一种单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器的制造方法

一种单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器，包括微微鼠壳体、车轮、第一红外传感器、第三红外传感器、第四红外传感器、第六红外传感器、第一高速直流伺服电机、第二高速直流伺服电机、真空吸附电机、第一磁电编码器、第二磁电编码器、运动传感器以及采样传感器。通过上述方式，本发明提高了单核微微鼠全数字伺服系统的稳定性，有效防止了微微鼠在高速迷宫冲刺时的地面打滑，避免了微微鼠远远偏离中心位置现象的发生，提高了其快速冲刺时的稳定性，增加了微微鼠与地面的接触面积，减少了两轮微微鼠由于机械结构造成的高速冲刺失速问题的发生，使得微微鼠具有更好的快速冲刺功能。
【专利说明】
一种单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种单核三轴四轮变结构微微鼠（PIC0M0USE)自动冲刺伺服控制系 统，属于微型迷宫机器人领域。
【背景技术】
[0002] 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，其常用二维结构如图1所 示。为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2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。
[0003] 微微鼠作为一种新型的迷宫机器人技术，每年世界上有诸多国家和地区在展开这 种技术的竞争，并具有不同的竞赛规则。微微鼠在整个迷宫中的行走分为两部分:探索和冲 刺，相应花费的时间为探索时间TS和冲刺时间TD以及由于违规而出现的加罚时间TP，微微 鼠的最终性能HME由TS、TD和TP来决定，其中最具有代表性的是日本、美国、英国和新加坡。
[0004] 日本规则如下：TBffi=TD; 美国规则如下:HME=TS/30+TD+TP，其中TP为微微鼠出现故障的加罚时间； 英国规则如下:HME=TS/30+TD+TP，其中TP为微微鼠出现故障的加罚时间； 新加坡规则如下:TIME=TS/60+TD+TP，其中TP为微微鼠出现故障的加罚时间。
[0005] 从上面的国际规则可以看出，微微鼠求解迷宫的最终目标就是快速从一点冲刺到 终点，冲刺在微微鼠的整个运动中占有非常重要的位置，一旦微微鼠迷宫冲刺失败，微微鼠 的整个功能也就无法实现。
[0006] 微微鼠在迷宫中冲刺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运动。一只优秀的微微鼠求解迷宫必须 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。如果采 用现有的简易算法和结构实现微微鼠迷宫冲刺，在实践中发现： (1) 由于求解迷宫数目的大量增加，且迷宫探测设置点不在是原有的迷宫中心，而是迷 宫中的任意一格，使得原有的简易微微鼠求解迷宫技术无法求解现有的复杂迷宫； (2) 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来完成复杂 迷宫中的冲刺环境探测，将加大冲刺采样周期，并导致冲刺时间较长，微微鼠最终竞争失 败； (3) -些简易微微鼠样机伺服系统采用比较低级的芯片和算法，使得微微鼠在迷宫当 中的冲刺一般都要花费较长的时间，不仅消耗了大量电池的能量，而且在真正的大赛中也 无法取胜； (4) 由于迷宫挡墙尺寸的减少，使得微微鼠单格冲刺运行的距离减少，微微鼠在探索过 程中的频繁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冲刺启 动和停车的要求； (5) 对于两轮驱动的微微鼠来高速冲刺系统来说一般要求驱动其运动的两个电机PWM 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 道上高速冲刺时不能准确的行走在中线上，很容易撞到迷宫挡墙，导致任务失败； (6) 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，这使得整个冲刺过程失败，必须重新探索迷宫； (7) 微微鼠在迷宫高速冲刺时，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，最终无法完成任务； (8) 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，不利于高速微微鼠的发展； (9) 两轮微微鼠系统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，导致冲刺失败； (10) 两轮微微鼠系统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，在快速冲刺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； (11) 由于传统的微微鼠冲刺控制系统多采用光电编码器实现老鼠的速度和位置的反 馈，由于光电编码器的体积较大，使得微微鼠的体积相对较大，无法实现微微鼠的微型化发 展。
[0007] (12)由于比赛场地的灰尘较大，特别是迷宫经过多次比赛后，迷宫地板上吸附的 灰尘较大，使得快速冲刺的微微鼠很容易打滑，最终导致微微鼠无法完成冲刺任务； (13)由于传统微微鼠采用的集成驱动芯片体积较大，微微鼠的体积无法微型化且重量 较大，在相同功率直流伺服电机驱动下无法取得足够大的加速度，系统的快速冲刺性能较 弱。
[0008] 微微鼠迷宫冲刺技术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。本发明借助现有的先进控制技 术以及先进控制芯片设计一种三轴四轮带真空吸附的微微鼠迷宫快速冲刺伺服控制器。

【发明内容】

[0009] 本发明主要解决的技术问题是提供一种单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器， 为克服单片机不能满足微微鼠在复杂迷宫快速冲刺的要求，参考国外微微鼠所采用的单机 工作模式，在吸收国外先进控制思想的前提下，自主研发了基于STM32F405的全新三轴四轮 变结构微微鼠快速冲刺伺服控制器，控制板以STM32F405为处理核心，实现微微鼠迷宫冲刺 的时数字信号的实时处理，并实现对两轴驱动控制芯片A3906SESTR-T的信号输入和控制， 快速响应中断，实现数据通信和存储实时信号。
[0010] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供了一种单核三轴四轮 变结构微微鼠冲刺控制器，包括微微鼠壳体、车轮、第一红外传感器、第三红外传感器、第四 红外传感器、第六红外传感器、第一高速直流伺服电机、第二高速直流伺服电机、真空吸附 电机、第一磁电编码器、第二磁电编码器、运动传感器以及采样传感器，四个所述的车轮分 别两两设置在微微鼠壳体的左右两侧边，所述的第一红外传感器和第六红外传感器分别设 置在微微鼠壳体的左右两侧边并位于车轮的前端，所述的第三红外传感器和第四红外传感 器分别斜向设置在第一红外传感器和第六红外传感器的内侧边，所述的第一高速直流伺服 电机和第二高速直流伺服电机分别安装在微微鼠壳体的左右两边并位于两个车轮之间的 位置，所述的真空吸附电机设置在第一高速直流伺服电机和第二高速直流伺服电机上方的 中间位置，所述的第一磁电编码器和第二磁电编码器分别设置在第一高速直流伺服电机和 第二高速直流伺服电机的下方，所述的运动传感器和采样传感器依次设置在真空吸附电机 的下方。
[0011] 在本发明一个较佳实施例中，所述的第三传感器和第四传感器斜向设置时与Y轴 之间的夹角大小为：45G <：i?<60e。
[0012] 在本发明一个较佳实施例中，所述的第一磁电编码器和第二磁电编码器均采用基 于磁电传感器AS5040H的编码器。
[0013] 在本发明一个较佳实施例中，所述的车轮上均设置有真空吸盘。
[0014]在本发明一个较佳实施例中，所述的单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器还包 括控制板，所述的控制板分别发出第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号，由所述的 第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号分别控制所述的第二高速直流伺服电机、第 一高速直流伺服电机和真空吸附电机的信号合成之后再控制微微鼠的运动。
[0015]在本发明一个较佳实施例中，所述的控制板采用STM32F405冲刺伺服控制， STM32F405冲刺伺服控制是基于STM32F405的控制器中引入多轴集成专用驱动芯片 A3906SESTR-T，所述的控制板以STM32F405为处理核心。
[0016] 在本发明一个较佳实施例中，所述的单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器还设 置有上位机程序和运动控制程序，所述的上位机程序包括路径读取、迷宫更新、迷宫存储和 参数输出，所述的运动控制程序包括基于STM32F405三轴四轮微微鼠冲刺伺服控制、迷宫定 位和方向控制。
[0017] 在本发明一个较佳实施例中，所述的基于STM32F405三轴四轮微微鼠冲刺伺服控 制还包括相互连接的基于变结构两轴四轮微微鼠迷宫冲刺伺服控制和单轴真空吸盘吸附 伺服控制，所述的基于变结构两轴四轮微微鼠迷宫冲刺伺服控制包括基于最小传感采样系 统冲刺位置模块、基于最小传感采样系统冲刺速度模块和基于最小传感采样系统冲刺加速 度模块;所述的单轴真空吸盘吸附伺服控制包括吸盘位置模块、吸盘速度模块和吸盘加速 度模块。
[0018] 本发明的有益效果是:本发明的单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器，提高了 单核微微鼠全数字伺服系统的稳定性，有效防止了微微鼠在高速迷宫冲刺时的地面打滑， 避免了微微鼠远远偏离中心位置现象的发生，提高了其快速冲刺时的稳定性，增加了微微 鼠与地面的接触面积，减少了两轮微微鼠由于机械结构造成的高速冲刺失速问题的发生， 使得微微鼠具有更好的快速冲刺功能。
【附图说明】
[0019] 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为二轮驱动微微鼠二维图； 图2为微微鼠32*32迷宫示意图； 图3基于A3906SESTR-T两轴微微鼠冲刺伺服控制系统连接示意图； 图4为三轴四轮变结构微微鼠二维冲刺原理结构图； 图5为基于STM32F405三轴四轮变结构微微鼠原理框图； 图6为基于STM32F405三轴四轮变结构微微鼠冲刺程序框图； 图7为微微鼠速度曲线图； 图8为微微鼠右转冲刺示意图； 图9为微微鼠右转冲刺速度时间示意图； 图10为微微鼠左转冲刺意义图。
【具体实施方式】
[0020]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。
[0021]如图4所示，本发明实施例包括： 一种单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器，包括微微鼠壳体、车轮、第一红外传感器 S1、第三红外传感器S3、第四红外传感器S4、第六红外传感器S6、第一高速直流伺服电机Y、 第二高速直流伺服电机X、真空吸附电机M、第一磁电编码器Ml、第二磁电编码器M2、运动传 感器G1以及采样传感器L1，四个所述的车轮分别两两设置在微微鼠壳体的左右两侧边，所 述的第一红外传感器S1和第六红外传感器S6分别设置在微微鼠壳体的左右两侧边并位于 车轮的前端，所述的第三红外传感器S3和第四红外传感器S4分别斜向设置在第一红外传感 器S1和第六红外传感器S6的内侧边，所述的第一高速直流伺服电机Y和第二高速直流伺服 电机X分别安装在微微鼠壳体的左右两边并位于两个车轮之间的位置，所述的真空吸附电 机M设置在第一高速直流伺服电机Y和第二高速直流伺服电机X上方的中间位置，所述的第 一磁电编码器Ml和第二磁电编码器M2分别设置在第一高速直流伺服电机Y和第二高速直流 伺服电机X的下方，所述的运动传感器G1和采样传感器L1依次设置在真空吸附电机M的下 方。其中，所述的车轮包括X轮、Y轮、R轮和Z轮。
[0022]上述中，所述的第三传感器S1和第四传感器S4斜向设置时与Y轴之间的夹角大小 为<设<6?0:。
[0023] 在本实施例中，所述的第一磁电编码器Ml和第二磁电编码器M2均采用基于磁电传 感器AS5040H的编码器;所述的车轮上均设置有真空吸盘，吸附性能好。
[0024] 如图5所示，所述的单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器还包括控制板，所述的 控制板分别发出第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号，由所述的第一控制信号、第 二控制信号和第三控制信号分别控制所述的第二高速直流伺服电机、第一高速直流伺服电 机和真空吸附电机的信号合成之后再控制微微鼠的运动。
[0025] 上述中，所述的电源装置采用锂离子电池;所述的控制板采用STM32F405冲刺伺服 控制，STM32F405冲刺伺服控制是基于STM32F405的控制器中引入多轴集成专用驱动芯片 A3906SESTR-T，所述的控制板以STM32F405为处理核心。
[0026] STM32F4系列除引脚和软件兼容高性能的F2系列外，F4的主频（168MHz)高于F2系 列（120MHz)，并支持单周期DSP指令和浮点单元、更大的SRAM容量（192 KB，F2为128 KB)、 512KB-1MB的嵌入式闪存以及影像、网络接口和数据加密等更先进的外设。STM32F4系列基 于最新的ARM Cortex M4内核，在现有出色的STM32微控制器产品组合中新增了信号处理 功能，并提高了运行速度;STM32F405X集成了定时器、3个ADC、2个DAC、串行接口、外存接口、 实时时钟、CRC计算单元和模拟真随机数发生器在内的整套先进外设，这些性能使得F4系列 可以较容易满足控制和信号处理功能混合的数字信号控制需求。高效的信号处理功能与 Cortex-M处理器系列的低能耗、低成本和易于使用的优点的组合，使得其可以为多轴电动 机控制提供灵活解决方案。这些特点使得STM32F405特别适合微微鼠两轴快速冲刺伺服系 统的信号处理。
[0027] 本发明为了减少单核微微鼠高速冲刺伺服系统的体积，舍弃了传统的两轴直流伺 服电机H型驱动桥L6207D，而采用体积更小、电压更小的两轴直流伺服电机驱动桥 A3906SESTR-T，A3906SESTR-T是一种单双路直流电机驱动芯片，A3906旨在用于低电压步 进电动机、单路及双路直流电机的脉宽控制(PWM)，可在各通道输出高达1 A的电流，工作 电压范围为2.5至9 VJ3906SESTR-T内置固定关断时间PWM计时器，根据对芯片外围 采样电阻的选择，设置峰值电流。过流输出标记用于通知控制器电机电流已经达到峰值，可 用于过流保护，上述特点使得A3906SESTR-T特别适合应用于微微鼠的两轴冲刺伺服控制系 统中，A3906SESTR-T与微微鼠两轴直流伺服电机的连接图如图3所示，其中冲刺PWM控制输 入信号和冲刺使能信号来自于伺服控制器，控制器通过调整冲刺PWM控制输入信号来调整 其冲刺PWM控制输出信号，继而实现直流伺服电机的四象限运动，满足微微鼠快速冲刺需 要。
[0028] 本次发明设计的全数字伺服控制器程序框图如图6,所述的单核三轴四轮变结构 微微鼠冲刺控制器还设置有上位机程序和运动控制程序，所述的上位机程序包括路径读 取、迷宫更新、迷宫存储和参数输出，所述的运动控制程序包括基于STM32F405三轴四轮微 微鼠冲刺伺服控制、迷宫定位和方向控制。
[0029]其中，所述的基于STM32F405三轴四轮微微鼠冲刺伺服控制还包括相互连接的基 于变结构两轴四轮微微鼠迷宫冲刺伺服控制和单轴真空吸盘吸附伺服控制，所述的基于变 结构两轴四轮微微鼠迷宫冲刺伺服控制包括基于最小传感采样系统冲刺位置模块、基于最 小传感采样系统冲刺速度模块和基于最小传感采样系统冲刺加速度模块;所述的单轴真空 吸盘吸附伺服控制包括吸盘位置模块、吸盘速度模块和吸盘加速度模块。
[0030] 为了提高单核微微鼠冲刺伺服系统的稳定性，增加微微鼠与地面的接触面积，减 少微微鼠重心的前移、后移或者是侧移，本发明借助齿轮机械结构实现两轴四轮的功能，左 右每轴电机的转轴上配备一个小的机械齿轮，此齿轮和前后两个轮子的大齿轮机械连接， 其中大齿轮的齿为每周60,小齿轮的齿为每周15,通过这样的机械连接使得每个轮子都变 成了动力轮。
[0031] 为了进一步提高单核微微鼠快速冲刺伺服系统的稳定性，防止微微鼠在高速冲刺 时由于地面灰尘较多而导致行走打滑，本发明在微微鼠快速冲刺伺服硬件系统中加入了微 型直流电机M，在微微鼠快速冲刺过程中，电机M通过真空抽吸装置不停抽吸微型真空吸盘 内的空气，使微型真空吸盘的内外压力不一样，产生一定的负压，使其对带有灰尘的迷宫地 面产生一定的吸附力，有效防止了微微鼠在高速迷宫冲刺时的地面打滑。
[0032]为了进一步提高单核微微鼠在复杂迷宫高速冲刺时的稳定性，本发明在微微鼠快 速冲刺伺服硬件系统中加入了高性能MEMS运动传感器LY3200ALH，传感器LY3200ALH可以 测量出微微鼠快速冲刺时的偏航率，传感器LY3200ALH参数时刻被STM32F405控制器记录并 计算，当微微鼠在迷宫冲刺时姿态发生变化超过设定阀值，在一个新的采样周期控制器就 立即对其位置补偿，避免了微微鼠高速冲刺时远远偏离中心位置现象的发生，提高了其快 速冲刺时的稳定性。
[0033] 为了更好的采集迷宫信息和减少红外传感器占用的面积，本发明采用红外传感器 SFH4350代替了传统使用的0PE9954A，红外传感器31、32、33、34、35、36的红外光经侧边挡墙 反馈后会被对应的红外接收器BPW85A接收，然后BPW85A的反馈值经控制器计算后作为当前 位置的反馈，控制器通过这些反馈值调整微微鼠的姿态。
[0034] 为了减少光电编码器占用的面积，并减少灰尘对光电编码器的影响，本发明采用 基于磁电传感器AS5040H的编码器替代了传统的光电编码器，此传感器可以有效测量出两 轴直流伺服电机快速冲刺时的速度和位移，为微微鼠快速冲刺三闭环伺服控制提供了可靠 依据。
[0035] 在实验中发现，采用四组传感器可以提高传感器的采样频率，有利于提高微微鼠 的速度，但是四组传感器如果补偿做的不好将有可能导致微微鼠求解的是一个错误的迷 宫；如果采用六组传感器探测未知迷宫，求解迷宫一般不会出现错误，但是过多的传感器组 合影响了采样频率，不利于微微鼠速度的提高;为了兼顾不同的国际规则以及迷宫探测的 准确性，本发明自主研发了基于六组传感器自由组合变结构探测迷宫的全新控制模式，所 发明的三轴四轮微微鼠二维冲刺结构如图4所示，在图4中，为了更好的探测迷宫，传感器S3 和S4与Y轴之间的夹角大小为：45 fl <设<6?8,在此区间，传感器配合工作状态最佳。对于不 同的国际比赛规则，通过软件开启六组传感器探索模式或者是四组传感器探索模式，当在 高速冲刺时只能开启四组传感器导航模式，传感器S1、S6共同作用判断前方挡墙，传感器S3 判断其左边挡墙的存在，传感器S4判断其右边挡墙的存在，同时S3和S4合作为微微鼠直线 快速冲刺运动提供导航依据。红外传感器S1、S3、S4、S6的红外光经侧边挡墙反馈后会被对 应的红外接收器BPW85A接收，然后BPW85A的反馈值经控制器计算后作为当前位置的反馈， 然后控制器通过这些反馈值调整微微鼠冲刺的姿态。
[0036]本发明为克服单片机不能满足微微鼠在复杂迷宫快速冲刺的要求，参考国外微微 鼠所采用的单机工作模式，在吸收国外先进控制思想的前提下，自主研发了基于STM32F405 的全新三轴四轮变结构微微鼠快速冲刺伺服控制器，其原理如图5所示：控制板以 STM32F405为处理核心，实现微微鼠迷宫冲刺的时数字信号的实时处理，并实现对两轴驱动 控制芯片A3906SESTR-T的信号输入和控制，快速响应中断，实现数据通信和存储实时信号。 [0037]对于本文设计的基于STM32F405控制器，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。一旦冲刺按键触发，控制 器首先开启真空抽吸电机M，通过增加其与地面的吸附力调整微微鼠与地面的摩擦系数，然 后微微鼠依靠前方、左右侧面红外蔽障传感器31、53、54、56根据实际导航环境通过四个红 外接收传感器BPW85A传输参数给控制器中的STM32F405，STM32F405处理后再结合磁电传感 器M1、M2的反馈生成两路PWM波，经驱动桥A3906SESTR-T放大后驱动两个独立电机并实现其 快速冲刺时的伺服控制，最后磁电传感器Ml、M2实时反馈电机的速度和位移信号给 STM32F405，由STM32F405继续处理后续的运行状态。
[0038]参照图6,具体实施步骤是： 把微微鼠控制系统分为两部分:上位机系统和运动控制系统。其中上位机系统完成路 径读取、迷宫更新、迷宫存储和数据输出等功能;运动控制系统完成三轴微微鼠冲刺系统的 伺服控制、单轴真空吸附伺服控制等功能，其中工作量最大的三轴伺服系统交给STM32F405 处理，驱动信号经A3906SESTR-T放大后驱动电机X、电机Y完成微微鼠的伺服控制。
[0039] 参照图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10,其具体的功能实现如下： 1) 在微微鼠未接到冲刺命令之前，它一般会在起点坐标(〇,〇)等待控制器发出的冲刺 命令，并调出已经探索后的最优迷宫。一旦冲刺按键触发，控制器首先开启真空抽吸电机M， 通过抽吸装置先对微型真空吸盘抽吸，使真空吸盘对地面具有一定的吸附力，控制器并实 时检测，如果地面不干净，系统会自动调节电机M加大真空吸盘对地面的吸附力，增加微微 鼠冲刺时与地面的摩擦系数。然后，微微鼠会沿着最佳路径从起点开始快速冲向终点(XI， Y1)； 2) 微微鼠放在起点坐标(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 STM32F405发出中断请求，STM32F405会对中断做第一时间响应，然后拉低A3906SESTR-T的 输入INI、IN2、IN3和IN4，封锁微微鼠的电机X、电机Y的PWM驱动信号，使其静止在原地，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，微微鼠将 进行正常的冲刺； 3) 在微微鼠沿着Y轴向前快速冲刺过程中如果迷宫信息中显示前方有Z格直线坐标下 没有挡墙进入前方的运动范围，微微鼠将存储其现在的坐标(X，Y)，处理器把向前运动Z格 的位置参数传递给STM32F405，STM32F405根据冲刺控制器速度和加速度要求生成速度运动 梯形图，这个速度-时间图形包含的面积就是微微鼠电机X和电机Y要运行的Z格距离， STM32F405根据这个梯形图结合磁电编码器M1、M2的反馈生成驱动两轴直流伺服电机的PWM 波，然后STM32F405调整A3906SESTR-T的输入INI、IN2、IN3和IN4，由A3906SESTR-T驱动两个 独立电机X和电机Y向前运动，电机X和电机Y的磁电编码器会时刻记录已经移动的距离并输 送给控制器;在微微鼠沿着当前迷宫格向前冲刺过程中，控制器会实时检测电机X和电机Y 磁电编码器Ml和M2的数值，并根据其速度大小自动调节电机M加大真空吸盘对地面的吸附 力，然后传感器S3和S4会对左右的挡墙进行判断，STM32F405记录储存当前迷宫挡墙信息， 微微鼠根据前进方向左右挡墙的迷宫信息进入单墙导航模式或者是双墙导航模式;传感器 GULY3200ALH)记录微微鼠冲刺时的瞬时旋转速度并反馈给STM32F405,当微微鼠快速冲刺 脱离了设定中心位置时，微处理器根据离开中心位置的偏差借助传感器GULY3200ALH)开 始进行实时补偿，微调电机X和电机Y的P丽波输入，STM32F405调整A3906SESTR-T的输入 IN1、IN2、IN3和IN4,由A3906SESTR-T驱动两个独立电机X和电机Y向前差速行驶，通过此方 式可以精确调整微微鼠的姿态，使其重新回到设定中心位置;在未到达目标前，如果微微鼠 高速冲刺时迷宫地面灰尘较多，STM32F405会调节M加大微微鼠与地面的摩擦，系统进入三 轴四轮驱动状态；当微微鼠在传感器G1 (LY3200ALH)的控制下运动Z格距离到达新地址时， 微处理器将更新其坐标为(X，Y+Z)，在Y+Z〈1F的前提下，判断其坐标是不是(X1，Y1)，如果不 是将继续更新其坐标，如果是将通知控制器已经冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，微 微鼠准备返程探索； 4) 在微微鼠沿着Y轴反向向前快速冲刺过程中如果迷宫信息中显示前方有Z格直线坐 标下没有挡墙进入前方的运动范围，微微鼠将存储其现在的坐标(X，Y)，处理器把向前运动 Z格的位置参数传递给STM32F405，STM32F405根据冲刺控制器速度和加速度要求生成速度 运动梯形图，这个速度-时间图形包含的面积就是微微鼠电机X和电机Y要运行的Z格距离。 STM32F405根据这个梯形图结合磁电编码器M1、M2的反馈生成驱动两轴直流伺服电机的PWM 波，然后STM32F405调整A3906SESTR-T的输入INI、IN2、IN3和IN4，由A3906SESTR-T驱动两个 独立电机X和电机Y向前运动，电机X和电机Y的磁电编码器会时刻记录已经移动的距离并输 送给控制器;在微微鼠沿着当前迷宫格向前冲刺过程中，控制器会实时检测电机X和电机Y 磁电编码器的数值，并根据其速度大小自动调节电机M加大真空吸盘对地面的吸附力，然后 传感器S3和S4会对左右的挡墙进行判断，STM32F405记录储存当前迷宫挡墙信息，微微鼠根 据前进方向左右挡墙的迷宫信息进入单墙导航模式或者是双墙导航模式；传感器G1 (LY3200ALH)记录微微鼠冲刺时的瞬时旋转速度并反馈给STM32F405，当微微鼠快速冲刺脱 离了设定中心位置时，微处理器根据离开中心位置的偏差借助传感器GULY3200ALH)开始 进行实时补偿，微调电机X和电机￥的?丽波输入，STM32F405调整A3906SESTR-T的输入IN1、 IN2、IN3和IN4,由A3906SESTR-T驱动两个独立电机X和电机Y向前差速行驶，通过此方式可 以精确调整微微鼠的姿态，使其重新回到设定中心位置;在未到达目标前，如果微微鼠高速 冲刺时迷宫地面灰尘较多，STM32F405会调节M加大微微鼠与地面的摩擦，系统进入三轴四 轮驱动状态；当微微鼠在传感器G1 (LY3200ALH)的控制下运动Z格距离到达新地址时，微处 理器将更新其坐标为(X，Y-Z)，在0〈Y-Z〈1F的前提下，判断其坐标是不是(X1，Y1)，如果不是 将继续更新其坐标，如果是将通知控制器已经冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，微微 鼠准备返程探索； 5) 在微微鼠沿着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，微微鼠将存储此时坐标(X，Y)，然后进入图8所示的曲线运动轨迹，在 右冲刺转弯时，控制器把此时的速度和离中心点A的距离传输给STM32F405，STM32F405根据 当前的速度和冲刺时间生成两轴伺服系统的加速度、速度和位置信号，并结合磁电编码器 Ml、M2的反馈生成两轴PWM波，然后STM32F405调整A3906SESTR-T的输入INI、IN2、IN3和IN4， 由A3906SESTR-T驱动两个独立电机X和电机Y向前减速运动，电机X和电机Y的磁电编码器会 时刻记录已经移动的距离并输送给控制器;在微微鼠沿着当前迷宫格向前冲刺过程中，控 制器自动调节电机M加大微微鼠与地面的摩擦，然后传感器S3会对左挡墙进行判断， STM32F405记录储存当前迷宫挡墙信息，微微鼠根据前进方向左挡墙的迷宫信息进入单墙 导航模式，然后传感器G1 (LY3200ALH)记录微微鼠的瞬时旋转速度，当微微鼠快速冲刺脱离 了设定中心位置时，微处理器根据离开中心位置的偏差借助传感器GULY3200ALH)开始进 行实时补偿，通过A3906SETR-T微调电机的PWM波输入，STM32F405调整A3906SESTR-T的输入 IN1、IN2、IN3和IN4,由A3906SESTR-T驱动两个独立电机X和电机Y向前差速行驶，通过此方 式可以精确调整微微鼠的姿态，使其重新回到设定中心位置； 当微微鼠到达迷宫中心点时，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，保证微微鼠在迷宫方格中心停车，此时电机X、电机Y、速度降为0， STM32F405 调整 A3906SESTR-T 的输入 IN1、IN2、IN3 和 IN4,通过 A3906SESTR-T 的管脚 OUT1A、 OUT2A和OUT1B、OUT2B的电平，使左侧轮正转，右侧轮反转，在传感器G1 (LY3200ALH)的控制 下使微微鼠原地右转90度，然后控制器开始准备沿着X轴正向冲刺，当微微鼠在传感器G1 (LY3200ALH)控制下冲出当前迷宫，控制器将更新其坐标为(X+1，Y)，在X+1〈1F的前提下，判 断其坐标是不是(XI，Y1)，如果不是将继续更新其坐标，如果是则通知控制器已经冲刺到目 标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为〇,微微鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更 优的迷宫路径； 6) 在微微鼠沿着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，微微鼠将存储此时坐标(X，Y)，然后进入图10所示的曲线运动轨迹， 在左冲刺转弯时，控制器把此时的速度和离中心点A的距离传输给STM32F405，STM32F405根 据当前的速度和冲刺时间生成两轴伺服系统的加速度、速度和位置信号，并结合磁电编码 器Ml、M2的反馈生成两轴PWM波，然后STM32F405调整A3906SESTR-T的输入INI、IN2、IN3和 IN4,由A3906SESTR-T驱动两个独立电机X和电机Y向前减速运动，电机X和电机Y的磁电编码 器会时刻记录已经移动的距离并输送给控制器;在微微鼠沿着当前迷宫格向前冲刺过程 中，控制器自动调节电机M加大微微鼠与地面的摩擦，然后传感器S4会对左挡墙进行判断， 并记录储存当前迷宫挡墙信息，微微鼠根据前进方向左挡墙的迷宫信息进入单墙导航模 式，然后传感器G1 (LY3200ALH)记录微微鼠的瞬时旋转速度，当微微鼠快速冲刺脱离了设定 中心位置时，微处理器根据离开中心位置的偏差借助传感器GULY3200ALH)开始进行实时 补偿，通过A3906SETR-T微调电机的PWM波输入，STM32F405调整A3906SESTR-T的输入IN1、 IN2、IN3和IN4,由A3906SESTR-T驱动两个独立电机X和电机Y向前差速行驶，通过此方式可 以精确调整微微鼠的姿态，使其重新回到设定中心位置； 当微微鼠到达迷宫中心点时，传感器参考值L90_FrontWalIRef开始工作，防止外界干 扰开始做误差补偿，保证微微鼠在迷宫方格中心停车，此时电机X、电机Y、速度降为0， STM32F405 调整 A3906SESTR-T 的输入 IN1、IN2、IN3 和 IN4,通过 A3906SESTR-T 的管脚 OUT1A、 OUT2A和OUT1B、OUT2B的电平，使左侧轮反转，右侧轮正转，在传感器G1 (LY3200ALH)的控制 下使微微鼠原地左转90度，然后控制器开始准备沿着X轴反向冲刺，当微微鼠在传感器G1 (LY3200ALH)控制下冲出当前迷宫，控制器将更新其坐标为(X-1，Y)，在0〈X-1〈1F的前提下， 判断其坐标是不是(XI，Y1)，如果不是将继续更新其坐标，如果是则通知控制器已经冲刺到 目标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为〇,微微鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻 更优的迷宫路径； 7) 当微微鼠冲刺到达(X1，Y1)后，系统会准备冲刺后的返程探索以便搜寻更优的路径， 控制器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； 8 )为了能够实现微微鼠在冲刺时准确的坐标计算，微微鼠左右红外传感器S3和S4会时 刻对周围的迷宫挡墙和柱子进行探测，如果S3或者S4发现传感器信号发生了较大数值的跃 变，则说明微微鼠进入了从有迷宫挡墙到无迷宫挡墙(或者是从无迷宫挡墙到有迷宫挡墙） 状态的变化，STM32F405会根据微微鼠当前运行状态并借助磁电传感器Ml和M2进行精确补 偿，彻底消除微微鼠在复杂迷宫中冲刺时已经累计的误差； 9)在微微鼠进入迷宫返程探索时，其导航的传感器S1、S3、S4、S6将工作，并把反射回来 的光电信号送给STM32F405,经STM32F405运算后确定现在迷宫所处位置，然后由STM32F405 根据当前迷宫生成PWM波和送控制信号给A3906SESTR-T:如果进入已经搜索的区域将加大 PWM波的占空比，使微微鼠进行快速前进，减少迷宫搜索的时间；如果是未知返回区域则采 用正常速度搜索，控制器根据当前搜索速度实时调整电机M的伺服控制，保证微微鼠的稳定 行，在搜索过程中时刻更新其坐标(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0,微微鼠进入冲刺阶段，并置冲刺标志为1; 10 )在微微鼠冲刺过程中，如果系统出现了干扰，STM32F405会根据当前状态对电流加 以补偿，快速调整电流环的PID参数，使得系统快速稳定下来，防止高速冲刺时干扰对系统 的影响； 11) 在微微鼠整个运动过程中，传感器L1会时刻对外界干扰光源进行采集，然后传输给 STM32F405，STM32F405会根据L1的自动补偿外界干扰，减少了外界干扰光源对微微鼠快速 冲刺伺服系统的干扰； 12) 当微微鼠完成整个冲刺过程到达(XI，Y1)，微微鼠会置探索标志为1，微微鼠返程探 索回到起始点(〇，〇)，STM32F405将控制A3906SESTR-T的电平输出使得微微鼠起始点中心点 停车，然后重新调整A3906SESTR-T的输出信号，使得电机X和电机Y以相反的方向运动，并在 传感器GULY3200ALH)的控制下，原地旋转180度，然后停车1秒，二次调取迷宫信息，并根据 改进洪水算法计算出微微鼠探索的最优冲刺路径，然后置冲刺标志为1，系统进入快速冲刺 阶段。控制器根据冲刺速度的大小自动调整电机M，改变真空吸盘对地面的吸附力，满足快 速冲刺时的摩擦需要。
[0040]本发明具有的有益效果是： 1:本发明中的电阻和电容均采用0402封装替代了原有的0603封装，可以更好的减少微 微鼠冲刺伺服控制系统的体积，有利于微微鼠的微型化发展； 2:本发明STM32F405采用BGA封装替代了原有的LQFP176封装，使得芯片占有的体积更 小，有利于微微鼠冲刺伺服系统体积的缩小，且BGA封装更已于微微鼠高速冲刺时芯片的散 执. ， 3:为了充分提高微微鼠系统高速冲刺伺服系统的稳定性和行驶能力，并兼顾两轮驱动 的优点，本发明舍弃了原有的多动力实时四驱结构，通过齿轮机械结构实现两轴四轮功能， 既减少了微微鼠控制器驱动动力电机的数目，又通过齿轮实现了多轮的功能，提高微微鼠 的快速冲刺能力； 4:由于STM32F405集成了新的DSP和FPU指令，168MHz的高速处理性能提高了数字信号 控制器的执行速度和代码效率，使得控制器处理微微鼠快速冲刺系统两轴动力的实时控制 性能增加，增加了微微鼠高速冲刺时的稳定性； 5:根据需要实现吸附功能。在微微鼠快速冲刺过程中，一旦遇到路面灰尘较多或加速 状况时，STM32F405会根据两轴电机的反馈数据立即开启吸附电机M的伺服控制，微微鼠系 统自然切换到三轴四轮驱动状态，增强了微微鼠高速冲刺时的附着力和操控性； 6:由于采用两轴四轮驱动结构，增加了微微鼠与地面的接触面积，减少了两轮微微鼠 由于机械结构造成的高速冲刺失速问题的发生，使得微微鼠具有更好的快速冲刺功能； 7、在此微微鼠冲刺伺服系统中引入了高性能MEMS运动传感器LY3200ALH，实现了微微 鼠在复杂迷宫快速冲刺时的瞬时旋转速度的检测，并利用反馈实现全程导航的实时校正， 有利于提尚微微鼠快速冲刺伺服系统的稳定性和动态性能； 8:微微鼠转向时，为了保证旋转的稳定性和准确性，通过传感器G1 (LY3200ALH)的实时 反馈，基于STM32F405的冲刺伺服控制器对微微鼠的转弯实时校正，提高了迷宫信息的正确 性； 9:由STM32F405处理微微鼠在复杂迷宫中快速冲刺时三只直流电机的伺服控制，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； 10:根据国际规则的不同，控制器通过软件可以实现四组传感器探测模式和六组传感 器探测模式的变结构切换，提高了微微鼠快速冲刺时采样频率，有利于提高系统的运算速 度； 11:由于采用磁电编码器技术替代了传统的光电编码器技术，使得微微鼠的快速冲刺 伺服系统体积可以更小，有利于微微鼠微型化的发展； 12:由于采用磁电编码器替代了传统的光电编码器，使得灰尘对编码器的数据采集影 响大大降低，提高了微微鼠快速冲刺时速度和位移的精确性，也保证了微微鼠在复杂迷宫 冲刺时坐标的准确性； 13:由于本控制器采用STM32F405处理迷宫存储和冲刺算法，有效地防止了程序的"跑 飞"，抗干扰能力大大增强； 14:在微微鼠快速冲刺过程中，控制器会对高速直流伺服电机X、电机Y和电机M的转矩 进行在线辨识并利用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微鼠快速 冲刺的影响； 15:通过调节电机M可以有效调节真空吸盘对地面的吸附力，消除了微微鼠在高速冲刺 时打滑现象的发生； 16:由于具有存储功能，这使得微微鼠掉电后可以轻易的调取已经探索好的迷宫信息， 使二次探索的时间和路径大大降低。
[0041]综上所述，本发明的单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器，提高了单核微微鼠 全数字伺服系统的稳定性，有效防止了微微鼠在高速迷宫冲刺时的地面打滑，避免了微微 鼠远远偏离中心位置现象的发生，提高了其快速冲刺时的稳定性，增加了微微鼠与地面的 接触面积，减少了两轮微微鼠由于机械结构造成的高速冲刺失速问题的发生，使得微微鼠 具有更好的快速冲刺功能。
[0042]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。
【主权项】
1. 一种单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器，其特征在于，包括微微鼠壳体、车轮、 第一红外传感器、第三红外传感器、第四红外传感器、第六红外传感器、第一高速直流伺服 电机、第二高速直流伺服电机、真空吸附电机、第一磁电编码器、第二磁电编码器、运动传感 器以及采样传感器，四个所述的车轮分别两两设置在微微鼠壳体的左右两侧边，所述的第 一红外传感器和第六红外传感器分别设置在微微鼠壳体的左右两侧边并位于车轮的前端， 所述的第三红外传感器和第四红外传感器分别斜向设置在第一红外传感器和第六红外传 感器的内侧边，所述的第一高速直流伺服电机和第二高速直流伺服电机分别安装在微微鼠 壳体的左右两边并位于两个车轮之间的位置，所述的真空吸附电机设置在第一高速直流伺 服电机和第二高速直流伺服电机上方的中间位置，所述的第一磁电编码器和第二磁电编码 器分别设置在第一高速直流伺服电机和第二高速直流伺服电机的下方，所述的运动传感器 和采样传感器依次设置在真空吸附电机的下方。2. 根据权利要求1所述的单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器，其特征在于，所述的 第三传感器和第四传感器斜向设置时与Y轴之间的夹角大小为3. 根据权利要求1所述的单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器，其特征在于，所述的 第一磁电编码器和第二磁电编码器均采用基于磁电传感器AS5040H的编码器。4. 根据权利要求1所述的单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器，其特征在于，所述的 车轮上均设置有真空吸盘。5. 根据权利要求1所述的单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器，其特征在于，所述的 单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器还包括控制板，所述的控制板分别发出第一控制信 号、第二控制信号和第三控制信号，由所述的第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号 分别控制所述的第二高速直流伺服电机、第一高速直流伺服电机和真空吸附电机的信号合 成之后再控制微微鼠的运动。6. 根据权利要求5所述的单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器，其特征在于，所述的 控制板采用STM32F405冲刺伺服控制，STM32F405冲刺伺服控制是基于STM32F405的控制器 中引入多轴集成专用驱动芯片A3906SESTR-T，所述的控制板以STM32F405为处理核心。7. 根据权利要求1所述的单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器，其特征在于，所述的 单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器还设置有上位机程序和运动控制程序，所述的上位 机程序包括路径读取、迷宫更新、迷宫存储和参数输出，所述的运动控制程序包括基于 STM32F405三轴四轮微微鼠冲刺伺服控制、迷宫定位和方向控制。8. 根据权利要求7所述的单核三轴四轮变结构微微鼠冲刺控制器，其特征在于，所述的 基于STM32F405三轴四轮微微鼠冲刺伺服控制还包括相互连接的基于变结构两轴四轮微微 鼠迷宫冲刺伺服控制和单轴真空吸盘吸附伺服控制，所述的基于变结构两轴四轮微微鼠迷 宫冲刺伺服控制包括基于最小传感采样系统冲刺位置模块、基于最小传感采样系统冲刺速 度模块和基于最小传感采样系统冲刺加速度模块;所述的单轴真空吸盘吸附伺服控制包括 吸盘位置模块、吸盘速度模块和吸盘加速度模块。
【文档编号】G05D1/02GK105929833SQ201610506890
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月1日
【发明人】张好明, 陈阳
【申请人】江苏若博机器人科技有限公司