CN105116897A - 双核高速四轮微微鼠全数字导航伺服控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双核高速四轮微微鼠全数字导航伺服控制器，包括主板、电池、第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5、第四传感器S6、第一电机X、第二电机Y、第三电机R、第四电机Z、第五电机M、三轴陀螺仪G1、三轴加速度计A1、真空装置等，它们均安装在主板上。采用了这个结构后，提高了运算速度，时刻对微微鼠的运行状态进行监测和运算，利用四个传感器探测既减少了干扰又能够准确对周边环境进行准确监测，能够根据运行状态校正运动姿态、能够重新分配扭矩、把更多的扭矩分配在未失速的驱动轮上使系统迅速脱离不稳定状态且自动调节真空装置对地面的吸附能力，彻底消除了微微鼠在复杂迷宫导航时的打滑现象。

Description

双核高速四轮微微鼠全数字导航伺服控制器

技术领域

本发明涉及一种微微鼠（PICOMOUSE）的自动控制系统，属于微型迷宫机器人领域。

背景技术

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所示。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，图2中便是微电脑鼠求解的迷宫中的一种。

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---微微鼠，为了增强迷宫复杂程度以及求解迷宫的难度，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比赛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等接口读取存储信息。

微微鼠在迷宫中行走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，否则将无法完成导航任务。微微鼠迷宫导航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，并且微微鼠迷宫导航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。

微微鼠求解迷宫是国际新兴的一门技术，由于微微鼠迷宫导航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。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，在实践中发现设计出的微微鼠存在下列问题：

1、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用于微微鼠求解现有的复杂迷宫。

2、由于微微鼠的尺寸相较于微电脑鼠的尺寸大幅减少，如果微微鼠采用图1中微电脑鼠的六组传感器技术来导航微微鼠探测迷宫，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。

3、基于轮式的微微鼠只能被动的适应迷宫地面的打滑程度，随着微微鼠导航速度的提高，其打滑概率也极大增加，导致求解迷宫失败。

4、由于微电脑鼠伺服系统采用的都是比较低级的算法，如果直接将这些算法套用在微微鼠上，使得微微鼠在迷宫当中的探索和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。

5、由于迷宫挡墙尺寸的减少，使得微微鼠相较于微电脑鼠单格运行的距离减少，频繁的刹车和启动加重了单片机的工作量，采用现有技术微电脑鼠的单一的单片机技术已经无法满足快速导航时启动和停车的要求。

6、由于受单片机容量和算法影响，微微鼠对迷宫的信息没有存储，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。

7、由于受单片机容量影响，现有的微电脑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，特别是直线导航时，要求速度和加速度要追求严格的一致，否则直线导航将会失败，将现有的微电脑鼠直接用于微微鼠容易导致微微鼠出现撞墙的现象发生。

8、两轮驱动系统在加速时由于重心后移，使得前部轻飘，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、两轮如果设计不当会造成重心前偏，正常行驶时将导致驱动轮上承受的正压力减小，使得运动时更加容易打滑、也更容易走偏，导致导航失败。同时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。

10、采用两个动力轮驱动，为了满足复杂状态下的加速和减速，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，不利于微型化发展和系统能源的节省。

11、微电脑鼠采用的都是一些体积比较大的插件元器件，直接将这些用于微微鼠的设计使得微微鼠的体积和重量相对都比较大，无法满足快速探索的要求。

12、由于受周围环境不稳定因素干扰，单片机控制器经常会出现异常，引起微微鼠失控，抗干扰能力较差。

13、在运行过程中，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。

发明内容

本发明的目的是解决的借助现有的先进控制技术以及先进控制芯片提供一种双核高速四轮微微鼠全数字导航伺服控制器，解决现有技术中的诸多问题问题。

本发明采用的技术方案是：双核高速四轮微微鼠全数字导航伺服控制器，包括主板，还包括电池、第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5、第四传感器S6、第一电机X、第二电机Y、第三电机R、第四电机Z、第五电机M、三轴陀螺仪G1、三轴加速度计A1、真空装置、STM32F407处理器和FPGA芯片，它们均安装在主板上；

它还包括控制模块，所述控制模块包括上位机控制单元和运动控制单元，所述STM32F407处理器电性连接FPGA芯片，所述电池、第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5、第四传感器S6、三轴陀螺仪G1和三轴加速度计A1均与STM32F407处理器信号连接；

所述上位机控制单元包括迷宫读取单元、迷宫存储单元、在线输出单元,所述运动控制单元包括五轴伺服控制单元、坐标定位单元、I/0控制单元，其中迷宫读取单元、迷宫存储单元、在线输出单元、坐标定位单元、I/0控制单元由STM32F407处理器控制，五轴伺服控制单元由FPGA芯片控制；

所述五轴伺服控制单元包括四轴行走伺服控制单元和单轴真空抽吸附伺服控制单元，所述四轴行走伺服控制单元与真空吸附伺服控制单元信号连接，所述第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z与四轴行走伺服控制单元信号连接，所述第五电机M与真空吸附伺服控制单元信号连接；

第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6中的两个信号发射方向与车轮行进方向相同、另外两个信号发射方向与车轮行进方向间有一定夹角，第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z分别与位于微微鼠两侧的四轮一一对应、其中两个电机设置在主板中部两侧、另外两个电机设置在主板后部两侧使得微微鼠构成中驱加后驱的复合结构。

在电源打开状态下微电脑鼠先进入自锁状态，当所述微电脑鼠放在迷宫起始点时、所述STM32F407处理器处理后与FPGA处理器通讯进而使得FPGA处理器首先控制第五电机M使得真空装置开启，第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6根据实际导航环境将参数传输给STM32F407处理器，STM32F407处理器处理参数后与FPGA芯片通讯，由FPGA芯片处理第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z伺服控制实现四轴行走伺服控制单元、且FPGA芯片处理第五电机M实现单轴真空抽吸附伺服控制，且FPGA芯片把处理数据通讯给STM32F407处理器、由STM32F407处理器继续处理后续的运行状态。

由于微微鼠体积的大幅度降低，如果还是采用如图1所示微电脑鼠的结构、传感器2和3间以及传感器4和5间经常产生相互干扰，同时由于每组传感器采集迷宫挡墙参数都需要一定的时间，加重了采样周期，导致采样频率降低，延长了处理器STM32F407的处理时间。因此想到进行改进，如图4所示，传感器S1、传感器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，同时传感器S2和传感器S5合作为微微鼠直线运动提供导航依据。为了使用智能算法计算迷宫挡墙信息，在使用前可以对微微鼠进行校正，校正时微微鼠放在迷宫不同设定位置，传感器S1、传感器S2、传感器S5和传感器S6发出的信号经侧挡墙反馈后分别被传感器S1、传感器S2、传感器S5和传感器S6接收（在传感器S1、传感器S2、传感器S5和传感器S6均包括红外发射传感器OPE5594A和红外接收器TSL262的情况下，第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6的红外发射传感器OPE5594A发射出的红外光经挡墙反馈后会被对应的红外接收器TSL262接收），接收值经控制器计算后作为当前位置的设定阀值，然后微微鼠使用时在行走过程中通过与这些阀值比较得到其迷宫信息。

为了进一步提高四轮微微鼠在探索迷宫和迷宫中冲刺时的稳定性，本发明在微微鼠伺服硬件系统中加入了三轴陀螺仪G1和三轴加速度计A1，控制器舍弃了原有只在转弯时才开启陀螺仪的模式。在微微鼠行走迷宫期间全程开启陀螺仪和加速度计，三轴陀螺仪G1用来测量微微鼠三个转动方向运动，三轴加速度计用来测量微微鼠三个平移运动的加速度。控制器根据测得的加速度信号计算出微微鼠的速度和位置数据，利用陀螺仪G1短时测量准确的优势和加速度计A1长时稳定的特点，两者结合，得到即能短时稳定又能长时稳定的倾斜角度，用陀螺仪测量短时内角度变化，把加速度计传感器当作倾角传感器测量倾角，并在一个长时间范围内，迫使陀螺仪得到的倾角慢慢匹配加速度传感器得到的倾角。陀螺仪和加速度计时刻记录微微鼠的瞬时参数并输送给控制器，当微微鼠的姿态发生变化超过设定阀值时，在一个新的采样周期就立即对其位置补偿，避免了微微鼠远远偏离中心位置现象的发生，提高了其快速行走时的稳定性。

为了进一步提高微微鼠在探索迷宫时的稳定性，防止微微鼠在高速探索时打滑导致微微鼠迷宫信息错误，本发明在两轮微微鼠探索控制器的硬件系统中加入了微型直流电机M，真空装置具体的可以采用包括真空抽吸装置和位于两轮微微鼠下表面的微型真空吸盘的方式设置（当然也可以采用其他结构实现），在微微鼠运动过程中，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从而产生一定的负压，使微微鼠对地面产生一定的吸附力，并且随着微微鼠探索速度的增加，微型电机M自动会调节真空吸盘对地面的吸附力，增加对地面的摩擦系数，彻底防止微微鼠在高速探索时时因地面打滑造成的探索失败现象的再次发生。

作为本发明的进一步改进：所述第一传感器S1的传感器信号发射方向与第二传感器S2的传感器信号发射方向间的夹角大于等于75°且小于等于90°、第三传感器S5、第四传感器S6的传感器信号发射方向间的夹角大于等于75°且小于等于90°。

作为本发明的进一步改进：所述第一传感器S1的传感器信号发射方向与第二传感器S2的传感器信号发射方向间的夹角大于等于75°且小于等于90°、第三传感器S5、第四传感器S6的传感器信号发射方向间的夹角大于等于75°且小于等于90°。采用这种方式，传感器间的干扰少、测量更为准确。在夹角大于等于75°小于90°的情况下，而且传感器S2和传感器S5可以精确测量到迷宫从有挡墙到无挡墙以及无挡墙到有挡墙的变化，传感器S2和传感器S5还可以精确测量到从有挡墙到无挡墙的变化以及从无挡墙到有挡墙的变化、挡墙发生变化的位置的传感器信号变化可以被控制器捕捉到、然后可以对微微鼠进行精确补偿。而在夹角等于90°时则着重于对两侧的探测、且杜绝了传感器间的干扰，并能够进行智能补偿。总之夹角的设置对于复杂迷宫计算至关重要，如果没有智能补偿的话，微微鼠在复杂迷宫中可能会产生累计误差以使冲刺失败。

作为本发明的进一步改进：第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z均为永磁直流电机，第五电机M为直流电机，第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z中设置在主板中部的两个电机比另外两个电机的电机功率大。只有在动力需求较高时才启动后驱，起到助力作用、节约电量且能够按迷宫地面和周围环境状态不同而将需求扭矩按不同比例分布在前后所有的轮子上，以提高微微鼠的行驶能力。

作为本发明的进一步改进：第一电机X、第二电机Y、第三电机R、第四电机Z和第五电机M上的均设有光电编码器。光电编码器的能够输出A脉冲和B脉冲和Z脉冲，根据脉冲的电平记录电机的绝对位置，换算成微微鼠在迷宫中的具体位置，定位更加准确。

作为本发明的进一步改进：所述主板上还设置有与STM32F407处理器信号连接的电压感应器V1、第一电流传感器C1、第二电流传感器C2、第三电流传感器C3和第四电流传感器C4，第一电流传感器C1、第二电流传感器C2、第三电流传感器C3和第四电流传感器C4分别与控制微微鼠的四个轮子的电机一一对应。STM32F407把外界环境转化后向FPGA发送位置、速度、加速度等指令值，FPGA将指令值再结合光电编码器、第一电流传感器C1、第二电流传感器C2、第三电流传感器C3和第四电流传感器C4的反馈生成四轴伺服系统的偏差信号，以FPGA为处理核心来产生四轴伺服系统PWM波，经驱动桥放大后驱动微微鼠快速前进。采用这种方式STM32F407从复杂的工作当中解脱出来，实现部分的信号处理算法和FPGA的控制逻辑，并响应中断，实现数据通信和存储实时信号。

作为本发明的进一步改进：第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6均包括红外发射传感器OPE5594A和红外接收器TSL262。第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6均包括的红外发射传感器OPE5594A发射出的红外光经挡墙反馈后会被对应的红外接收器TSL262接收。

本发明还涉及一种双核高速四轮微微鼠全数字伺服系统控制器的控制方法，包括以下步骤：

1、系统初始化：如果系统正常工作打开电源开关瞬间，STM32F407会对电池电压进行检测，如果电池处于低压的将禁止所有FPGA芯片工作，同时电压感应器V1将工作并提示报警信号，如果电压正常，系统将检测传感器电路和时钟电路，如果传感器电路和时钟电路出现故障，系统将自动复位，重新检测，如有问题，将报警；

2、抓地控制：若系统初始化结果正常则STM32F407处理器开启第五电机M、三轴陀螺仪G1、三轴加速度计A1和真空抽吸装置使微微鼠对地面具有一定的吸附力，STM32F407处理器实时检测三轴陀螺仪G1、三轴加速度计A1以及第一电机X、第二电机Y、第三电机R、第四电机Z，根据微微鼠速度对真空抽吸装置的吸附力进行调整，在微微鼠正常直线加速行驶环境下，STM32F407使能中驱的两个直流电机，把微微鼠需求扭矩分配到第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z电机，一旦任何一个微微鼠的轮子离开地面、STM32F407重新分配扭矩、把更多的扭矩分配在未失速的驱动轮上、使微微鼠迅速脱离三轮驱动状态、重新回到四轴动力平衡状态；

3、迷宫探测控制：第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6判断周围的环境并将环境参数送给STM32F407处理器，STM32F407把这些环境参数按照四轴行走伺服控制单元速度和加速度要求转化为微微鼠要运行的距离、速度和加速度指令值并与FPGA芯片通讯，由FPGA芯片根据这些参数再结合电机的光电编码器、第一电流传感器C1、第二感应器C2、第三感应器C3和第四感应器C4的反馈生成驱动第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z的PWM波以及方向和速度——时间运动梯形图，STM32F407处理器根据外部环境要求控制FPGA芯片进而控制第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z中的两个或者全部工作，PWM波经驱动桥放大后驱动两个电机或者四个电机使得微微鼠运动；

4、运动补偿控制：在微微鼠运动过程中三轴陀螺仪G1用来测量微微鼠转弯或直线运动，三轴加速度计用来测量微微鼠运动的加速度，陀螺仪测量短时内角度变化并结合加速度计传感器测量倾角，并将陀螺仪得到的倾角匹配加速度传感器得到的倾角，当微微鼠的姿态发生变化超过设定倾角阀值时发出信号控制使得第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z对位置进行补偿，避免了微微鼠行走时偏离中心位置现象的发生；

5、死循环处理：在运动过程中如果微微鼠发现迷宫求解出现死循环将向STM32F407控制器发出中断请求，STM32F407控制器会对中断做第一时间响应然后禁止FPGA芯片工作，如果STM32F407控制器的中断响应没有来得及处理，微微鼠的第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z将原地自锁。

本发明为克服单一单片机不能满足微微鼠行走的稳定性和快速性的要求，舍弃了国产微微鼠所采用的单一单片机工作模式，在吸收国外先进控制思想的前提下，自主发明了基于STM32F407+FPGA的全新控制模式，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（192KB，F2为128KB）、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(192KB，F2为128KB)、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STM32F407CortexM4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。STM32F407在STM32F405产品基础上增加了多个先进外设。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-M4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STM32F407特别适合微微鼠四轴伺服系统的信号处理。

本发明具有的有益效果是：

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运行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电池的冲击，避免了由于大电流放电而引起的电池过度老化现象的发生。

2、采用第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6探索迷宫技术替代原有的六组传感器探索迷宫技术不仅减少了系统中各传感器组的干扰，并提高了迷宫挡墙采集频率，有利于提高系统的运算速度。

3、为了充分提高微微鼠系统的稳定性和行驶能力，并兼顾两轮中置转向的优点，本发明舍弃了传统实时四驱结构，采用中驱+后驱的复合结构：中置驱动的电机功率功率较大，后置驱动的两个个电机功率较小，只有在动力需求较高时才启动后驱，起到助力作用。由于采用四轮驱动技术，微微鼠前后轮都有动力，可按迷宫地面和周围环境状态不同而将需求扭矩按不同比例分布在前后所有的轮子上，以提高微微鼠的行驶能力。

4、根据需要实现分时四驱。在正常行驶环境下，由于需求功率不是很大，中驱的两个电机就能满足，为了节省能量，微微鼠一般会采用释放后轮，采用中置轮驱动的方式；而一旦遇到路面灰尘较多或加速状况时，STM32407会自动检测并立即将微微鼠需求扭矩分配给后置两个助力驱动轮，同时控制器改变电机M的伺服控制，微微鼠系统自然切换到四轮驱动状态，增强了微微鼠的附着力和操控性。

5、由于采用中驱+后驱的复合四轮驱动方式，当需要加速行驶时，把动力分配到四个电机，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，把更多的扭矩分配在未失速的驱动轮上，使系统迅速脱离不稳定状态，重新回到四轴动力平衡状态，使得微微鼠具有更好的直线行走功能。

6、微微鼠转向时，为了保证旋转的稳定性，采用中置的两驱动轮实现转弯，并释放后置的两助力驱动轮。

7、四轮微微鼠系统在正常行驶时如果设计不当造成重心前偏，将导致后侧驱动轮上承受的正压力减小，STM32407会自动调整后侧的动力分配，使系统处于一种新的平衡状态，防止微微鼠打滑。

8、四轮微微鼠系统在正常行驶时如果设计不当造成重心侧偏，将导致一侧驱动轮上承受的正压力减小，STM32407会自动调整这一侧的动力分配，使系统处于一种新的平衡状态，防止微微鼠打滑。

9、在微微鼠行走过程中，控制器实时对其行走速度、地面等状况进行检测，并通过调节电机M的伺服控制来有效调节真空装置对地面的吸附力，增加了微微鼠与地面的摩擦系数，彻底消除了微微鼠在行走时打滑现象的发生。

10、在此微微鼠系统引入了陀螺仪G1和加速度计A1，可以精确测量出微微鼠时候的动态参数，并实现微微鼠的速度大小和方向的独立控制，实现全程导航和二次补偿，有利于提高微微鼠的稳定性和动态性能。

11、由FPGA处理微微鼠的五只直流电机的独立伺服控制，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。

12、由于本控制器采用FPGA处理大量的数据与算法，把STM32F407从繁重的工作量中解脱出来，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强。

13、由FPGA输出PWM调制信号和方向信号，通过驱动电路可以直接五轴驱动直流电机，不仅减轻了STM32F407的负担，简化了接口电路，而且省去了STM32F407内部编写位置、速度控制程序，以及各种PID算法的麻烦，使得系统的调试简单。

14、在微微鼠运行过程中，STM32F407会对第一电机X、第二电机Y、第三电机R和第四电机Z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探索和冲刺的影响。

15、在控制算法中，STM32F4079可以根据第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6的采集值与预设值之间的偏差大小自动调整FPGA内部的PID参数，轻松实现分段P、PD、PID控制和非线性PID控制，使系统具有一定的自适应。

16、FPGA的中断命令可以很好的解决微微鼠在运行过程中遇到撞墙情况发生的电机堵转，利用中断命令可在输出超出设定值时STM32F407立即停止输出并发出中断指令，从而有效地解决了堵转问题。

17、本发明基本实现全贴片元器件材料，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，有利于提高微微鼠的稳定性和动态性能。

附图说明

图1为二轮驱动微微鼠二维图。

图2为微微鼠16*16迷宫示意图。

图3为微微鼠32*32迷宫示意图。

图4为四眼四轮驱动微微鼠二维原理图。

图5为四轮全数字微微鼠伺服控制程序框图。

图6为基于STM32F407+FPGA双核四轮微微鼠原理框图。。

图7为STM32F407与FPGA连接示意图。

图8、图9均为图7的局部放大图。

图10为微微鼠导航模式。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的说明。

为了便于解释，微微鼠中部指的是微微鼠中线处、微微鼠后部指的是远离第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6的微微鼠一侧，具体位置参照附图。微微鼠下表面指的是与设有电池、第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5、第四传感器S6等所在的面相反的面。第一电机X、第二电机Y、第三电机R、第四电机Z分别与X轮、Y轮、R轮、Z轮对应，X轮和Z轮位于微微鼠右侧、Y轮和R轮位于微微鼠的左侧，X轮和Y轮位于微微鼠中部、R轮和Z轮位于微微鼠后部。第五电机M指的是与真空装置对应的电机，电机X、电机Y、电机R、电机Z和电机M分别为第一电机X、第二电机Y和第三电机M的简写，传感器S1、传感器S2、传感器S5和传感器S6分别为第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6的简写。电流传感器C1、电流传感器C2、电流传感器C3和电流传感器C4分别为第一电流传感器C1、第二电流传感器C2、第三电流传感器C3和第四电流传感器C4简写。X轴和Y轴指的是图中3中所示的X轴和Y轴，为了方便描述，给出了具体的起点坐标和终点坐标，例如起点坐标（0，0），例如终点坐标（F，F）、（F，10）、（10，F）、（10，10），在实际应用中可能会发生改变。单墙导航模式指的时微微鼠两侧只有其中一侧有挡墙时进入的模式，单墙导航模式分为左单墙导航模式和右单墙导航模式；双墙导航模式指的时微微鼠两侧均有挡墙时进入的模式。这些定义仅为了本领域技术人员能够理解本申请内容，不应视为对保护范围或使用方法的限定。

本发明为克服单一单片机不能满足微微鼠行走的稳定性和快速性的要求，舍弃了国产微微鼠所采用的单一单片机工作模式，在吸收国外先进控制思想的前提下，自主发明了基于STM32F407+FPGA的全新控制模式，形成基于STM32F407+FPGA的全新五轴直流伺服控制器，此控制器充分考虑电池在这个系统的作用，控制板以FPGA为处理核心，以光电编码器、电流传感器为反馈元件来构成五轴直流电机同步伺服系统，来完成微微鼠五轴位置环、速度环、电流环的三闭环调节功能，从而把控制系统中工作量最大的五轴直流电机同步伺服系统（四轴微微鼠行走伺服系统+单轴真空抽吸电机伺服控制）由FPGA处理，充分发挥FPGA数据处理速度较快的特点，而人机界面、迷宫探知、迷宫存储、加速度、速度和位置数据存储、I/O控制等功能交给STM32F407完成，这样就实现了STM32F407与FPGA的分工，STM32F407从复杂的工作当中解脱出来、实现部分的信号处理算法和FPGA的控制逻辑，并响应中断，同时二者之间也可以进行通讯，实时进行数据交换和调用。

本发明使用时，先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，控制器首先开启电机M，自动调整微微鼠与地面的摩擦力系数。微微鼠依靠第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6根据实际导航环境传输参数给STM32F407，STM32F407把这些参数转化为微微鼠前后左右四轮要运行的距离、速度和加速度指令值，STM32F407然后与FPGA通讯，FPGA根据这些参数再结合光电编码器、第一电流传感器C1、第二电流传感器C2、第三电流传感器C3和第四电流传感器C4的反馈生成驱动四个独立电机的PWM控制信号，四轴驱动信号经驱动桥放大后驱动电机X、电机Y、电机Z、电机R向前运动，在运动过程中，控制器实时对微微鼠行走速度、地面等状况进行检测，并通过调节电机M的伺服控制来有效调节真空吸盘对地面的吸附力，增加了微微鼠快速行走时的稳定性，并把处理数据通讯给STM32F407，由STM32F407继续处理后续的运行状态。

参照附图，本申请具体的功能实现如下：

1）为了能够驱动四轮微微鼠进行快速运动并且能够实现程序的快速移植，本控制系统引入了FPGA（A3P250），但是通过I/O口与STM32F407进入实时通讯，由STM32F407通过中断控制其开通和关断。

2）打开电源开关瞬间，STM32F407会对电池电压进行检测，如果低压的话，将禁止FPGA工作，电机不能自锁，同时电压传感器V1将工作，并提示报警信号。

3）如果电压正常，系统将检测传感器电路和时钟电路，如果传感器电路和时钟电路出现故障，系统将自动复位，重新检测，如有问题，将报警。如果系统正常工作，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。

4）在微微鼠运动过程中，传感器S1、S2、S5、S6（四个独立的红外发射管OPE5594A发出的红外光经四个接收器TSL262接受后转化为周围迷宫的信息）判断周围的环境并送给STM32F407，STM32F407把这些环境参数转化为微微鼠前后左右四轮要运行的距离、速度和加速度指令值，STM32F407然后与FPGA通讯，传输这些参数给FPGA，然后由FPGA根据各种探索和冲刺的不同要求，再结合光电编码器、电流传感器的反馈经其内部伺服控制算法生成控制电机的PWM波以及方向和速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是微微鼠直流电机要运行的距离，然后STM32F407根据外部环境要求，决定使能其中的两轴或者是四轴，驱动微微鼠前进，控制器实时对电机速度、微微鼠行走速度、地面等状况进行检测，并通过调节电机M的伺服控制来有效调节真空吸盘对地面的吸附力，并把处理数据通讯给STM32F407，由STM32F407继续处理后续的运行状态。

5）在运动过程中如果微微鼠发现迷宫求解出现死循环将向STM32F407发出中断请求，STM32F407会对中断做第一时间响应，如果STM32F407的中断响应没有来得及处理，微微鼠的电机X、电机Y、电机Z和电机R将原地自锁。

6）装在电机X、电机Y、电机Z和电机R上的光码盘会输出其位置信号A和位置信号B，光码盘的位置信号A脉冲和B脉冲逻辑状态每变化一次，FPGA内的位置寄存器会根据左右轮的运行方向加1或者是减1。

7）光码盘的位置信号A脉冲和B脉冲和Z脉冲同时为低电平时，就产生一个INDEX信号给FPGA寄存器，记录各个电机的绝对位置，然后换算成微微鼠在迷宫中的具体位置。

8）STM32F407根据微微鼠在迷宫的具体位置，送相应的加速度、速度和位置更新指令给FPGA的梯形图发生器作为参考值，由梯形图发生器结合电机参数反馈信息，通过FPGA内部的三环数字PID控制器生成功率驱动桥需要的PWM波信号和电机正反转信号，用来实现微微鼠系统电机X、电机Y、电机Z和电机R的包括电流环、速度环和位置环的三闭环伺服控制。

9）在微微鼠正常直线匀速行驶环境下，STM32F407一般会释放后驱的两个直流电机Z和电机R，采用电机X和电机Y中置驱动的方式；而一旦遇到路面灰尘较多、加速的情况，STM32F407会自动检测并立即响应FPGA中断，把微微鼠需求扭矩部分分配给电机Z和电机R，由FPGA重新调整四轴电机的控制信号输出，微微鼠自然切换到四轮驱动状态，增强了微微鼠的附着力和操控性。

10）在微微鼠正常直线加速行驶环境下，STM32F407立即使能中驱的两个直流电机，把微微鼠需求扭矩分配到四个电机，一旦任何一个动力轮因为机械结构等原因离开地面，STM32F407可以重新分配扭矩，把更多的扭矩分配在未失速的驱动轮上，使系统迅速脱离三轮驱动状态，重新回到四轴动力平衡状态。

11)在微微鼠向前运动过程中，控制器实时通过调节电机M的伺服控制来有效调节真空吸盘对地面的吸附力，改变微微鼠与地面的摩擦系数，同时传感器S2和S5会对左右的挡墙进行判断，并记录储存当前迷宫挡墙信息。微微鼠根据前进方向左右挡墙的迷宫信息进入双墙导航模式、单墙导航模式或者惯性导航模式：当传感器S2、S5探测到左右均有挡墙时，全数字微微鼠进入双墙导航模式，此时传感器S2、S5会把探测到的迷宫信息输入到全数字伺服控制器，控制器把红外实时探测的值与预设定值相比较。当微微鼠快速行走时受到外界干扰脱离了设定中心位置时，探测值将与设定值产生较大偏差，此时陀螺仪G1和加速度计A1记录下当前微微鼠的瞬时运动加速度、速度和位置，在新的采样周期到来后，STM32F407把这个差值转化为新的三闭环伺服系统的指令给定值，然后由FPGA结合光电编码器的反馈和电流传感器C1~C4的反馈经其内部伺服控制算法实时补偿并微调电机的PWM波输入，此时微微鼠在陀螺仪G1和加速度计A1的控制下完成姿态的调整，使其重新回到设定中心位置；当传感器S2探测到左侧面有挡墙而S5探测到右侧无挡墙时，全数字微微鼠进入左墙导航模式，此时传感器S2会把探测到的迷宫信息输入到全数字伺服控制器，控制器会把实时探测的值与预设定值想比较，当微微鼠快速行走时受到外界干扰脱离了设定中心位置时，探测值将与设定值产生较大偏差，此时陀螺仪G1和加速度计A1记录下当前微微鼠的瞬时运动加速度、速度和位置，在新的采样周期到来后，STM32F407把这个差值转化为新的三闭环伺服系统的指令给定值，然后由FPGA结合光电编码器的反馈和电流传感器C1~C4的反馈经其内部伺服控制算法实时补偿并微调电机的PWM波输入，此时微微鼠在陀螺仪G1和加速度计A1的控制下完成姿态的调整，使其重新回到设定中心位置；当传感器S5探测到右侧面有挡墙而S2探测到左侧无挡墙时时，全数字微微鼠进入右墙导航模式，此时传感器S5会把探测到的迷宫信息输入到全数字伺服控制器，控制器会把实时探测的值与预设定值想比较，当微微鼠快速行走时受到外界干扰脱离了设定中心位置时，探测值将与设定值产生一定偏差，此时陀螺仪G1和加速度计A1记录下当前微微鼠的瞬时运动加速度、速度和位置，在新的采样周期到来后，STM32F407把这个差值转化为新的三闭环伺服系统的指令给定值，然后由FPGA结合光电编码器的反馈和电流传感器C1~C4的反馈经其内部伺服控制算法实时补偿并微调电机的PWM波输入，此时微微鼠在陀螺仪G1和加速度计A1的控制下完成姿态的调整，使其重新回到设定中心位置；当传感器S2、S5探测到左右均无迷宫挡墙时，全数字微微鼠进入惯性导航模式，此时传感器S2、S5无法为微微鼠伺服系统提供位置参考。一旦进入此状态，陀螺仪G1和加速度计A1就显得非常重要，它实时测量微微鼠的加速度和角速度，并输送给控制器，控制器会自动进行积分运算得到其瞬时速度，并通过二次积分获得微微鼠的瞬时位置数据，并依靠开始的位置信息，推算现有的位置信息，并把现有的三闭环伺服参数输送给FPGA，然后FPGA结合光电编码器的反馈和电流传感器C1、C2的反馈经其内部伺服位置算法实时补偿并微调电机的PWM波输入使得微微鼠顺利通过无红外导航的迷宫，直至红外传感器S2、S5开启为止。

当微微鼠在陀螺仪G1和加速度计A1的控制下运动到新地址时，处理器将更新其坐标，并判断其坐标是不是（F，F）、（F，10）、（10，F）、（10，10）其中的一个，如果不是将继续更新其坐标，如果是的话通知控制器已到达目标，然后置返航探索标志为1，微微鼠准备返程探索。

11）当微微鼠转向时，为了保证旋转的稳定性，STM32F407立即使能中驱的两个直流电机并释放后驱的两个直流电机，采用中驱的两个电机借助陀螺仪G1和加速度计A1的辅助，有FPGA实时调整电机X和电机Y的PWM控制信号，进行实时检测和补偿实现转弯。

12）如果微微鼠在运行过程中遇到故障撞墙时，电机的电流将增大，当超过设定值时，FPGA的中断命令立即封锁PWM输出，同时向STM32F407发出中断请求，此时STM32F407会立即控制FPGA停止工作，从而释放电机X、电机Y、电机Z、电机R。

13）微微鼠在运行过程会时刻检测电池电压，当系统出现低压时，传感器V1将开启并发出报警提示，有效地保护了电池。

14）在微微鼠运行过程中，STM32F407会对电机的转矩进行在线辨识，当电机的转矩受到外界干扰出现较大抖动时，FPGA会利用电机力矩与电流的关系进行时候补偿，减少了电机转矩抖动对微微鼠快速探索和冲刺的影响。

本领域技术人员应当知晓，本发明的保护方案不仅限于上述的实施例，还可以在上述实施例的基础上进行各种排列组合与变换，例如在主板上设置补偿传感器L1，微微鼠整个运动过程中，补偿传感器L1会时刻对外界干扰光源进行采集，然后传输给STM32F407，STM32F407根据补偿传感器L1传输的数据自动补偿外界干扰，减少了外界干扰光源对系统的干扰。例如电池为锂电子电池。总之在不违背本发明精神的前提下，对本发明进行的各种变换均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.双核高速四轮微微鼠全数字导航伺服控制器，包括主板，其特征在于：还包括电池、第一传感器（S1）、第二传感器（S2）、第三传感器（S5）、第四传感器（S6）、第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（R）、第四电机（Z）、第五电机（M）、三轴陀螺仪（G1）、三轴加速度计（A1）、真空装置、STM32F407处理器和FPGA芯片，它们均安装在主板上；

它还包括控制模块，所述控制模块包括上位机控制单元和运动控制单元，所述STM32F407处理器电性连接FPGA芯片，所述电池、第一传感器（S1）、第二传感器（S2）、第三传感器（S5）、第四传感器（S6）、三轴陀螺仪（G1）和三轴加速度计（A1）均与STM32F407处理器信号连接；

所述上位机控制单元包括迷宫读取单元、迷宫存储单元、在线输出单元,所述运动控制单元包括五轴伺服控制单元、坐标定位单元、I/0控制单元，其中迷宫读取单元、迷宫存储单元、在线输出单元、坐标定位单元、I/0控制单元由STM32F407处理器控制，五轴伺服控制单元由FPGA芯片控制；

所述五轴伺服控制单元包括四轴行走伺服控制单元和单轴真空抽吸附伺服控制单元，所述四轴行走伺服控制单元与真空吸附伺服控制单元信号连接，所述第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（R）和第四电机（Z）与四轴行走伺服控制单元信号连接，所述第五电机（M）与真空吸附伺服控制单元信号连接；

第一传感器（S1）、第二传感器（S2）、第三传感器（S5）和第四传感器（S6）中的两个信号发射方向与车轮行进方向相同、另外两个信号发射方向与车轮行进方向间有一定夹角，第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（R）和第四电机（Z）分别与位于微微鼠两侧的四轮一一对应、其中两个电机设置在主板中部两侧、另外两个电机设置在主板后部两侧使得微微鼠构成中驱加后驱的复合结构；

在电源打开状态下微电脑鼠先进入自锁状态，当所述微电脑鼠放在迷宫起始点时、所述STM32F407处理器处理后与FPGA处理器通讯进而使得FPGA处理器首先控制第五电机（M）使得真空装置开启，第一传感器（S1）、第二传感器（S2）、第三传感器（S5）和第四传感器（S6）根据实际导航环境将参数传输给STM32F407处理器，STM32F407处理器处理参数后与FPGA芯片通讯，由FPGA芯片处理第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（R）和第四电机（Z）伺服控制实现四轴行走伺服控制、且FPGA芯片处理第五电机（M）实现单轴真空抽吸附伺服控制，且FPGA芯片把处理数据通讯给STM32F407处理器、由STM32F407处理器继续处理后续的运行状态。

2.根据权利要求1所述的双核高速四轮微微鼠全数字导航伺服控制器，其特征在于：所述第一传感器（S1）的传感器信号发射方向与第二传感器（S2）的传感器信号发射方向间的夹角大于等于75°且小于等于90°、第三传感器（S5）、第四传感器（S6）的传感器信号发射方向间的夹角大于等于75°且小于等于90°。

3.根据权利要求1所述双核高速四轮微微鼠全数字导航伺服控制器，其特征在于：第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（R）和第四电机（Z）均为永磁直流电机，第五电机（M）为直流电机，第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（R）和第四电机（Z）中设置在主板中部的两个电机比另外两个电机的电机功率大。

4.根据权利要求1所述双核高速四轮微微鼠全数字导航伺服控制器，其特征在于：第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（R）、第四电机（Z）和第五电机（M）上的均设有光电编码器。

5.根据权利要求1所述双核高速四轮微微鼠全数字导航伺服控制器，其特征在于：所述主板上还设置有与STM32F407处理器信号连接的电压传感器（V1）、第一电流传感器（C1）、第二电流传感器（C2）、第三电流传感器（C3）和第四电流传感器（C4），第一电流传感器（C1）、第二电流传感器（C2）、第三电流传感器（C3）和第四电流传感器（C4）分别与控制微微鼠的四个轮子的电机一一对应。

6.根据权利要求1所述双核高速四轮微微鼠全数字导航伺服控制器，其特征在于：第一传感器（S1）、第二传感器（S2）、第三传感器（S5）和第四传感器（S6）均包括红外发射传感器OPE5594A和红外接收器TSL262。

7.一种双核高速四轮微微鼠全数字伺服系统控制器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1）系统初始化：如果系统正常工作打开电源开关瞬间，STM32F407会对电池电压进行检测，如果电池处于低压的将禁止所有FPGA芯片工作，同时电压感应器（V1）将工作并提示报警信号，如果电压正常，系统将检测传感器电路和时钟电路，如果传感器电路和时钟电路出现故障，系统将自动复位，重新检测，如有问题，将报警；

2）抓地控制：若系统初始化结果正常则STM32F407处理器开启第五电机（M）、三轴陀螺仪（G1）、三轴加速度计（A1）和真空抽吸装置使微微鼠对地面具有一定的吸附力，STM32F407处理器实时检测三轴陀螺仪（G1）、三轴加速度计（A1）以及第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（R）、第四电机（Z），根据微微鼠速度对真空抽吸装置的吸附力进行调整，在微微鼠正常直线加速行驶环境下，STM32F407使能中驱的两个直流电机，把微微鼠需求扭矩分配到第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（R）和第四电机（Z）电机，一旦任何一个微微鼠的轮子离开地面、STM32F407重新分配扭矩、把更多的扭矩分配在未失速的驱动轮上、使微微鼠迅速脱离三轮驱动状态、重新回到四轴动力平衡状态；

3）迷宫探测控制：第一传感器（S1）、第二传感器（S2）、第三传感器（S5）和第四传感器（S6）判断周围的环境并将环境参数送给STM32F407处理器，STM32F407把这些环境参数按照四轴行走伺服控制单元速度和加速度要求转化为微微鼠要运行的距离、速度和加速度指令值并与FPGA芯片通讯，由FPGA芯片根据这些参数再结合电机的光电编码器、第一电流传感器（C1）、第二感应器（C2）、第三感应器（C3）和第四感应器（C4）的反馈生成驱动第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（R）和第四电机（Z）的PWM波以及方向和速度——时间运动梯形图，STM32F407处理器根据外部环境要求控制FPGA芯片进而控制第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（R）和第四电机（Z）中的两个或者全部工作，PWM波经驱动桥放大后驱动两个电机或者四个电机使得微微鼠运动；

4）运动补偿控制：在微微鼠运动过程中三轴陀螺仪（G1）用来测量微微鼠转弯或直线运动，三轴加速度计用来测量微微鼠运动的加速度，陀螺仪测量短时内角度变化并结合加速度计传感器测量倾角，并将陀螺仪得到的倾角匹配加速度传感器得到的倾角，当微微鼠的姿态发生变化超过设定倾角阀值时发出信号控制使得第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（R）和第四电机（Z）对位置进行补偿，避免了微微鼠行走时偏离中心位置现象的发生；

5）死循环处理：在运动过程中如果微微鼠发现迷宫求解出现死循环将向STM32F407处理器发出中断请求，STM32F407处理器会对中断做第一时间响应然后禁止FPGA芯片工作，如果STM32F407处理器的中断响应没有来得及处理，微微鼠的第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（R）和第四电机（Z）将原地自锁。