單核低速六輪微微鼠沖刺控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微微鼠(PIC0M0USE)自動控制系統(tǒng)，屬于微型迷宮機(jī)器人領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微電腦鼠是使用嵌入式微控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動部件構(gòu)成的一種智能行走機(jī)器人，在國外已經(jīng)競賽了將近30年，其常采用兩輪結(jié)構(gòu)，兩輪微電腦鼠二維結(jié)構(gòu)如圖1所示。微電腦鼠可以在不同“迷宮”中自動記憶和選擇路徑，采用相應(yīng)的算法，快速地到達(dá)所設(shè)定的目的地，圖2中便是微電腦鼠求解的迷宮中的一種。
[0003]隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，國外專家在微電腦鼠求解迷宮的技術(shù)基礎(chǔ)之上提出了一種更具有挑戰(zhàn)性的迷宮機(jī)器人一微微鼠，為了增強(qiáng)迷宮復(fù)雜程度以及求解迷宮的難度，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(jié)構(gòu)如圖3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(dǎo)航，并求解由1024個(gè)迷宮格組成的各種復(fù)雜迷宮，能夠快速從起點(diǎn)找到一條到達(dá)設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)的最佳路徑，然后以最快的速度沖刺到終點(diǎn)。作為一種自助導(dǎo)航智能機(jī)器人，因?yàn)橥ㄟ^無線裝置可以向控制器輸入迷宮信息，微微鼠或者微電腦鼠比賽國際準(zhǔn)則拒絕使用無線裝置，為了能夠得到微微鼠或者是微電腦鼠沖刺后的信息，只能通過算法快速寄存并儲存其行走信息，當(dāng)完成任務(wù)后通過控制器的232串口或者是USB等接口讀取存儲?目息O
[0004]微微鼠在迷宮中行走過程中要時(shí)刻判斷周圍的環(huán)境，然后傳輸參數(shù)到控制器，由控制器反復(fù)控制其在迷宮方格中精確的加速和減速進(jìn)行運(yùn)動。一只優(yōu)秀的微微鼠必須具備良好的感知能力，有良好的行走能力，優(yōu)秀的智能算法，否則將無法完成沖刺任務(wù)。微微鼠沖刺迷宮技術(shù)綜合了多學(xué)科知識，對于提升在校學(xué)生的動手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生課堂知識的消化和擴(kuò)展學(xué)生的知識面都非常有幫助，并且微微鼠沖刺迷宮技術(shù)的開展可以培養(yǎng)大批相關(guān)領(lǐng)域的人才，進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
[0005]微微鼠求解迷宮是國際新興的一門技術(shù)，由于微微鼠沖刺迷宮技術(shù)的難度較高以及迷宮設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，導(dǎo)致國內(nèi)還沒有研發(fā)此機(jī)器人的單位。如果認(rèn)為微微鼠只是微電腦鼠的簡單拷貝，按照微電腦鼠技術(shù)來設(shè)計(jì)微微鼠，在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)出的微微鼠存在下列問題:
1、由于求解迷宮數(shù)目的大量增加，原有的微電腦鼠求解迷宮技術(shù)無法用于微微鼠求解現(xiàn)有的復(fù)雜迷宮，無法為高速沖刺控制器提供一條最佳沖刺路徑。
[0006]2、由于微微鼠的尺寸相較于微電腦鼠的尺寸大幅減少，如果微微鼠采用圖1中微電腦鼠的六組傳感器技術(shù)探測迷宮，經(jīng)常出現(xiàn)傳感器相互干擾的狀況，導(dǎo)致其讀取迷宮信息失敗。
[0007]3、基于輪式的微微鼠只能被動的適應(yīng)迷宮地面的打滑程度，隨著微微鼠沖刺速度的提高，其打滑概率也極大增加，導(dǎo)致沖刺迷宮失敗。
[0008]4、由于微電腦鼠伺服系統(tǒng)采用的都是比較低級的算法，如果直接將這些算法套用在微微鼠上，使得微微鼠在迷宮當(dāng)中沖刺時(shí)花費(fèi)較長的時(shí)間，不僅消耗了大量電池的能量，而且在真正的大賽中無法取勝。
[0009]5、由于迷宮擋墻尺寸的減少，使得微微鼠相較于微電腦鼠單格運(yùn)行的距離減少，微微鼠在高速沖刺過程中的頻繁剎車和啟動加重了單片機(jī)的工作量，單一的單片機(jī)無法滿足微微鼠快速沖刺啟動和停車的要求。
[0010]6、對于兩輪驅(qū)動的微微鼠來說一般要求驅(qū)動其運(yùn)動的兩個(gè)電機(jī)PffM控制信號要同步，受計(jì)算能力的限制單一單片機(jī)伺服系統(tǒng)很難滿足這一條件，微微鼠在直道上沖刺時(shí)不能準(zhǔn)確的行走在中線上，在高速行走時(shí)很容易撞到迷宮擋墻，導(dǎo)致任務(wù)失敗。
[0011]7、由于受單片機(jī)容量和算法影響，微微鼠無法存儲迷宮信息，當(dāng)遇到掉電情況時(shí)所有的信息將消失，這使得整個(gè)沖刺過程要重新開始。
[0012]8、微微鼠在迷宮沖刺時(shí)，易于受到外界干擾，由于沒有進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)償導(dǎo)致微微鼠碰撞迷宮擋墻，最終無法完成任務(wù)。
[0013]9、兩輪如果設(shè)計(jì)不當(dāng)會造成重心前偏或重心側(cè)偏，重心前偏正常沖刺時(shí)將導(dǎo)致驅(qū)動輪上承受的正壓力減小，使得運(yùn)動時(shí)更加容易打滑、也更容易走偏，導(dǎo)致導(dǎo)航失敗。重心側(cè)偏將導(dǎo)致兩個(gè)驅(qū)動輪承受的正壓力不同，在快速啟動時(shí)兩輪打滑程度不一致，瞬間就偏離軌跡，轉(zhuǎn)彎時(shí)，其中正壓力小的輪子可能打滑，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎困難。
[0014]10、采用兩個(gè)動力輪驅(qū)動，為了滿足復(fù)雜狀態(tài)下的加速和減速，使得單個(gè)驅(qū)動電機(jī)的功率較大，不僅占用的空間較大，而且有時(shí)候在一些相對需求能量較低的狀態(tài)下造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于微型化發(fā)展和系統(tǒng)能源的節(jié)省。
[0015]11、如果采用前驅(qū)+后驅(qū)的全時(shí)四驅(qū)，雖然沖刺時(shí)動態(tài)性能較好，但是全時(shí)四驅(qū)顧名思義隨時(shí)隨地都保持四驅(qū)狀態(tài)，其耗能較高，而且沖刺時(shí)電機(jī)沒有工作在最優(yōu)狀態(tài)。如果采用前驅(qū)+后驅(qū)的分時(shí)四驅(qū)沖刺方式，無論是采用前驅(qū)或者是后驅(qū)時(shí)都具有一定的弱點(diǎn)，在轉(zhuǎn)彎沖刺時(shí)角度不是過大，就是不夠，轉(zhuǎn)彎動態(tài)性能較差。如果采用中驅(qū)+后驅(qū)的四輪驅(qū)動方式進(jìn)行沖刺，通過釋放后驅(qū)兩輪采用中驅(qū)兩輪轉(zhuǎn)彎，雖然微微鼠轉(zhuǎn)彎沖刺性能有所提高，電機(jī)的效率也得到一定優(yōu)化，但是在高速沖刺時(shí)會造成重心后偏，需要軟件對此進(jìn)行保護(hù)。無論是兩輪驅(qū)動或者是四輪驅(qū)動，在高速沖刺遇到迷宮接縫處具有一定的高度差時(shí)，沖刺動態(tài)性能都會收到嚴(yán)重影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的目的是借助現(xiàn)有的先進(jìn)控制技術(shù)以及先進(jìn)控制芯片提供一種單核低速六輪微微鼠沖刺控制器，滿足初級者學(xué)習(xí)等方面的需要且解決現(xiàn)有技術(shù)中的諸多問題。
[0017]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:單核低速六輪微微鼠沖刺控制器，包括主板，還包括電池、第一傳感器S1、第二傳感器S2、第三傳感器S5、第四傳感器S6、第一電機(jī)X、第二電機(jī)Y、第三電機(jī)Z、第四電機(jī)R、第五電機(jī)U、第六電機(jī)W、第七電機(jī)M、方向傳感器Dl、陀螺儀Gl、加速度計(jì)Al、真空裝置、STM32F407控制器和7片MXl 18芯片，它們均設(shè)于主板上；
所述STM32F407處理器電性連接MXl 18芯片，所述第一傳感器S1、第二傳感器S2、第三傳感器S5、第四傳感器S6、方向傳感器D1、陀螺儀Gl和加速度計(jì)Al與STM32F407控制器信號連接；
STM32F407控制器與MX118芯片信號連接，第一傳感器S1、第二傳感器S2、第三傳感器S5和第四傳感器S6均位于主板上表面前端、其中兩個(gè)信號發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向相同、另外兩個(gè)信號發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向間有一定夾角、信號發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向間有一定夾角的兩個(gè)傳感器的探測區(qū)域與主板設(shè)有車輪的側(cè)面的延長面相交且探測區(qū)域能夠繞開發(fā)射方向與車輪行進(jìn)方向相同的傳感器所在位置；
所述第一電機(jī)X、第二電機(jī)Y、第三電機(jī)Z、第四電機(jī)R、第五電機(jī)U和第六電機(jī)W分別與兩輪微微鼠的六輪車輪一一對應(yīng)連接、其中兩個(gè)電機(jī)設(shè)置在主板前端兩側(cè)、兩個(gè)電機(jī)設(shè)置在主板中部兩側(cè)、兩個(gè)電機(jī)設(shè)置在主板后端兩側(cè)使得微微鼠構(gòu)成前驅(qū)加中驅(qū)加后驅(qū)的復(fù)合結(jié)構(gòu)；第七電機(jī)M與真空裝置連接，7片MXl 18芯片分別與第一電機(jī)X、第二電機(jī)Y、第三電機(jī)Z、第四電機(jī)R、第五電機(jī)U、第六電機(jī)W和第七電機(jī)M信號連接。
[0018]由于微微鼠體積的大幅度降低，如果還是采用如圖1所示微電腦鼠的結(jié)構(gòu)、傳感器2和3間以及傳感器4和5間經(jīng)常產(chǎn)生相互干擾，同時(shí)由于每組傳感器采集迷宮擋墻參數(shù)都需要一定的時(shí)間，加重了采樣周期，導(dǎo)致采樣頻率降低，延長了處理器STM32F407的處理時(shí)間。因此想到進(jìn)行改進(jìn)，如圖4所示，傳感器S1、傳感器S6共同作用判斷前方擋墻，傳感器S2判斷其左邊擋墻的存在，傳感器S5判斷其右邊擋墻的存在，同時(shí)傳感器S2和傳感器S5合作為微微鼠直線運(yùn)動提供導(dǎo)航依據(jù)。為了使用智能算法計(jì)算迷宮擋墻信息，在使用前可以對微微鼠進(jìn)行校正，校正時(shí)微微鼠放在迷宮不同設(shè)定位置，傳感器S1、傳感器S2、傳感器S5和傳感器S6發(fā)出的信號經(jīng)側(cè)擋墻反饋后分別被傳感器S1、傳感器S2、傳感器S5和傳感器S6接收(在傳感器S1、傳感器S2、傳感器S5和傳感器S6均包括紅外發(fā)射傳感器0PE5594A和紅外接收器TSL262的情況下，第一傳感器S1、第二傳感器S2、第三傳感器S5和第四傳感器S6的紅外發(fā)射傳感器0PE5594A發(fā)射出的紅外光經(jīng)擋墻反饋后會被對應(yīng)的紅外接收器TSL262接收)，接收值經(jīng)控制器計(jì)算后作為當(dāng)前位置的設(shè)定閥值，然后微微鼠使用時(shí)在沖刺過程中通過與這些閥值比較得到其迷宮信息。
[0019]為了進(jìn)一步提高六輪微微鼠在復(fù)雜迷宮沖刺時(shí)的穩(wěn)定性，由于陀螺儀Gl通過積分其角速度得到微微鼠偏離中心的角度，在長期運(yùn)動中會造成積分誤差，為了能夠精確測量微微鼠偏離中心的角度，本發(fā)明在微微鼠沖刺伺服控制器硬件系統(tǒng)中加入了方向傳感器D1，三軸陀螺儀Gl和三軸加速度計(jì)Al，控制器舍棄了單一陀螺儀工作模式。在微微鼠行走迷宮期間全程開啟方向傳感器Dl、陀螺儀Gl和加速度計(jì)Al，方向傳感器Dl實(shí)時(shí)測量微微鼠偏離中心的角度，三軸陀螺儀Gl準(zhǔn)確測量微微鼠三個(gè)轉(zhuǎn)動方向的角度運(yùn)動，三軸加速度計(jì)用來測量微微鼠三個(gè)平移運(yùn)動的加速度。方向傳感器D1、陀螺儀Gl和加速度計(jì)Al時(shí)刻準(zhǔn)確記錄微微鼠沖刺過程中的瞬時(shí)參數(shù)并輸送給控制器，當(dāng)微微鼠沖刺時(shí)的姿態(tài)發(fā)生變化超過設(shè)定閥值時(shí)，在一個(gè)新的采樣周期就立即對其位置補(bǔ)償，避免了微微鼠沖刺時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離中心位置導(dǎo)致撞墻現(xiàn)象的發(fā)生，不僅提高了其快速沖刺時(shí)的穩(wěn)定性，也確保了其沖刺復(fù)雜迷宮的準(zhǔn)確性；同時(shí)方向傳感器Dl也可以為微微鼠沖刺控制器校正階段提供一定的幫助，在早期設(shè)置微微