单核低速四轮微微鼠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探索机器人领域，尤其涉及一种单核低速四轮微微鼠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行走信息，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，否则将无法完成导航任务。微微鼠迷宫导航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，并且微微鼠迷宫导航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，随着微微鼠导航速度的提高，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)由于微电脑鼠导航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；
(6)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。
[0011](7)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。
[0012](8)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。
[0013](9)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。
[0014]微微鼠求解迷宫是国际新兴的一门技术，由于微微鼠导航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数字导航伺服控制器。
【发明内容】
[0015]本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种单核低速四轮微微鼠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。
[0016]本发明采用的技术方案是:单核低速四轮微微鼠导航伺服控制器，微微鼠放在迷宫起始点，在电源打开状态下，微微鼠先进入自锁状态，此时控制器首先开启真空抽吸电机M，然后此时微微鼠依靠前方、左右侧面蔽障传感器S1、S2、S5、S6根据实际导航环境传输参数给控制器中的STM32F407，STM32F407把这些环境参数转化为微微鼠四轮要运行的距离、速度和加速度，STM32F407然后结合光电编码器、电流传感器的反馈生成驱动四轴直流电机的PWM波，然后使能L6207D，由L6207D通过使能端驱动四个独立电机，实现四轴电机的同步伺服控制，并把处理数据通过光电编码器通讯给STM32F407，由STM32F407继续处理后续的运行状态。
[0017]单核低速四轮微微鼠全数字导航伺服控制器，包括底盘，所述底盘上设有电池装置、传感器装置、陀螺仪装置、真空抽吸装置和控制单元模块，所述底盘两侧连接两对运动轮，其中一对位于底盘的中部，另一对位于底盘的尾部；所述陀螺仪装置包括陀螺仪Gl和加速度计Al，所述陀螺仪Gl为三轴陀螺仪用于测量三个转动方向运动，所述加速度计Al为三轴加速度计用于测量三个平移运动的加速度；所述传感器装置包括位于两侧的红外传感器SI和S6，位于前端的红外传感器S2和S5，所述传感器S1、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S2和S5合作为直线运动提供导航依据；所述电池装置分别电连接控制单元模块、电机X、电机Y、电机Z、电机R和电机M，所述传感器装置和陀螺仪装置分别信号连接控制单元模块，所述控制单元模块分别信号连接电机X、Y、Z、R和M ;所述控制单元模块包括上位机程序模块和运动控制程序模块，所述上位机程序模块包括STM32F407处理器，所述运动控制程序模块包括两片两轴驱动控制芯片L6207D，所述L6207D芯片处理四轴行走伺服控制和单轴真空吸附伺服控制，所述STM32F407处理器电性连接L6207D芯片，所述四轴行走伺服控制单元信号连接单轴真空吸附伺服控制单元。
[0018]单核低速四轮微微鼠全数字导航伺服控制方法，其步骤如下:1)电压检测:STM32F407对电池电压进行检测，如果低压，将禁止两片L6207D使能，0UT1A、0UT2A、OUTlB和0UT2B均为低电平，直流电机X、电机Y、电机Z和电机R不能启动，同时电压传感器Vl将工作，并发出报警信号；2)底盘真空抽吸:STM32F407控制器首先开启真空抽吸直流电机M，通过真空抽吸装置先对真空吸盘抽吸，使真空吸盘对地面具有一定的吸附力，STM32F407控制器实时检测；
3)迷宫行走:传感器S1、S2、S5、S6 (四个独立的红外发射管0PE5594A发出的红外光经四个独立的红外接收器TSL262接受后转化为周围迷宫的信息)判断周围的环境并送给STM32F407，STM32F407把这些环境参数转化为微微鼠前后左右四轮要运行的距离、速度和加速度指令值，然后由STM32F407结合光电编码器和电流传感器C1~C4的反馈生成微微鼠速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是微微鼠电机X、电机Y、电机Z和电机R要运行的距离Y，STM32F407然后根据这个梯形图的加速度和速度距离参数生成驱动四轴直流电机的PffM波，由L6207D驱动四个独立电机运动，此时控制器实时检测电机X、电机Y、电机Z和电机R的光电编码器的数值，并根据其速度大小自动调节电机M改变真空吸盘对地面的吸附力；4)调整纠错:光补偿传感器LI会时刻对外界干扰光源进行采集，然后传输给STM32F407，STM32F407会根据LI的数值自动补偿外界干扰，减少了外界干扰光源对微微鼠快速探索和冲刺时的干扰；5)坐标检测:装在电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光电编码器会输出其位置信号A和位置信号B，光电编码器的位置信号A脉冲和B脉冲逻辑状态每变化一次，STM32F407内的位置寄存器会根据左右轮的运行方向加I或者是减1，光电编码器的位置信号A脉冲和B脉冲和Z脉冲同时为低电平时，就产生一个INDEX信号给STM32F407寄存器，记录电机的绝对位置，然后换算成微微鼠在迷宫中的具体位置，并储存当前迷宫信息；6)路径计算:STM32F407根据微微鼠在迷宫的具体位置，接受相应的加速度、速度和位置数据指令值，然后结合光电编码器、电流传感器C1、C2、C3和C4的反馈计算出微微鼠需要更新的实际加速度、速度和位置信号，生成新的速度-时间运动梯形图。
[0019]作为本发明的进一步改进，还包括有电压传感器Vl，所述电压传感器Vl电连接电池装置，信号连接控制单元模块的STM32F407处理器。
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