双核高速两轮微微鼠探索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，尤其涉及一种双核高速两轮微微鼠探索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]微微鼠在探索迷宫中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，否则将无法完成探索任务。微微鼠探索迷宫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，并且微微鼠探索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，随着微微鼠探索速度的提高，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)由于微电脑鼠探索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探索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探索的要求。
[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，在高速探索时很容易撞到迷宫挡墙，导致任务失败。
[0012](7)由于受单片机容量和算法影响，微微鼠无法存储迷宫信息，当遇到掉电情况时所有的信息将消失，这使得整个探索过程要重新开始。
[0013](8)微微鼠在探索迷宫时，易于受到外界干扰，由于没有进行及时补偿导致微微鼠碰撞迷宫挡墙，最终无法完成探索任务。
[0014](9)微微鼠在探索迷宫过程中，一旦遇到撞墙情况都会发生电机堵转情况，造成电机瞬间电流过大，严重时烧坏电机。
[0015]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探索控制器。
【发明内容】
[0016]本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种双核高速两轮微微鼠探索控制器，以解决微微鼠在探索过程中打滑、传感器相互干扰、处理时间慢等问题。
[0017]本发明采用的技术方案是:基于STM32F407+FPGA芯片的探索控制器，其程序框图如图4所示。微微鼠两轮探索控制器以FPGA微处理器为核心，充分发挥FPGA数据处理速度较快的特点，使其全权处理三轴直流伺服系统的各种算法，把STM32F407从复杂的数据处理中解脱出来。其中位置、速度、电流的给定值由微处理器STM32F407根据传感器S1、S2、S5、S6的导航值来生成，光电编码器反馈和电机的检测电流经FPGA内部算法解码后作为三闭环伺服控制的反馈值，经FPGA内部PID调节后生成控制三轴电机的PffM波。同时STM32F407实现部分的信号处理算法(直流电机转矩补偿等)和FPGA的控制逻辑，并响应中断，实现二者之间的数据通信和存储实时信号。
[0018]双核高速两轮微微鼠探索控制器，包括传感器装置、陀螺仪装置G、真空抽吸装置和控制单元模块；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和M ;所述电机X和电机Y位于两侧，电机M位于尾部，所述陀螺仪装置G位于中心位置；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FPGA处理器，所述FPGA处理器包括两轴行走伺服控制单元和单轴真空吸附伺服控制单元，所述STM32F407处理器电性连接FPGA处理器，所述两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。
[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。
[0020]作为本发明的进一步改进，还包括光补偿传感器LI，所述光补偿传感器LI信号连接控制单元模块的STM32F407处理器。
[0021]作为本发明的进一步改进，还包括有电流传感器Cl和C2，所述电流传感器Cl和C2信号连接STM32F407处理器。
[0022]作为本发明的更进一步改进，所述FPGA处理器通过I/O端口与STM32F407处理器实时通讯，STM32F407处理器控制FPGA处理器开通和关断。
[0023]作为本发明的进一步改进，所述电机X和Y为高速永磁直流电机，所述电机M为微型直流电机。
[0024]作为本发明的进一步改进，所述红外传感器SI和S2信号发射方向间的夹角为75°?90°角，所述红外传感器S5和S6信号发射方向间的夹角为75°?90°角。
[0025]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控制器时刻都在对微微鼠的探索状态进行监测和运算，避免了大电流的产生，所以从根本上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。
[0026]2、由FPGA处理微微鼠探索系统的行走伺服控制和真空吸附伺服控制，充分发挥FPGA控制方面的特长以及程序移植功能，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。
[0027]3、本发明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，有利于提高微微鼠探索系统的稳定性和动态性能。
[0028]4、由于本控制器采用FPGA处理两轮微微鼠全数字三轴探索系统大量的数据与算法，把STM32F407从繁重的工作量中解脱出来，有效地