一種雙核三軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器的制造方法

一種雙核三軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙核三軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器，包括微微鼠殼體、車輪、第一紅外傳感器、第二紅外傳感器、第三紅外傳感器、第四紅外傳感器、第五紅外傳感器、第六紅外傳感器、第一高速直流伺服電機、第二高速直流伺服電機、真空吸附電機、第一磁電編碼器、第二磁電編碼器以及運動傳感器，還包括控制板，所述的控制板采用雙核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM與FPGA進行通信連接。通過上述方式，本發明提高了雙核微微鼠全數字伺服系統的穩定性，有效防止了微微鼠在高速迷宮探索時的地面打滑，避免了微微鼠遠遠偏離中心位置現象的發生，同時提高了微微鼠的速度和位移的精確性，也保證了微微鼠探索迷宮的準確性。
【專利說明】
一種雙核三軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器
技術領域
[0001 ] 本發明涉及一種雙核三軸四輪變結構高速微微鼠（PIC0M0USE)自動探索迷宮控制 系統，屬于微型迷宮機器人領域。
【背景技術】
[0002] 隨著微電子技術、計算機控制技術的不斷進步，國外專家在微電腦鼠求解迷宮的 技術基礎之上提出了一種更具有挑戰性的迷宮機器人一微微鼠，其常用二維結構如圖1所 示。為增強迷宮復雜程度以及老鼠求解迷宮的難度，迷宮擋墻由原有的180mm變成了 90mm， 原有的迷宮由16*16格變成了32*32格，新的迷宮二維結構如圖2所示。電源一旦打開，微微 鼠全程完全依靠自身攜帶的傳感器自動導航，并求解由1024個迷宮格組成的各種復雜迷 宮，能夠快速從起點找到一條到達設定目標點的最佳路徑，然后以最快的速度沖刺到終點。
[0003] 微微鼠作為一種新型的迷宮機器人技術，每年世界上有諸多國家和地區在展開這 種技術的競爭，并具有不同的競賽規則，微微鼠在整個迷宮中的行走分為兩部分:探索和沖 刺，相應花費的時間為探索時間TS和沖刺時間TD以及由于違規而出現的加罰時間TP，微微 鼠的最終性能??ΜΕ由TS、TD和TP來決定，其中最具有代表性的是日本、美國、英國和新加坡。
[0004] 日本規則如下：I1ME=TD; 美國規則如下:HME=TS/30+TD+TP，其中TP為微微鼠出現故障的加罰時間； 英國規則如下:HME=TS/30+TD+TP，其中TP為微微鼠出現故障的加罰時間； 新加坡規則如下:TIME=TS/60+TD+TP，其中TP為微微鼠出現故障的加罰時間。
[0005] 從上面的國際規則可以看出，微微鼠探索求解迷宮在微微鼠的整個運動中占有非 常重要的位置，一旦微微鼠探索迷宮失敗，微微鼠的整個功能也就無法實現。
[0006] 微微鼠在迷宮中探索過程中要時刻判斷周圍的環境，然后傳輸參數到控制器，由 控制器反復控制其在迷宮方格中精確的加速和減速運動。一只優秀的微微鼠探索迷宮并成 功求解迷宮必須具備良好的感知能力，有良好的行走能力，優秀的智能算法，否則將無法完 成任務。如果采用現有的簡易算法和結構實現微微鼠探索迷宮，在實踐中發現： (1) 由于求解迷宮數目的大量增加，且迷宮探測設置點不在是原有的迷宮中心，而是迷 宮中的任意一格，使得原有的簡易微微鼠求解迷宮技術無法求解現有的復雜迷宮； (2) 由于微微鼠尺寸的大幅減少，如果微微鼠采用圖1中的六組傳感器技術探索如此復 雜迷宮，在一些對探索有時間要求的國際規則中，受單核處理器處理速度影響，經常會出現 探索時間較長的現象發生，最終導致微微鼠競爭失敗； (3) -些簡易微微鼠樣機單核伺服系統采用比較低級的芯片和算法，使得微微鼠在迷 宮當中的探索一般都要花費較長的時間，不僅消耗了大量電池的能量，而且在真正的大賽 中也無法取勝； (4) 由于迷宮擋墻尺寸的減少，使得微微鼠單格探索運行的距離減少，微微鼠在探索過 程中的頻繁剎車和啟動加重了單核控制器的工作量，單核控制器無法滿足微微鼠快速探索 啟動和停車的要求； (5) 對于兩輪驅動的微微鼠來說一般要求驅動其運動的兩個電機PWM控制信號要同步， 受計算能力的限制單核伺服系統很難滿足這一條件，微微鼠在直道上行駛時不能準確的行 走在中線上，在尚速行走時很容易撞到迷宮擋墻，導致任務失敗； (6) 由于受單核控制器容量和算法影響，微微鼠無法存儲迷宮信息，當遇到掉電情況時 所有的信息將消失，這使得整個探索過程要重新開始； (7) 單核控制微微鼠在迷宮行走時，易于受到外界干擾，由于沒有進行及時補償導致微 微鼠碰撞迷宮擋墻，最終無法完成任務； (8) 兩輪微微鼠探索伺服系統在加速探索時由于重心后移，使得老鼠前部輕飄，即使在 良好的路面上微微鼠也會打滑，有可能導致撞墻的現象出現，不利于高速微微鼠的發展； (9) 兩輪微微鼠探索伺服控制系統如果設計不當造成重心前偏，將導致驅動輪上承受 的正壓力減小，這時微微鼠系統更加容易打滑，也更容易走偏，導致導航失敗； (10) 兩輪微微鼠探索伺服系統如果設計不當造成重心側偏將導致兩個驅動輪承受的 正壓力不同，在快速啟動時兩輪打滑程度不一致，瞬間就偏離軌跡，轉彎時，其中正壓力小 的輪子可能打滑，導致轉彎困難； (11) 由于傳統的微微鼠探索伺服系統多采用光電編碼器實現老鼠的速度和位置的反 饋，由于光電編碼器的體積較大，使得微微鼠的體積相對較大，不利于微微鼠的微型化發 展； (12) 由于比賽場地的灰塵較大，特別是迷宮經過多次比賽后，迷宮地板上吸附的灰塵 較大，使得快速行駛的微微鼠很容易打滑，導致搜索的迷宮信息錯誤，最終微微鼠無法完成 探索任務； (13) 由于傳統微微鼠探索伺服系統采用的集成驅動芯片體積較大，微微鼠的體積無法 微型化且重量較大，在相同功率直流伺服電機驅動下無法取得足夠大的加速度，系統的加 速性能較弱； (14) 基于單核控制的微微鼠全數字伺服系統既要處理各種光電傳感器信號和迷宮信 息，而且還有處理微微鼠的多軸伺服控制，使得處理器的工作量較大，極大了影響了微微鼠 速度的提高和穩定性。
[0007] 微微鼠探索求解迷宮是國際新興的一門技術，由于微微鼠技術的難度較高以及 迷宮設計的復雜性，導致國內還沒有研發此機器人的單位。本發明借助現有的先進控制技 術以及先進控制芯片設計一種雙核三軸四輪帶真空吸附的變結構高速微微鼠探索迷宮伺 服控制器。

【發明內容】

[0008] 本發明主要解決的技術問題是提供一種雙核三軸四輪變結構高速微微鼠探索控 制器，為克服單核控制器不能滿足微微鼠高速探索時穩定性和快速性的要求，舍棄了國產 微電腦鼠所采用的單核工作模式，在吸收國外先進控制思想的前提下，自主研發了基于ARM (STM32F405)+FPGA(A3P250)的全新雙核三軸四輪變結構微微鼠探索伺服控制器，控制板以 FPGA(A3P250)為處理核心來產生三軸伺服系統PWM波，STM32F405把外界環境轉化后向 A3P250發送位置、速度、加速度等指令值，A3P250再結合磁電編碼器Ml和M2的反饋生成兩軸 探索伺服控制系統的PWM波，經驅動橋A3906SESTR-T放大后驅動微微鼠高速前進。 STM32F405從復雜的工作當中解脫出來，實現部分的信號處理算法和A3P250的響應中斷，實 現數據通信和存儲實時信號。
[0009]為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供了一種雙核三軸四輪 變結構高速微微鼠探索控制器，包括微微鼠殼體、車輪、第一紅外傳感器、第二紅外傳感器、 第三紅外傳感器、第四紅外傳感器、第五紅外傳感器、第六紅外傳感器、第一高速直流伺服 電機、第二高速直流伺服電機、真空吸附電機、第一磁電編碼器、第二磁電編碼器以及運動 傳感器，四個所述的車輪分別兩兩設置在微微鼠殼體的左右兩側邊，所述的第一紅外傳感 器和第六紅外傳感器分別設置在微微鼠殼體的左右兩側邊并位于車輪的前端，所述的第二 紅外傳感器和第五紅外傳感器設置在微微鼠殼體的前端，所述的第三紅外傳感器斜向設置 在第一紅外傳感器和第二紅外傳感器之間，所述的第四紅外傳感器斜向設置在第五紅外傳 感器和第六紅外傳感器之間，所述的第一高速直流伺服電機和第二高速直流伺服電機分別 安裝在微微鼠殼體的左右兩邊并位于兩個車輪之間的位置，所述的真空吸附電機設置在第 一高速直流伺服電機和第二高速直流伺服電機上方的中間位置，所述的第一磁電編碼器和 第二磁電編碼器分別設置在第一高速直流伺服電機和第二高速直流伺服電機的下方，所述 的運動傳感器設置在真空吸附電機的下方，其中，所述的第三傳感器和第四傳感器斜向設 置時與Y軸之間的夾角大小為：45 e<J?<60e，還包括控制板，所述的控制板設置在微微鼠 殼體內，所述的控制板采用雙核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM與FPGA進行通信連接。 [00 10]在本發明一個較佳實施例中，所述的ARM采用STM32F405控制器，所述的FPGA采用 A3P250控制器。
[0011] 在本發明一個較佳實施例中，所述的第一磁電編碼器和第二磁電編碼器均采用基 于磁電傳感器AS5040H的編碼器。
[0012] 在本發明一個較佳實施例中，所述的車輪上均設置有真空吸盤。
[0013] 在本發明一個較佳實施例中，所述的雙核三軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器 還包括電源裝置，由所述的電源裝置單獨提供電流驅動所述的控制板，所述的控制板分別 發出第一控制信號、第二控制信號和第三控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號 和第三控制信號分別控制所述的第二高速直流伺服電機、第一高速直流伺服電機和真空吸 附電機的信號合成之后再控制微微鼠的運動。
[0014] 在本發明一個較佳實施例中，所述的電源裝置采用鋰離子電池。
[0015] 在本發明一個較佳實施例中，所述的雙核三軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器 還設置有上位機程序和運動控制程序，所述的上位機程序包括迷宮探索、迷宮更新、迷宮存 儲和在線輸出，所述的運動控制程序包括基于ARM+FPGA三軸四輪微微鼠探索伺服控制、坐 標定位和I /〇控制。
[0016] 在本發明一個較佳實施例中，所述的基于ARM+FPGA三軸四輪微微鼠探索伺服控制 還包括相互連接的基于變結構兩軸四輪微微鼠迷宮探索伺服控制和單軸真空吸盤吸附伺 服控制，所述的基于變結構兩軸四輪微微鼠迷宮探索伺服控制包括基于變結構探索位置模 塊、基于變結構探索速度模塊和基于變結構探索加速度模塊;所述的單軸真空吸盤吸附伺 服控制包括吸盤位置模塊、吸盤速度模塊和吸盤加速度模塊。
[0017] 本發明的有益效果是:本發明的雙核三軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器，提 高了雙核微微鼠全數字伺服系統的穩定性，有效防止了微微鼠在高速迷宮探索時的地面打 滑，避免了微微鼠遠遠偏離中心位置現象的發生，提高了其快速求解時的穩定性，同時提高 了微微鼠的速度和位移的精確性，也保證了微微鼠探索迷宮的準確性。
【附圖說明】
[0018] 為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于 本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它 的附圖，其中： 圖1為傳統二輪驅動微微鼠二維圖； 圖2為微微鼠32*32迷宮示意圖； 圖3基于A3906SESTR-T兩軸雙核微微鼠探索伺服控制系統連接示意圖； 圖4為三軸四輪變結構微微鼠二維原理圖； 圖5為基于雙核三軸四輪變結構微微鼠原理框圖； 圖6為基于雙核三軸四輪變結構微微鼠探索程序框圖； 圖7為微微鼠前進示意圖； 圖8為微微鼠后退示意圖； 圖9為微微鼠右進意義圖； 圖10為微微鼠左退不意圖； 圖11速度-時間運行梯形圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通 技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范 圍。
[0020] 如圖4所示，本發明實施例包括： 一種雙核三軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器，包括微微鼠殼體、車輪、第一紅外傳 感器S1、第二紅外傳感器S2、第三紅外傳感器S3、第四紅外傳感器S4、第五紅外傳感器S5、第 六紅外傳感器S6、第一高速直流伺服電機Y、第二高速直流伺服電機X、真空吸附電機M、第一 磁電編碼器M1、第二磁電編碼器M2以及運動傳感器G1，四個所述的車輪分別兩兩設置在微 微鼠殼體的左右兩側邊，所述的第一紅外傳感器S1和第六紅外傳感器S6分別設置在微微鼠 殼體的左右兩側邊并位于車輪的前端，所述的第二紅外傳感器S2和第五紅外傳感器S5設置 在微微鼠殼體的前端，所述的第三紅外傳感器S3斜向設置在第一紅外傳感器S1和第二紅外 傳感器S2之間，所述的第四紅外傳感器S4斜向設置在第五紅外傳感器S5和第六紅外傳感器 S6之間，所述的第一高速直流伺服電機Y和第二高速直流伺服電機X分別安裝在微微鼠殼體 的左右兩邊并位于兩個車輪之間的位置，所述的真空吸附電機Μ設置在第一高速直流伺服 電機Υ和第二高速直流伺服電機X上方的中間位置，所述的第一磁電編碼器Ml和第二磁電編 碼器M2分別設置在第一高速直流伺服電機Y和第二高速直流伺服電機X的下方，所述的運動 傳感器G1設置在真空吸附電機Μ的下方。其中，所述的車輪包括X輪、Y輪、R輪和Z輪。
[0021] 上述中，所述的第三傳感器S1和第四傳感器S4斜向設置時與Y軸之間的夾角大小 為：:430 <沒'<60鋒。
[0022] 本實施中，還包括控制板，所述的控制板設置在微微鼠殼體內，所述的控制板采用 雙核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM與FPGA進行通信連接。其中，所述的ARM采用 STM32F405控制器，所述的FPGA采用A3P250控制器。
[0023] 進一步的，所述的第一磁電編碼器Ml和第二磁電編碼器M2均采用基于磁電傳感器 AS5040H的編碼器;所述的車輪上均設置有真空吸盤，吸附性能好。
[0024]如圖5所示，所述的雙核三軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器還包括電源裝置， 由所述的電源裝置單獨提供電流驅動所述的控制板，所述的控制板分別發出第一控制信 號、第二控制信號和第三控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號和第三控制信號 分別控制所述的第二高速直流伺服電機、第一高速直流伺服電機和真空吸附電機的信號合 成之后再控制微微鼠的運動。其中，所述的電源裝置采用鋰離子電池。
[0025] STM32F4系列除引腳和軟件兼容高性能的F2系列外，F4的主頻（168MHz)高于F2系 列（120MHz)，并支持單周期DSP指令和浮點單元、更大的SRAM容量（192 KB，F2為128 KB)、 512KB-1MB的嵌入式閃存以及影像、網絡接口和數據加密等更先進的外設。STM32F4系列基 于最新的ARM Cortex M4內核，在現有出色的STM32微控制器產品組合中新增了信號處理 功能，并提高了運行速度;STM32F405X集成了定時器、3個ADC、2個DAC、串行接口、外存接口、 實時時鐘、CRC計算單元和模擬真隨機數發生器在內的整套先進外設。STM32F405在 STM32F405產品基礎上增加了多個先進外設。這些性能使得F4系列可以較容易滿足控制和 信號處理功能混合的數字信號控制需求。高效的信號處理功能與C 〇rteX-M4處理器系列的 低能耗、低成本和易于使用的優點的組合，使得其可以為微微鼠多種傳感器信號處理提供 了可靠的依據。
[0026] FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現場可編程門陣列，是在 PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路(ASIC)領 域中的一種半定制電路而出現的，即解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門 電路數有限的缺點。FPGA采用軟件化的設計思想實現硬件電路的設計，這樣就使得基于 FPGA設計的系統具有良好的可復用和修改性。A3P250是ACTEL公司設計的一種基于非易失 性Flash技術的FPGA器件。器件采用了精細顆粒架構VersaTi le，具有250K系統門結構，采用 了130 nm的工藝技術，內核電壓1.5 V，A3P250是反熔絲的，抗輻射、耐高低溫、功耗低、速 度快，應用較廣，上述特點使得A3P250特別適合用于由于高性能的多軸直流伺服驅動控制， 特別適合應用于本發明中的三軸同步直流伺服控制，直接把STM32F405從復雜的伺服控制 中解脫出來。
[0027] 本發明為了減少雙核高速微微鼠探索伺服控制系統的體積，舍棄了傳統的兩軸直 流伺服電機Η型驅動橋L6207D，而采用體積更小、電壓更小的兩軸直流伺服電機驅動橋 A3906SESTR-T，A3906SESTR-T是一種單雙路直流電機驅動芯片，Α3906旨在用于低電壓步 進電動機、單路及雙路直流電機的脈寬控制(PWM)，可在各通道輸出高達1 A的電流，工作 電壓范圍為2.5至9 VJ3906SESTR-T內置固定關斷時間ΠΜ計時器，根據對芯片外圍 采樣電阻的選擇，設置峰值電流。過流輸出標記用于通知控制器電機電流已經達到峰值，可 用于過流保護，上述特點使得A3906SESTR-T特別適合應用于微微鼠的兩軸探索伺服控制系 統中，A3906SESTR-T與微微鼠兩軸直流伺服電機的連接圖如圖3所示，其中探索PWM控制輸 入信號和探索使能信號來自于伺服控制器，控制器通過調整探索PWM控制輸入信號來調整 其探索PWM控制輸出信號，繼而實現直流伺服電機的四象限運動。
[0028]如圖6所示，所述的雙核三軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器還設置有上位機 程序和運動控制程序，所述的上位機程序包括迷宮探索、迷宮更新、迷宮存儲和在線輸出， 所述的運動控制程序包括基于ARM+FPGA三軸四輪微微鼠探索伺服控制、坐標定位和I/O控 制。
[0029]其中，所述的基于ARM+FPGA三軸四輪微微鼠探索伺服控制還包括相互連接的基于 變結構兩軸四輪微微鼠迷宮探索伺服控制和單軸真空吸盤吸附伺服控制，所述的基于變結 構兩軸四輪微微鼠迷宮探索伺服控制包括基于變結構探索位置模塊、基于變結構探索速度 模塊和基于變結構探索加速度模塊;所述的單軸真空吸盤吸附伺服控制包括吸盤位置模 塊、吸盤速度模塊和吸盤加速度模塊。
[0030] 為了提高雙核高速微微鼠探索伺服控制系統的穩定性，增加微微鼠與地面的接觸 面積，減少微微鼠重心的前移、后移或者是側移，本發明借助齒輪機械結構實現兩軸四輪的 功能，左右每軸電機的轉軸上配備一個小的機械齒輪，此齒輪和前后兩個輪子的大齒輪機 械連接，其中大齒輪的齒為每周60,小齒輪的齒為每周15,通過這樣的機械連接使得每個輪 子都變成了動力輪。
[0031] 為了進一步提高雙核高速微微鼠探索伺服系統的穩定性，防止微微鼠在高速探索 時由于地面灰塵較多而導致行走打滑，本發明在微微鼠探索伺服硬件系統中加入了微型直 流電機M，在微微鼠運動過程中，電機Μ通過真空抽吸裝置不停抽吸微型真空吸盤內的空氣， 使微型真空吸盤的內外壓力不一樣，產生一定的負壓，使其對帶有灰塵的迷宮地面產生一 定的吸附力，有效防止了微微鼠在高速迷宮探索時的地面打滑。
[0032] 為了進一步提高雙核高速微微鼠在探索迷宮時的穩定性，本發明在微微鼠探索伺 服硬件系統中加入了高性能MEMS運動傳感器LY3200ALH，LY3200ALH可以測量出微微鼠的 偏航率，LY3200ALH參數時刻被STM32F405控制器記錄并計算，當微微鼠在探索迷宮姿態發 生變化超過設定閥值時，在一個新的采樣周期控制器就立即對其位置補償，避免了微微鼠 遠遠偏離中心位置現象的發生，提高了其快速探索時的穩定性。
[0033] 為了更好的采集迷宮信息和減少紅外傳感器占用的面積，本發明采用紅外傳感器 SFH4350代替了傳統使用的0ΡΕ9954Α，紅外傳感器31、32、33、34、35、36的紅外光經側邊擋墻 反饋后會被對應的紅外接收器BPW85A接收，然后BPW85A的反饋值經控制器計算后作為當前 位置的反饋，控制器通過這些反饋值調整微微鼠的姿態。
[0034] 在實驗中發現，采用四組傳感器可以提高傳感器的采樣頻率，有利于提高微微鼠 的速度，但是四組傳感器如果補償做的不好將有可能導致微微鼠求解的是一個錯誤的迷 宮；如果采用六組傳感器探測未知迷宮，求解迷宮一般不會出現錯誤，但是過多的傳感器組 合影響了采樣頻率，不利于微微鼠速度的提高;為了兼顧不同的國際規則以及迷宮探索的 準確性，本發明自主研發了基于六組傳感器自由組合變結構探測迷宮的全新控制模式，所 發明的三軸四輪微微鼠二維結構如圖4所示，在圖4中，為了更好的探測迷宮，傳感器S3和S4 與Υ軸之間的夾角大小為:妨^沒乂佛 0，在此區間，傳感器配合工作狀態最佳。對于探索無 時間要求的國際規則，通過軟件開啟六組傳感器探索模式，傳感器S1、S6共同作用判斷前方 擋墻，傳感器S2，S3判斷其左邊擋墻的存在，傳感器S4，S5判斷其右邊擋墻的存在，同時S2， S3和S4，S5合作為微微鼠直線運動提供導航依據;對于探索有時間要求的國際規則，通過軟 件開啟四組傳感器模式，傳感器S1、S6共同作用判斷前方擋墻，傳感器S3判斷其左邊擋墻的 存在，傳感器S4判斷其右邊擋墻的存在，同時S3和S4合作為微微鼠直線運動提供導航依據。 紅外傳感器S1、S3、S4、S6的紅外光經側邊擋墻反饋后會被對應的紅外接收器BPW85A接收， 然后BPW85A的反饋值經控制器計算后作為當前位置的反饋，然后控制器通過這些反饋值調 整微微鼠的姿態。
[0035] 為了減少光電編碼器占用的體積，并減少灰塵對光電編碼器的影響，本發明采用 基于磁電傳感器AS5040H的編碼器M1、M2替代了傳統的光電編碼器C1和C2,此傳感器可以有 效測量出兩軸直流伺服電機運動時的速度和位移，為微微鼠高速探索三閉環伺服控制提供 了可靠依據。
[0036] 本發明為克服單核控制器不能滿足微微鼠高速探索時穩定性和快速性的要求，舍 棄了國產微電腦鼠所采用的單核工作模式，在吸收國外先進控制思想的前提下，自主研發 了基于ARM(STM32F405)+FPGA(A3P250)的全新雙核三軸四輪變結構微微鼠探索伺服控制 器。其原理如圖5所示：控制板以FPGA(A3P250)為處理核心來產生三軸伺服系統PWM波， STM32F405把外界環境轉化后向A3P250發送位置、速度、加速度等指令值，A3P250再結合磁 電編碼器Ml和M2的反饋生成兩軸探索伺服控制系統的PWM波，經驅動橋A3906SESTR-T放大 后驅動微微鼠高速前進。STM32F405從復雜的工作當中解脫出來，實現部分的信號處理算法 和A3P250的響應中斷，實現數據通信和存儲實時信號。
[0037]本發明采取以下技術方案，為了提高運算速度，保證三軸四輪變結構帶真空吸附 微微鼠伺服系統的穩定性和可靠性，本發明在基于STM32F405的控制器中引入A3P250,形成 基于STM32F405+A3P250的雙核探索控制器，此控制器充分考慮電池在這個系統的作用，把 控制系統中工作量最大的三軸伺服系統(兩軸微微鼠行走伺服系統+單軸真空抽吸電機伺 服控制）交給A3P250處理，充分發揮A3P250作為處理數據速度快的特點，而人機界面、迷宮 探索、迷宮更新、迷宮存儲、在線輸出等控制功能交給STM32F405完成，這樣就實現了 STM32F405與A3P250的分工，同時二者之間也可以進行通訊，實時進行數據交換和調用。 [0038]對于本文設計的雙核控制器，在電源打開狀態下，微微鼠先進入自鎖狀態。一旦探 索啟動鍵開啟后，微微鼠根據軟件設置開啟六組傳感器探索模式或者是四組傳感器探索模 式，微微鼠依靠前方、左右側面蔽障紅外傳感器31、32、33、34、35、36(或31、33、34、36)實時 探測實際導航環境，并通過紅外接收器BPW85A傳輸參數給STM32F405，STM32F405把這些環 境參數轉化為微微鼠運動的位置、速度和加速度參數指令值，然后與A3P250通訊，A3P250結 合外部磁電編碼器Ml和M2的反饋信息生成兩軸直流電機伺服系統的PWM波形和控制方向信 號，然后STM32F405調整A3906SESTR-T的輸入信號，A3906SESTR-T改變其輸出管腳狀態完成 伺服電機X和電機Y的伺服控制，電機運行狀態經磁電電編碼器Ml和M2反饋給STM32F405，由 STM32F405處理后再次調整A3906SESTR-T的管腳輸出狀態，驅動電機X、電機Y向前運動，在 運動過程中，A3P250實時對微微鼠行走速度、地面等狀況進行檢測，并通過調節電機Μ的伺 服控制來有效調節真空吸盤對地面的吸附力，增加了微微鼠高速探索時的穩定性。
[0039]參照圖6,具體實施步驟是： 把微微鼠控制系統分為兩部分:上位機系統和運動控制系統。其中上位機系統完成迷 宮探索、坐標定位、在線輸出等功能;運動控制系統完成微微鼠系統的三軸伺服控制、數據 存儲、I/O控制等功能，其中工作量最大的三軸直流電機伺服系統交給A3P250處理，其余的 包括上位機系統的完成交給STM32F405完成，這樣就實現了 STM32F405與A3P250的分工，同 時二者之間也可以進行通訊，實時進行數據交換和調用。
[0040] 參照圖4、圖5、圖6,圖7、圖8、圖9、圖10和圖11，其具體的功能實現如下： 1) 打開電源開關，STM32F405會對電源電路、傳感器電路、時鐘電路等進行檢測，確定系 統硬件無異樣后，A3P250首先根據加速需要開啟真空抽吸電機M，通過抽吸裝置先對微型真 空吸盤抽吸，使真空吸盤對地面具有一定的吸附力，控制器并實時檢測，如果地面不干凈， 系統會自動調節電機Μ加大真空吸盤對地面的吸附力;微微鼠未接到探索命令之前，它一般 會在起點坐標(〇,〇)等待STM32F405發出的探索命令，一旦啟動開關啟動后，微微鼠會沿著 起點開始向終點〇(1，丫1)、〇(2，￥2)、（父3，￥3)、（父4，￥4)探索，其中（父1，￥1)、（父2，丫2)、（父3， Υ3)、（Χ4，Υ4)的值為任意，一般情況下Χ1=Χ2=Χ3=Χ4，Υ1=Υ2=Υ3=Υ4,即探測的是迷宮中的任 意一個迷宮格(XI，Π ); 2) 微微鼠放在起點坐標(0,0)，接到探索命令后其前方的傳感器S1、S6和會對前方的環 境進行判斷，確定有沒有擋墻進入運動范圍，如存在擋墻將向STM32F405和A3P250發出中斷 請求，STM32F405和A3P250會對中斷做第一時間響應，然后STM32F405禁止A3P250工作， A3P250封鎖微微鼠的電機X、電機Y的PWM驅動信號，使其靜止在原地，然后二次判斷迷宮確 定前方信息，防止信息誤判； 3) 如果一切正常，在微電腦探索啟動瞬間，傳感器5142、53、54、55、56(六個獨立的紅 外發射管SFH4350發出的紅外光經接收器BPW85A接受后轉化為周圍迷宮的信息）判斷周圍 的環境并送給STM32F405，STM32F405把這些環境參數轉化為微微鼠前后左右四輪要運行的 位置、速度和加速度指令值，然后STM32F405與A3P250通訊，由A3P250根據這些參數再結合 磁電編碼器Ml和M2的反饋生成驅動兩軸直流伺服電機X和電機Y的PWM波控制器信號;PWM波 經驅動橋A3906SESTR-T放大后驅動電機X、電機Y向前行駛，直至完成加速過程直到達到探 索設定速度，在加速探索行走過程中，A3P250控制器實時對微微鼠行走速度、地面等狀況進 行檢測，并通過調節電機Μ的伺服控制來有效調節真空吸盤對地面的吸附，并把處理數據通 訊給STM32F405,由STM32F405繼續處理后續的運行狀態，然后根據探索速度確定是否要禁 止電機Μ的伺服調節； 4) 在微微鼠沿著Υ軸向前運動，在任何一個方格的中心如果確定沒有擋墻進入前方的 運動范圍，則微微鼠將存儲其坐標(Χ，Υ)，并把向前運動一格的位置參數傳輸給STM32F405， 根據探索控制器速度和加速度的要求，由STM32F405內部三閉環伺服系統程序生成兩軸直 流伺服電機X和Υ的運動指令給定值，然后STM32F405與Α3Ρ250通訊并傳輸數據，Α3Ρ250再結 合磁電編碼器Ml和M2的反饋生成驅動直流伺服電機X和Υ運動的PWM波，Α3Ρ250與 A3906SESTR-T通訊并調整A3906SESTR-T的輸入信號INI，IN2, IN3和IN4,輸入信號通過驅動 橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前運動；在微微鼠向前運動過程中，磁電傳感器Ml和 M2時刻反饋電機X和電機Y運行的速度和位移，并傳輸給A3P250;在微微鼠沿著當前迷宮格 向前探索過程中，A3P250實時對微微鼠行走速度、地面等狀況進行檢測，并通過調節電機Μ 的伺服控制來有效調節真空吸盤對地面的吸附，傳感器S2、S3和S4、S5會對左右的迷宮擋墻 進行判斷，STM32F405記錄儲存當前迷宮擋墻信息，微微鼠根據左右擋墻的迷宮信息確定其 進入單墻導航模式、雙墻導航模式或者是慣性導航模式;然后傳感器G1(LY3200ALH)實時檢 測微微鼠探索時的瞬時旋轉速度，當微微鼠高速探索脫離了設定中心位置時，A3P250根據 離開中心位置的偏差大小借助傳感器G1(LY3200ALH)開始進行實時補償，微調電機的PWM波 輸入，A3P250 與 A3906SESTR-T 通訊并微調 A3906SESTR-T 的輸入信號 IN1，IN2，IN3 和 IN4,輸 入信號通過驅動橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前運動，通過此方式可以精確調整微 微鼠在直道的位置和姿態，使其重新回到設定中心位置;如果在探索運動過程中，微微鼠出 現驅動輪失速或者是灰塵較多的狀況時，A3P250立刻二次調節電機Μ的伺服控制來有效調 節真空吸盤對地面的吸附力，STM32F405把剩余的距離轉化為新的參考指令值傳輸給 Α3Ρ250，Α3Ρ250根據這些參數再結合磁電編碼器的反饋生成驅動電機X、電機Υ新PWM驅動信 號，Α3Ρ250 與 A3906SESTR-T 通訊并微調 A3906SESTR-T 的輸入信號 ΙΝ1，ΙΝ2，ΙΝ3 和 ΙΝ4,輸入 信號通過驅動橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前運動，微微鼠在三軸四輪驅動狀態下 依舊按照原有的導航模式前進；當微微鼠在雙核控制器控制下運動一格距離到達新地址 時，將更新其坐標為(Χ，Υ+1)，在Y+1〈1F的前提下，判斷其坐標是不是(Χ1，Υ1)，如果不是將 繼續更新其坐標，如果是則通知控制器已經搜索到目標，然后置返航探索標志為1，微微鼠 準備返程探索； 5)在微微鼠沿著Υ軸向前運動過程中如果有迷宮擋墻進入前方的運動范圍，并且此時 左右的傳感器S3、S4(或S2、S3、S4、S5 )判斷左右都有擋墻時，微微鼠將存儲此時坐標(X，Υ)， 根據傳感器S1和S6的反饋STM32F405計算出向前運動停車的位置參數Sl，STM32F405把此 參數按照時間要求轉化為位置參數、速度參數以及加速度參數傳輸給Α3Ρ250，Α3Ρ250根據 這些參數再結合磁電編碼器Ml和M2的反饋生成驅動電機X和電機Υ的Ρ麗控制信號，Α3Ρ250 與A3906SESTR-T通訊并調整A3906SESTR-T的輸入信號IN1，IN2，IN3和IN4,輸入信號通過驅 動橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前停車，同時A3P250通過調整電機Μ的伺服控制來 加大對地面的摩擦，防止微微鼠因為探索速度過高而撞到前方的迷宮擋墻;在微微鼠向前 停車過程中，傳感器S3、S4(或52、53、54、55)實時對左右的擋墻進行判斷，并反饋當前迷宮 擋墻信息，微微鼠進入雙墻導航模式，微微鼠實現在設置停車點停車；然后A3P250調整 A3906SESTR-T的輸入信號INI，IN2，IN3和IN4，輸入信號通過驅動橋A3906SESTR-T放大后使 得電機X和電機Y運動方向相反，微微鼠原地調轉180度，然后準備沿著Y軸反向運動； 在微微鼠沿著Y軸反向向前運動，在任何一個方格的中心如果確定沒有擋墻進入前方 的運動范圍，則微微鼠將存儲其坐標（X，Y)，并把向前運動一格的位置參數傳輸給 STM32F405,根據探索控制器速度和加速度的要求，由STM32F405內部三閉環伺服系統程序 生成兩軸直流伺服電機X和Υ的運動指令給定值，然后STM32F405與Α3Ρ250通訊并傳輸數據， Α3Ρ250再結合磁電編碼器Ml和M2的反饋生成驅動直流伺服電機X和Υ運動的PWM波，Α3Ρ250 與A3906SESTR-T通訊并調整A3906SESTR-T的輸入信號IN1，IN2，IN3和IN4,輸入信號通過驅 動橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前運動;在微微鼠向前運動過程中，磁電傳感器Ml 和M2時刻反饋電機X和電機Y運行的速度和位移，并傳輸給A3P250;在微微鼠沿著當前迷宮 格向前探索過程中，A3P250實時對微微鼠行走速度、地面等狀況進行檢測，并通過調節電機 Μ的伺服控制來有效調節真空吸盤對地面的吸附，傳感器S2、S3和S4、S5會對左右的迷宮擋 墻進行判斷，STM32F405記錄儲存當前迷宮擋墻信息，微微鼠根據左右擋墻的迷宮信息確定 其進入單墻導航模式、雙墻導航模式或者是慣性導航模式;然后傳感器G1(LY3200ALH)實時 檢測微微鼠探索時的瞬時旋轉速度，當微微鼠快速探索脫離了設定中心位置時，A3P250根 據離開中心位置的偏差大小借助傳感器G1(LY3200ALH)開始進行實時補償并微調電機的 波輸入，A3P250與A3906SESTR-T通訊并微調A3906SESTR-T的輸入信號INI，IN2，IN3和 ΙΝ4，輸入信號通過驅動橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前運動，通過此方式可以精確 調整微微鼠在直道的位置和姿態，使其重新回到設定中心位置;如果在探索運動過程中，微 微鼠出現驅動輪失速或者是灰塵較多的狀況時，Α3Ρ250立刻二次調節電機Μ的伺服控制來 有效調節真空吸盤對地面的吸附力，STM32F405把剩余的距離轉化為新的參考指令值傳輸 給Α3Ρ250，Α3Ρ250根據這些參數再結合磁電編碼器Ml和M2的反饋生成驅動電機X、電機Υ新 PWM驅動信號，A3P250與A3906SESTR-T通訊并微調A3906SESTR-T的輸入信號INI，IN2，IN3和 IN4，輸入信號通過驅動橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前運動，微微鼠在三軸四輪驅 動狀態下依舊按照原有的導航模式前進;當微微鼠在雙核控制器控制下運動一格距離到達 新地址時，將更新其坐標為(X，Y-1)，在Y-1〈1F的前提下，判斷其坐標是不是(X1，Y1)，如果 不是將繼續更新其坐標，如果是則通知控制器已經搜索到目標，然后置返航探索標志為1， 微微鼠準備返程探索； 6)在微微鼠沿著Υ軸向前運動過程中如果有迷宮擋墻進入前方的運動范圍，并且此時 左右的傳感器S3、S4(或S2、S3、S4、S5)判斷左有擋墻時，微微鼠將存儲此時坐標(X，Υ)，根據 傳感器S1和S6的反饋STM32F405計算出向前運動停車的位置參數S2，STM32F405把此參數 按照時間要求轉化為位置參數、速度參數以及加速度參數傳輸給A3P250，A3P250根據這些 參數再結合磁電編碼器Ml和M2的反饋生成驅動電機X和電機Y的PWM控制信號，A3P250與 A3906SESTR-T通訊并調整A3906SESTR-T的輸入信號INI，IN2, IN3和IN4,輸入信號通過驅動 橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前停車，同時A3P250通過調整電機Μ的伺服控制來加 大對地面的摩擦，防止微微鼠因為探索速度過高而撞到前方的迷宮擋墻;在微微鼠向前停 車過程中，傳感器S3(或S2、S3)實時對左擋墻進行判斷，并反饋當前迷宮擋墻信息，微微鼠 進入單左墻導航模式，微微鼠實現在設置停車點停車;然后A3P250調整A3906SESTR-T的輸 入信號IN1，IN2，IN3和IN4,輸入信號通過驅動橋A3906SESTR-T放大后使得電機X和電機Y運 動方向相反，微微鼠原地向右調轉90度，然后準備沿著X軸正向運動； 在微微鼠沿著X軸向前運動，在任何一個方格的中心如果確定沒有擋墻進入前方的運 動范圍，則微微鼠將存儲其坐標(X，Y)，并把向前運動一格的位置參數傳輸給STM32F405,根 據探索控制器速度和加速度的要求，由STM32F405內部三閉環伺服系統程序生成兩軸直流 伺服電機X和Υ的運動指令給定值，然后STM32F405與Α3Ρ250通訊并傳輸數據，Α3Ρ250再結合 磁電編碼器Ml和M2的反饋生成驅動直流伺服電機X和Υ運動的PWM波，Α3Ρ250與A3906SESTR-T通訊并調整A3906SESTR-T的輸入信號INI，IN2，IN3和IN4,輸入信號通過驅動橋 A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前運動;在微微鼠向前運動過程中，磁電傳感器Ml和M2 時刻反饋電機X和電機Y運行的速度和位移，并傳輸給A3P250;在微微鼠沿著當前迷宮格向 前探索過程中，A3P250實時對微微鼠行走速度、地面等狀況進行檢測，并通過調節電機Μ的 伺服控制來有效調節真空吸盤對地面的吸附，傳感器S2、S3和S4、S5會對左右的迷宮擋墻進 行判斷，STM32F405記錄儲存當前迷宮擋墻信息，微微鼠根據左右擋墻的迷宮信息確定其進 入單墻導航模式、雙墻導航模式或者是慣性導航模式;然后傳感器G1(LY3200ALH)實時檢測 微微鼠探索時的瞬時旋轉速度，當微微鼠快速探索脫離了設定中心位置時，A3P250根據離 開中心位置的偏差大小借助傳感器G1 (LY3200ALH)開始進行實時補償，微調電機的PWM波輸 入，A3P250 與 A3906SESTR-T 通訊并微調 A3906SESTR-T 的輸入信號 IN1，IN2，IN3 和 IN4,輸入 信號通過驅動橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前運動，通過此方式可以精確調整微微 鼠在直道的位置和姿態，使其重新回到設定中心位置;如果在探索運動過程中，微微鼠出現 驅動輪失速或者是灰塵較多的狀況時，A3P250立刻二次調節電機Μ的伺服控制來有效調節 真空吸盤對地面的吸附力，S Τ Μ 3 2 F 4 0 5把剩余的距離轉化為新的參考指令值傳輸給 Α3Ρ250，Α3Ρ250根據這些參數再結合磁電編碼器Ml和M2的反饋生成驅動電機X、電機Υ新PWM 驅動信號，A3P250與A3906SESTR-T通訊并微調A3906SESTR-T的輸入信號INI，IN2，IN3和 IN4，輸入信號通過驅動橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前運動，微微鼠在三軸四輪驅 動狀態下依舊按照原有的導航模式前進;當微微鼠在雙核控制器控制下運動一格距離到達 新地址時，將更新其坐標為(X+l，Y)，在X+1〈1F的前提下，判斷其坐標是不是(XI，Y1)，如果 不是將繼續更新其坐標，如果是則通知控制器已經搜索到目標，然后置返航探索標志為1， 微微鼠準備返程探索； 7)在微微鼠沿著Y軸向前運動過程中如果有迷宮擋墻進入前方的運動范圍，并且此時 左右的傳感器S3、S4(或S2、S3、S4、S5)判斷右有擋墻時，微微鼠將存儲此時坐標(X，Y)，根據 傳感器S1和S6的反饋STM32F405計算出向前運動停車的位置參數S3，STM32F405把此參數 按照時間要求轉化為位置參數、速度參數以及加速度參數傳輸給A3P250，A3P250根據這些 參數再結合磁電編碼器的反饋生成驅動電機X和電機Y的PWM控制信號，A3P250與 A3906SESTR-T通訊并調整A3906SESTR-T的輸入信號INI，IN2, IN3和IN4,輸入信號通過驅動 橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前停車，同時A3P250通過調整電機Μ的伺服控制來加 大對地面的摩擦，防止微微鼠因為探索速度過快而撞到前方的迷宮擋墻;在微微鼠向前停 車過程中，傳感器S4(或S4、S5)實時對右擋墻進行判斷，并反饋當前迷宮擋墻信息，微微鼠 進入單右墻導航模式，微微鼠實現在設置停車點停車;然后A3P250調整A3906SESTR-T的輸 入信號IN1，IN2，IN3和IN4,輸入信號通過驅動橋A3906SESTR-T放大后使得電機X和電機Y運 動方向相反，微微鼠原地向左調轉90度，然后準備沿著X軸反向運動； 在微微鼠沿著X軸反向向前運動，在任何一個方格的中心如果確定沒有擋墻進入前方 的運動范圍，則微微鼠將存儲其坐標（X，Y)，并把向前運動一格的位置參數傳輸給 STM32F405,根據探索控制器速度和加速度的要求，由STM32F405內部三閉環伺服系統程序 生成兩軸直流伺服電機X和Υ的運動指令給定值，然后STM32F405與Α3Ρ250通訊并傳輸數據， Α3Ρ250再結合磁電編碼器的反饋生成驅動直流伺服電機X和Υ運動的PWM波，Α3Ρ250與 A3906SESTR-T通訊并調整A3906SESTR-T的輸入信號INI，ΙΝ2, ΙΝ3和ΙΝ4,輸入信號通過驅動 橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前運動；在微微鼠向前運動過程中，磁電傳感器Ml和 M2時刻反饋電機X和電機Y運行的速度和位移，并傳輸給A3P250;在微微鼠沿著當前迷宮格 向前探索過程中，A3P250實時對微微鼠行走速度、地面等狀況進行檢測，并通過調節電機Μ 的伺服控制來有效調節真空吸盤對地面的吸附，傳感器S2、S3和S4、S5會對左右的迷宮擋墻 進行判斷，并記錄儲存當前迷宮擋墻信息，微微鼠根據左右擋墻的迷宮信息確定其進入單 墻導航模式、雙墻導航模式或者是慣性導航模式;然后傳感器G1(LY3200ALH)實時檢測微微 鼠探索時的瞬時旋轉速度，當微微鼠快速探索脫離了設定中心位置時，A3P250根據離開中 心位置的偏差大小借助傳感器G1 (LY3200ALH)開始進行實時補償，微調電機的PWM波輸入， A3P250與A3906SESTR-T通訊并微調A3906SESTR-T的輸入信號IN1，IN2，IN3和IN4,輸入信號 通過驅動橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前運動，通過此方式可以精確調整微微鼠在 直道的位置和姿態，使其重新回到設定中心位置;如果在探索運動過程中，微微鼠出現驅動 輪失速或者是灰塵較多的狀況時，A3P250立刻二次調節電機Μ的伺服控制來有效調節真空 吸盤對地面的吸附力，STM32F405把剩余的距離轉化為新的參考指令值傳輸給Α3Ρ250， Α3Ρ250根據這些參數再結合磁電編碼器的反饋生成驅動電機X、電機Υ新PWM驅動信號， Α3Ρ250與A3906SESTR-T通訊并微調A3906SESTR-T的輸入信號ΙΝ1，ΙΝ2，ΙΝ3和ΙΝ4,輸入信號 通過驅動橋A3906SESTR-T放大后推動微微鼠向前運動，微微鼠在三軸四輪驅動狀態下依舊 按照原有的導航模式前進；當微微鼠在雙核控制器控制下運動一格距離到達新地址時，將 更新其坐標為(X-l，Υ)，在0〈X-1〈1F的前提下，判斷其坐標是不是(XI，Υ1)，如果不是將繼續 更新其坐標，如果是則通知控制器已經搜索到目標，然后置返航探索標志為1，微微鼠準備 返程探索； 8) 當微微鼠到達(XI，Υ1)準備返程探索時，控制器會調出其已經存儲的迷宮，然后根據 快速迷宮算法計算出可能存在的最佳路徑，返程開始進入其中認為最優的一條； 9) 在微微鼠進入迷宮正常返航運行時，并其導航的傳感器S1、S2、S3、S4、S5、S6(SS1、 S3、S4、S6)將工作，反射回來的光電信號經BPW85A吸收后傳送參數給STM32F405,經 STM32F405處理后與A3P250通訊，由A3P250生成驅動兩軸電機的PWM信號，然后A3P250調整 A3906SESTR-T的輸入信號，A3906SESTR-T驅動導航電機X、電機Y:如果進入已經搜索的區域 將進行快速前進，如果是未知返回區域則采用正常速度搜索，控制器會實時檢測電機X、電 機Y磁電編碼器的數值，并根據其速度大小自動調節電機Μ加大或者減少真空吸盤對地面的 吸附力，并時刻更新其坐標(Χ，Υ)，并判斷其坐標是不是(〇,〇)，如果是的話置返航探索標志 為0,微微鼠進入沖刺階段，并置沖刺標志為1; 10) 為了能夠實現微微鼠在探索時準確的坐標計算，微微鼠左右的傳感器S3(或S2、S3) 和S4(或S4、S5)會時刻對周圍的迷宮擋墻和柱子進行探測，如果S3(或S2、S3)或者S4(或S4、 S5)發現傳感器信號發生了較大數值的躍變，則說明微微鼠進入了從有迷宮擋墻到無迷宮 擋墻(或者是從無迷宮擋墻到有迷宮擋墻)狀態的變化，STM32F405會根據微微鼠當前運行 狀態結合磁電編碼器Ml和M2的反饋由A3P250進行精確補償，徹底消除微微鼠在復雜迷宮中 探索時已經累計的誤差； 11) 如果微微鼠在探索過程中遇到因機械結構造成的輪子失速或者是讀錯迷宮信息 時，有時會出現撞墻的現象，此時電機的電流將增大，當A3906SESTR-T的電流預設值超過設 定值時，此時STM32F405會立即控制A3P250停止工作，不僅減少有效地解決了堵轉問題，而 且也減少了對系統硬件的破壞； 12) 微微鼠在運行過程會時刻檢測電池電壓，當系統出現低壓時，傳感器VI將開啟并發 出報警提示，有效地保護了鋰離子電池； 13) 在微微鼠運行過程中，A3P250會對電機的轉矩進行在線辨識，當電機的轉矩受到外 界干擾出現較大抖動時，控制器會利用電機力矩與電流的關系進行時候補償，減少了電機 轉矩抖動對微微鼠快速探索的影響，保證了探索時迷宮的準確性； 14) 當微電腦完成整個探索過程回到起始點（0,0)，3了132?405將響應六3?250的中斷響 應控制兩軸電機X和Y同時減速使微電腦中心點停車，然后重新調整A3P250的PWM波輸出，然 后A3P250調整A3906SESTR-T的輸入信號，A3906SESTR-T驅動導航電機X、電機Y以相反的方 向運動，微微鼠原地旋轉180度，然后停車1秒;STM32F405調取迷宮信息，然后根據改進洪水 算法求解出最佳路徑，然后置沖刺標志為1，系統進入高速沖刺階段。
[0041 ]本發明具有的有益效果是： 1:本發明中的電阻和電容均采用0402封裝替代了原有的0603封裝，可以更好的縮小微 微鼠的體積，有利于微微鼠的微型化發展； 2:本發明STM32F405采用BGA封裝替代了原有的LQFP176封裝，使得芯片占有的體積更 小，有利于微微鼠體積的縮小，且BGA封裝更利于微微鼠高速探索時芯片的散熱； 3:為了充分提高雙核微微鼠探索伺服控制系統的穩定性，并兼顧兩輪驅動的優點，本 發明舍棄了原有的多動力實時四驅結構，通過齒輪機械結構實現兩軸四輪功能，既減少了 微微鼠控制器驅動動力電機的數目，又通過齒輪實現了多輪的功能，有效提高了微微鼠的 探索行駛能力； 4:由于STM32F405集成了新的DSP和FPU指令，168MHz的高速處理性能提高了數字信號 控制器的執行速度和代碼效率，使得控制器處理傳感器信號實時性能增加； 5:根據需要實現吸附功能;在微微鼠高速探索過程中，一旦遇到路面灰塵較多或加速 狀況時，A3P250會根據兩軸電機X和Y的磁電編碼器Ml和M2的反饋立即開啟吸附電機Μ的伺 服控制，微微鼠系統自然切換到三軸四輪驅動狀態，增強了微微鼠的附著力和操控性； 6:由于采用兩軸四輪驅動結構，增加了微微鼠與地面的接觸面積，減少了兩輪微微鼠 由于機械結構造成的失速問題的發生，使得微微鼠具有更好的高速探索行走功能； 7:在此微微鼠探索伺服系統中引入了高性能MEMS運動傳感器LY3200ALH，實現了微微 鼠在迷宮探索時的瞬時旋轉速度的檢測，并利用反饋實現全程導航的實時校正，有利于提 高微微鼠高速探索的穩定性和動態性能； 8:高速微微鼠轉向時，為了保證旋轉的穩定性和準確性，通過傳感器G1 (LY3200ALH)的 實時反饋，基于Α3Ρ250的探索伺服控制器對微微鼠的轉彎實時校正，提高了迷宮信息探索 的正確性； 9:由FPGA(A3P250)輸出PWM調制信號和方向信號，通過驅動電路可以直接驅動三軸直 流伺服電機，不僅減輕了 STM32F405的負擔，簡化了接口電路，而且省去了 STM32F405內部編 寫位置、速度控制程序，以及各種PID算法的麻煩，使得系統的調試簡單； 10:根據國際規則的不同，控制器通過軟件可以實現四組傳感器和六組傳感器的變結 構切換，提高了微微鼠求解迷宮的技術，有利于提高系統的運算速度； 11:由于采用磁電編碼器技術替代了傳統的光電編碼器技術，使得微微鼠的體積可以 更小，有利于微微鼠微型化的發展； 12:由于采用磁電編碼器替代了傳統的光電編碼器，使得灰塵對編碼器的數據采集影 響大大降低，提高了微微鼠高速行走速度和位移的精確性，也保證了微微鼠求解迷宮的準 確性； 13:由于本控制器采用FPGA(A3P250)處理微微鼠高速探索時的各種算法，有效地防止 了程序的"跑飛"，抗干擾能力大大增強； 14:在微微鼠高速探索過程中，FPGA(A3P250)會對高速直流伺服電機X、電機Y和電機Μ 的轉矩進行在線辨識并利用電機力矩與電流的關系進行補償，減少了電機轉矩抖動對微微 鼠尚速探索的影響； 15:通過調節電機Μ可以有效調節真空吸盤對地面的吸附力，消除了微微鼠在高速探索 時打滑現象的發生； 16:由于具有存儲功能，微微鼠可以非常簡單的存儲探索好的迷宮信息，使二次探索的 時間和路徑大大降低； 17:在微微鼠高速探索過程中，FPGA(A3P250)可以根據實際周圍迷宮情況調整控制器 內部的PID參數，輕松實現分段P、PD、PID控制和非線性PID控制，使系統具有一定的自適應 能力； 18:在微微鼠高速探索過程中，充分考慮了電池在這個系統中的作用，基于STM32F405+ FPGA(A3P250)控制器時刻都在對微微鼠的運行狀態進行監測和運算，避免了大電流的產 生，所以從根本上解決了大電流對鋰離子電池的沖擊，避免了由于大電流放電而引起的鋰 離子電池過度老化現象的發生； 19:驅動橋A3906SESTR-T的電流采集功能可以很好的解決微微鼠在高速探索過程中遇 到撞墻等情況發生的電機堵轉，當輸出超出設定值時，A3906SESTR-T的電流采集電路立即 工作，直流伺服電機X、直流伺服電機Y的驅動信號被拉低，從而有效地解決了堵轉問題。 [0042]綜上所述，本發明的雙核三軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器，提高了雙核微 微鼠全數字伺服系統的穩定性，有效防止了微微鼠在高速迷宮探索時的地面打滑，避免了 微微鼠遠遠偏離中心位置現象的發生，提高了其快速求解時的穩定性，同時提高了微微鼠 的速度和位移的精確性，也保證了微微鼠探索迷宮的準確性。
[0043]以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發 明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領 域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
【主權項】
1. 一種雙核Ξ軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器，其特征在于，包括微微鼠殼體、車 輪、第一紅外傳感器、第二紅外傳感器、第Ξ紅外傳感器、第四紅外傳感器、第五紅外傳感 器、第六紅外傳感器、第一高速直流伺服電機、第二高速直流伺服電機、真空吸附電機、第一 磁電編碼器、第二磁電編碼器W及運動傳感器，四個所述的車輪分別兩兩設置在微微鼠殼 體的左右兩側邊，所述的第一紅外傳感器和第六紅外傳感器分別設置在微微鼠殼體的左右 兩側邊并位于車輪的前端，所述的第二紅外傳感器和第五紅外傳感器設置在微微鼠殼體的 前端，所述的第Ξ紅外傳感器斜向設置在第一紅外傳感器和第二紅外傳感器之間，所述的 第四紅外傳感器斜向設置在第五紅外傳感器和第六紅外傳感器之間，所述的第一高速直流 伺服電機和第二高速直流伺服電機分別安裝在微微鼠殼體的左右兩邊并位于兩個車輪之 間的位置，所述的真空吸附電機設置在第一高速直流伺服電機和第二高速直流伺服電機上 方的中間位置，所述的第一磁電編碼器和第二磁電編碼器分別設置在第一高速直流伺服電 機和第二高速直流伺服電機的下方，所述的運動傳感器設置在真空吸附電機的下方，其中， 所述的第Ξ傳感器和第四傳感器斜向設置時與Υ軸之間的夾角大小為:43" <好<貨滬，還包 括控制板，所述的控制板設置在微微鼠殼體內，所述的控制板采用雙核控制器，包括ARM和 FPGA，所述的ARM與FPGA進行通信連接。2. 根據權利要求1所述的雙核Ξ軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器，其特征在于，所 述的ARM采用STM32F405控制器，所述的FPGA采用A3P250控制器。3. 根據權利要求1所述的雙核Ξ軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器，其特征在于，所 述的第一磁電編碼器和第二磁電編碼器均采用基于磁電傳感器AS5040H的編碼器。4. 根據權利要求1所述的雙核Ξ軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器，其特征在于，所 述的車輪上均設置有真空吸盤。5. 根據權利要求1所述的雙核Ξ軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器，其特征在于，所 述的雙核Ξ軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器還包括電源裝置，由所述的電源裝置單獨 提供電流驅動所述的控制板，所述的控制板分別發出第一控制信號、第二控制信號和第Ξ 控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號和第Ξ控制信號分別控制所述的第二高 速直流伺服電機、第一高速直流伺服電機和真空吸附電機的信號合成之后再控制微微鼠的 運動。6. 根據權利要求4所述的雙核Ξ軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器，其特征在于，所 述的電源裝置采用裡離子電池。7. 根據權利要求1所述的雙核Ξ軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器，其特征在于，所 述的雙核Ξ軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器還設置有上位機程序和運動控制程序，所 述的上位機程序包括迷宮探索、迷宮更新、迷宮存儲和在線輸出，所述的運動控制程序包括 基于ARM+FPGA^軸四輪微微鼠探索伺服控制、坐標定位和I/O控制。8. 根據權利要求7所述的雙核Ξ軸四輪變結構高速微微鼠探索控制器，其特征在于，所 述的基于ARM+FPGAS軸四輪微微鼠探索伺服控制還包括相互連接的基于變結構兩軸四輪 微微鼠迷宮探索伺服控制和單軸真空吸盤吸附伺服控制，所述的基于變結構兩軸四輪微微 鼠迷宮探索伺服控制包括基于變結構探索位置模塊、基于變結構探索速度模塊和基于變結 構探索加速度模塊;所述的單軸真空吸盤吸附伺服控制包括吸盤位置模塊、吸盤速度模塊 和吸盤加速度模塊。
【文檔編號】G05D1/02GK105974923SQ201610506491
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月1日
【發明人】張好明, 陳陽
【申請人】江蘇若博機器人科技有限公司