会对直流电机X和电机Y的转矩进行在线辨识，当电机的转矩受到外界干扰出现较大抖动时，控制器会利用直流电机力矩与电流的关系进行时候补偿，减少了电机转矩抖动对微电脑鼠高速冲刺的影响。
[0058]15)当微电脑完成整个冲刺过程到达(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)，微电脑鼠会置探索标志为I，微电脑鼠返程探索回到起始点(0，0)，ARM9 (S3C2440A)将控制FPGA使得微电脑鼠在起始坐标(0，0)中心点停车，然后重新调整FPGA的PWM波输出，使得电机X和电机Y以相反的方向运动，并在陀螺仪的控制下，原地旋转180度，然后停车I秒，二次调取迷宫信息，然后根据算法算出优化迷宫信息后的最优冲刺路径，然后置冲刺标志为1，系统进入二次快速冲刺阶段。然后按照冲刺——探索冲刺，完成多次的冲刺，以达到快速冲刺的目的。
[0059]本发明的有益效果为:
Cl)同时采用ARM9处理器和FPGA处理器分工工作，由FPGA处理器处理微电脑鼠高速冲刺时的两只高速直流电机的同步伺服控制，使得控制比较简单，大大提高了运算速度，避免产生大电流，缩短了开发周期短，并且程序可移植能力强；有效地防止了程序的跑飞，抗干扰能力大大增强；时刻监测锂离子电池的剩余容量，有利于了解电池的能量状态，当电池能量状态较低时，可以在冲刺前提前换掉电池，从而减少了电池对高速冲刺的误干扰；
(2 )在微电脑鼠快速冲刺过程中，所述ARM9处理器能够对直流电机X和电机Y的转矩进行在线辨识并利用直流电机力矩与电流的关系进行补偿，减少了电机转矩抖动对微电脑鼠快速冲刺的影响；
(3)所述陀螺仪可以按时间累计确定角坐标和测量车轮转速，这对于微电脑鼠连续旋转一定角度计算具有导航作用，可以实现两轮微电脑鼠的速度大小和方向的独立控制，有利于提高微电脑鼠冲刺时的稳定性和动态性能，使微电脑鼠更容易实现曲线轨迹的转动；
(4)所述数据存储模块能够存储微电脑鼠的迷宫探索信息，有利于提取对应信息并优化二次冲刺的路径，降低冲刺时间；
(5)所述LM629控制模块依据具体路径调取不同冲刺模块控制冲刺方向和冲刺速度，自动冲刺，杜绝接触扣分，快捷安全；
(6)所述两轮微电脑鼠包括两种冲刺模式，满足现实比赛的需求；
(7)采用S型加减速曲线在任何一点的加速度都是连续变化的，从而避免了微电脑鼠系统的柔性冲击，速度的平滑性很好，运动精度高。
[0060]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种基于双核两轮极速微电脑鼠对角线冲刺伺服系统，应用于两轮微电脑鼠中，其特征在于，所述冲刺伺服系统包括冲刺中心控制单元、第一运动驱动单元、第二运动驱动单元、第一高速直流电机、第二高速直流电机和电源供应单元，所述电源供应单元包括锂离子电池，所述冲刺中心控制单元包括ARM9处理器和FPGA处理器，所述ARM9处理器与FPGA处理器电性连接以传输控制信号和数据信息，所述FPGA处理器分别与所述第一运动驱动单元和第二运动驱动单元电性连接，所述第一运动驱动单元进一步与所述第一高速直流电机电性连接，所述第二运动驱动单元进一步与所述第二高速直流电机电性连接。
2.根据权利要求1所述的基于双核两轮极速微电脑鼠对角线冲刺伺服系统，其特征在于，所述第一高速直流电机和第二高速直流电机上均进一步设置光电编码器和电流传感器，所述光电编码器和电流传感器分别与所述FPGA处理器电性连接。
3.根据权利要求2所述的基于双核两轮极速微电脑鼠对角线冲刺伺服系统，其特征在于，所述冲刺伺服系统进一步包括至少六个蔽障传感器，所述ARM9处理器分别与每一个所述蔽障传感器电性连接以接收蔽障传感器检测到的环境信息，所述蔽障传感器为红外线传感器，所述红外线传感器包括红外线发射器0PE5594A和红外线接收器TSL262。
4.根据权利要求3所述的基于双核两轮极速微电脑鼠对角线冲刺伺服系统，其特征在于，所述冲刺伺服系统进一步包括第一陀螺仪和第二陀螺仪，第一陀螺仪包括微机械角速度传感器，第二陀螺仪包括速度传感器，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪分别与所述ARM9处理器电性连接以将检测到的角速度信息和速度信息传送至ARM9处理器。
5.一种两轮微电脑鼠，其特征在于，包括如权利要求1至4任一所述的冲刺伺服系统，所述两轮微电脑鼠进一步包括壳体(1)、第一车轮(2)和第二车轮(3)，所述壳体内部设置所述冲刺伺服系统，所述第一车轮和第二车轮分别设置在所述壳体两侧，所述第一车轮与所述第一高速直流电机连 接，所述第二车轮与所述第二高速直流电机连接。
6.根据权利要求5所述的两轮微电脑鼠，其特征在于，所述第一车轮的转轴与所述第一陀螺仪连接，所述第二车轮的转轴与所述第二陀螺仪连接。
7.根据权利要求6所述的两轮微电脑鼠，其特征在于，所述两轮微电脑鼠进一步包括光电补偿传感器和光电补偿传感器，所述电压传感器和光电补偿传感器分别与所述ARM处理器电性连接。
8.—种如权利要求7所述两轮微电脑鼠的控制方法，其特征在于，包括运动控制模块和上位机控制模块，所述上位机控制模块包括迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元，所述运动控制模块包括数据存储单元，输入输出单元和FPGA控制单元，所述FPGA控制单元包括直线冲刺单元、右转冲刺单元、左转冲刺单元、对角线冲刺单元和U形冲刺单元。
9.根据权利要求8所述的两轮微电脑鼠的控制方法，其特征在于，所述FPGA控制单元控制所述两轮微电脑鼠在每一段运动路程内中的冲刺速度，所述冲刺速度依次分为加速运动阶段、匀速运动阶段和减速运动阶段；在所述加速运动阶段和所述减速运动阶段，两轮微电脑鼠的加速度均从O开始逐渐增大，接着保持不变，最后逐渐减小至O。
10.根据权利要求9所述的两轮微电脑鼠的控制方法，其特征在于，包括探索冲刺和直接冲刺两种冲刺模式，所述直接冲刺模式进一步包括定速冲刺模式和不定速冲刺模式；在所述探索冲刺模式下，所述两轮微电脑鼠自动搜索完成迷宫探索到达终点后再返回起点，最后调取探索过程中获取的迷宫信息快速冲刺到终点；在直接冲刺模式下，所述两轮微电脑鼠直接调取历史迷宫信息`快速冲刺到终点。
【文档编号】G05B19/042GK103529837SQ201310443875
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月26日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】李红益, 张好明, 王应海 申请人:苏州工业园区职业技术学院