双核高速六轮微微鼠冲刺控制器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微型迷宫冲刺机器人领域，尤其涉及一种双核高速六轮微微鼠冲刺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冲刺、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]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。
[0006](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。
[0007](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。
[0008](4)由于微电脑鼠冲刺控制器采用的都是比较低级的算法，使得微微鼠在迷宫当中的冲刺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。
[0009](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冲刺时快速启动和停车的要求。
[0010](6)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，特别是直线加速冲刺导航时，要求速度和加速度要追求严格的一致，否则直线导冲刺将会失败，导致微微鼠出现撞墙的现象发生；
(7)两轮微微鼠系统在加速冲刺时由于重心后移，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，不利于高速微微鼠冲刺的发展。
[0011](8)两轮微微鼠系统在正常冲刺时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，这时微微鼠更加容易打滑，也更容易走偏，导致冲刺失败。
[0012](9)两轮微微鼠系统在正常冲刺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](10)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冲刺，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O
[0014](11)如果采用前驱+后驱的全时四驱，虽然冲刺时动态性能较好，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。
[0015](12)如果采用前驱+后驱的分时四驱冲刺方式，无论是采用前驱或者是后驱时都具有一定的弱点，在转弯冲刺时角度不是过大，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进行冲刺，通过释放后驱两轮采用中驱两轮转弯，虽然微微鼠转弯冲刺性能有所提高，电机的效率也得到一定优化，但是在高速冲刺时会造成重心后偏，需要软件对此进行保护。
[0016](14)无论是两轮驱动或者是四轮驱动，在高速冲刺遇到迷宫接缝处具有一定的高度差时，冲刺动态性能都会收到严重影响。
[0017]( 15)基于轮式的微微鼠在冲刺阶段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。
[0018]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高速冲刺控制器。
【发明内容】
[0019]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微微鼠冲刺控制器，以解决微微鼠在冲刺过程中打滑、传感器相互干扰、处理时间慢等问题。
[0020]本发明采用的技术方案是:相对于四轮承载结构，六轮结构具有承载能力更强、移动速度快、控制性能优异、工作效率高等优点，并且对于有一定高度差的地形具有一定的越障能力，因此本申采用六轮驱动结构来设计微微鼠高速冲刺控制器。为了兼顾中驱转向的优点，本文采用前驱+中驱+后驱六轮结构:中驱的两轮采用功率较大的电机，功率能够满足迷宫一般冲刺时需要，而前驱和后驱的四个电机采用相同的电机，但是功率较小，在需要多次高速加速冲刺时才开启助力，进行前拉后推的助力方式，不仅保证了微微鼠的重心位置，而且也满足了快速冲刺时的功率需求。
[0021 ] 把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，并调取已经优化的冲刺迷宫信息，此时STM32F407首先使能FPGA开启真空抽吸电机M，调节微微鼠与地面的摩擦系数，然后控制器解锁微微鼠，微微鼠依靠方向传感器Dl的反馈借助电机X和电机Y自动调节使其运动方向与设定方向重合，控制器按照冲刺路径和冲刺时间要求的不同把最优路径转化为微微鼠前进指令值，微微鼠靠前方、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双核控制器中的STM32F407，STM32F407把这些环境参数转化为微微鼠运动的位置、速度和加速度参数指令，然后与FPGA通讯，由FPGA结合光电编码器和电流传感器C1~C6、方向传感器D1、陀螺仪Gl和加速度计Al的反馈，经其内部伺服调节器生成七轴独立电机的PWM波控制信号，控制信号经驱动桥MX118放大后驱动七个独立电机实现微微鼠快速冲刺时的伺服控制以及真空吸盘对地面吸附的伺服控制，最后把处理数据通讯给STM32F407，由STM32F407继续处理后续的冲刺状态。
[0022]本发明采用的有益效果是:1、在冲刺过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于STM32F407+FPGA控制器时刻都在对微微鼠的冲刺状态进行监测和运算，同时电流传感器C1~C6实时在对电流进行检测并反馈给控制器进行保护，避免了大电流的产生。2:为了充分提高微微鼠冲刺控制器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。3:冲刺时根据需要实现两驱、四驱和六驱的功能。在正常冲刺速度下，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，STM32F407会根据加速度大小通过FPGA立即使能中驱后驱的四路PffM波控制信号工作，将微微鼠需求扭矩部分分配给后置两个助力驱动轮，同时FPGA改变电机M的伺服控制，微微鼠系统自然切换到四轮驱动冲刺状态。而一旦需要快速提速或者是地面灰尘较多时，STM32F407会根据加速度大小通过FPGA使能前驱中驱后驱的六路PffM波控制信号工作，将需求扭矩分配给前中后置六个动力驱动轮，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，不仅满足快速冲刺时动力需求，而且还增加了微微鼠冲刺时的平衡性，增强了微微鼠的附着力和操控性。4:由于采用多轮驱动的复合驱动方式，当需要加速冲刺时，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，通过FPGA使能电机PffM控制信号把更多的扭矩分配在未失速的驱动轮上，使冲刺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，使得微微鼠具有更好的直线冲刺调整能力。5:微微鼠冲刺转向时，为了保证旋转的稳定性，FPGA使能中驱的两路PffM波输出并禁止前后四路PWM波输出，微微鼠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，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可靠准确的反馈，并在下一个采样周期到来进行精确补偿，保证了转弯的可靠性。6:多轮驱动方式下微微鼠冲刺系统在正常冲刺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