双核高速六轮全数字导航伺服控制器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微型迷宫导航机器人领域，尤其涉及一种双核高速六轮全数字导航伺服控制器及其控制方法。
【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所不O
[0003]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。其求解的迷宫之一示意如图2所示。
[0004]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老鼠求解迷宫的难度，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导航信息，当完成任务后通过控制器的232串口或者是USB串口读取存储信息。
[0005]微微鼠在迷宫中导航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，否则将无法完成任务。微微鼠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，并且微微鼠走迷宫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。
[0006]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，在实践中则会发现如下问题:
(I)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。
[0007](2)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求解现有的复杂迷宫。
[0008](3)由于微微鼠尺寸的大幅减少，如果微微鼠采用图1中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，导致其读取迷宫信息失败。
[0009](4)由于微电脑鼠伺服系统采用的都是比较低级的算法，使得微微鼠在迷宫当中的导航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。
[0010](5)由于迷宫挡墙尺寸的减少，使得微微鼠单格运行的距离减少，微微鼠频繁的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启动和停车的要求。
[0011](6)对于两轮驱动的微微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，微微鼠在直道上行驶时不能准确的行走在中线上，在高速导航时很容易撞到迷宫挡墙，导致任务失败。
[0012](7)由于受单片机容量影响，现有的微微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，导致微微鼠出现撞墙的现象发生；
(8)两轮微微鼠系统在加速时由于重心后移，使得老鼠前部轻飘，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，不利于高速微微鼠的发展。
[0013](9)两轮微微鼠系统在正常行驶时如果设计不当造成重心前偏，将导致驱动轮上承受的正压力减小，这时微微鼠系统更加容易打滑，也更容易走偏，导致导航失败。
[0014](10)两轮微微鼠系统在正常行驶时如果设计不当造成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。
[0015](11)由于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，不利于微微鼠本体微型化发展和微微鼠系统能源的节省。
[0016](12)如果采用前驱+后驱的全时四驱，虽然动态性能较好，但是全时四驱顾名思义随时随地都保持四驱状态，但是其耗能较高，而且电机没有工作在最优状态。
[0017](13)如果采用前驱+后驱的分时四驱，无论是采用前驱或者是后驱时都具有一定的弱点，转弯角度不是过大，就是不够，转弯动态性能较差；
(13)如果采用中驱+后驱的四轮驱动方式，通过释放后驱两轮采用中驱两轮转弯，虽然微微鼠转弯性能有所提高，电机的效率也得到一定优化，但是在高速行驶时会造成重心后偏，需要软件对此进行保护。
[0018](14)无论是两轮驱动或者是四轮驱动，遇到迷宫接缝处具有一定的高度差时，动态性能都会收到严重影响。
[0019]微微鼠求解迷宫是国际新兴的一门技术，由于微微鼠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。因此，需要设计一种满足初级者学习微微鼠求解迷宫的全数字导航伺服控制器。
【发明内容】
[0020]本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种双核高速六轮全数字导航伺服控制器，以解决微微鼠在导航过程中打滑、传感器相互干扰、处理时间慢等问题。
[0021]本发明采用的技术方案是:为了提高运算速度，保证六轮微微鼠系统的稳定性和可靠性，本发明在基于STM32F407的控制器中引入FPGA，形成基于STM32F407+FPGA的全新七轴直流伺服控制器，此控制器充分考虑电池在这个系统的作用，把控制系统中工作量最大的七轴直流电机同步伺服系统(六轴微微鼠行走伺服系统+单轴真空抽吸电机伺服控制)由FPGA处理，充分发挥FPGA数据处理速度较快的特点，而人机界面、迷宫探知、迷宫存储、加速度、速度和位置数据存储、I/o控制等功能交给STM32F407完成，这样就实现了STM32F407与FPGA的分工，同时二者之间也可以进行通讯，实时进行数据交换和调用。
[0022]本发明采用的有益效果是:1:在运动过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于STM32F407+FPGA双核控制器时刻都在对微微鼠的运行状态进行监测和运算，通过电流传感器C1~C6实时对电机的电流可以进行采集，从根本上避免了大电流的产生，所以解决了大电流对锂离子电池的冲击，避免了由于大电流放电而引起的锂离子电池过度老化现象的发生。
[0023]2:为了进一步提高四轮微微鼠系统的稳定性和行驶能力，并兼顾两轮中置转向的优点，并保证微微鼠的重心位置有利于各种运动，本发明采用六轮驱动结构:中置驱动的功率较大，后置和前置驱动的四个个电机功率较小，只有在动力需求较高时才启动，起到助力作用。由于采用六轮驱动技术，微微鼠前后中六个动力轮都有动力，可按迷宫地面和周围环境状态不同而将需求扭矩按不同比例分布在前后所有的轮子上，以提高微微鼠适应复杂迷宫的能力。
[0024]3:根据需要实现两驱、四驱和六驱的功能。在正常行驶环境下，微微鼠一般会采用释放前后四轮，采用中置两轮驱动的方式；而一旦需要稍微提速，此时的加速度较小，STM32407会根据加速度大小并立即将微微鼠需求扭矩分配给后置两个助力驱动轮，同时FPGA自动电机M的伺服控制，微微鼠系统自然切换到四轮驱动状态。而一旦需要快速提速或者是地面灰尘较多时，STM32407会根据加速度大小并立即将微微鼠需求扭矩分配给前后置四个助力驱动轮，同时FPGA改变电机M的伺服控制，微微鼠系统自然切换到六轮驱动状态，不仅满足其动力需求，而且还增加了其平衡性，增强了微微鼠的附着力和操控性。
[0025]4:由于采用多轮驱动的复合驱动方式，当需要加速行驶时，把动力分配到四个或者是六个电机，一旦一个动力轮由于地面、机械结构等造成暂时离开地面，STM32407可以重新分配扭矩，把更多的扭矩分配在未失速的驱动轮上，使系统迅速脱离不稳定状态，重新回到四轴动力或者是六轴动力平衡状态，使得六轮微微鼠具有更好的直线导航功能。
[0026]5:微微鼠转向时，为了保证旋转的稳定性，采用中置的两驱动轮实现转弯，并释放前后置的四个助力驱动轮，并利用方向传感器D1、陀螺仪G1、加速度计Al实时测量微微鼠的瞬时角度、角速度和加速度，为微微鼠精确转弯提供反馈。
[0027]7:多轮驱动方式下微微鼠系统在正常行驶时如果设计不当造成重心偏移，将导致一侧驱动轮上承受的正压力减小，STM32F407会自动调整这一侧的动力分配，使系统处于一种新的平衡状态，防止微微鼠打滑。
[0028]8:在微微鼠导航过程中，控制器实时对其行走速度、地面等状况进行检测，并通过调节电机M的伺服控制来有效调节真空吸盘对地面的吸附力，增加了微微鼠与地面的摩擦系数，彻底消除了微微鼠在导航时打滑现象的发生。
[0029]9、在此微微鼠系统引入了方向传感器D1、陀螺仪Gl和加速度计Al，可以精确测量出微微鼠运动时的动态参数，方向传感器Dl、陀螺仪Gl和加速度计Al的加入可以实现微微鼠速度大小和方向的独立控制，实现全程导航和二次补偿，有利于提高微微鼠的稳定性和动态性能。
[0030]10:由FPGA处理微微鼠的七只直流电机的伺服控制，充分发FPGA处理数据较快方面的特长，使得控制比较简单，大大提高了运算速度，解决了单片机软件运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且程序可移植能力强。<