CN105137991A - 单核低速两轮微微鼠探索控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单核低速两轮微微鼠探索控制器，包括STM32F4控制器、L6207D芯片、电池、第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、陀螺仪、第一电机、第二电机、第三电机、真空装置和陀螺仪，STM32F4控制器与L6207D芯片信号连接，其中两个传感器信号发射方向与车轮行进方向相同、另外两个传感器信号发射方向与车轮行进方向间有一定夹角，陀螺仪与STM32F4控制器信号连接，三个电机中的其中两个电机分别与两轮微微鼠的两个车轮一一对应连接、另一个电机与真空装置连接。采用了这个结构后，提高了运算速度，时刻对微微鼠探寻迷宫时的运行状态进行监测和运算，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高速探索时的打滑现象。

Description

单核低速两轮微微鼠探索控制器

技术领域

本发明涉及一种微微鼠(PICOMOUSE)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RS-232串口或者是USB等接口读取存储信息。

微微鼠在迷宫中探索迷宫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。

微微鼠求解迷宫是国际新兴的一门技术，由于微微鼠探索迷宫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。

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，采用单片机技术的微微鼠已经无法满足快速启动和停车的要求。

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PWM控制信号要同步，受计算能力的限制单片机伺服系统很难满足这一条件，微微鼠在直道探索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，导致探索任务失败。

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。

8、微微鼠在迷宫探索时，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。

9、微微鼠在探索过程中，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

本发明的目的是借助现有的先进控制技术以及先进控制芯片提供一种单核低速两轮微微鼠探索控制器，满足初级者学习等方面的需要且解决现有技术中的诸多问题。

本发明采用的技术方案是：单核低速两轮微微鼠探索控制器，包括STM32F4控制器、L6207D芯片、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、陀螺仪G1、第一电机X、第二电机Y、第三电机M、真空装置和陀螺仪G1，STM32F4控制器与L6207D芯片信号连接，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均位于两轮微微鼠上表面的一侧、其中两个传感器信号发射方向与车轮行进方向相同、另外两个传感器信号发射方向与车轮行进方向间有一定夹角，所述陀螺仪G1与STM32F4控制器信号连接、当微微鼠使用时所述STM32F4控制器控制陀螺仪处于开启状态且STM32F4控制器对陀螺仪的角度数据进行监测、根据预设的直行或转弯时的角度数据与陀螺仪实际数据做出比较、实现微微鼠运动方向的校正，所述三个电机中的其中两个电机分别与两轮微微鼠的两个车轮一一对应连接、另一个电机与真空装置连接,L6207D芯片与两个车轮所对应的两个电机信号连接，与真空装置连接的电机与STM32F4控制器信号连接。

作为本发明的进一步改进，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，与两个车轮对应的两个电机为第一电机X、第二电机Y，第一电机X、第二电机Y均为永磁直流电机，驱动真空装置的电机为第三电机M且第三电机为直流电机。

作为本发明的进一步改进，所述的STM32F4控制器为STM32F407控制器，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。

本发明还公开了单核低速两轮微微鼠探索控制器的控制方法，包括以下步骤：

准备阶段：打开微微鼠电源，微微鼠进入自锁状态，设定起点坐标与终点坐标并等待探索命令；

启动阶段：把微微鼠放在迷宫起点，接受探索命令，STM32F4控制器首先开启与真空装置连接的电机、通过真空装置使得微微鼠对地面具有一定的吸附力，真空装置开启后STM32F4控制器将控制信号发送至L6207D芯片，L6207D芯片控制与两个车轮所对应的两个电机启动并将信号回馈，STM32F4控制器根据L6207D芯片的回馈数据调整与真空装置连接的电机、使得微微鼠对地面的吸附力能够适应微微鼠的速度，与两个车轮所对应的两个电机启动的同时第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6启动从而对迷宫挡墙进行探测，STM32F4控制器控制陀螺仪处于开启状态且STM32F4控制器对陀螺仪的角度数据进行监测；

探索阶段：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对迷宫周边环境进行判断并记录储存当前迷宫挡墙信息，陀螺仪记录微微鼠的运动加速度、速度和位置，STM32F4控制器根据信号储存微微鼠当前运动加速度、速度和位置并把向前运动一格的位置参数送给STM32F4，STM32F4控制器根据挡墙的状态、位置坐标和速度值调节与两个车轮所对应的两个电机、使得微微鼠直行或利用两轮间的速度差实现转弯，当微微鼠运动一格距离到达新地址时，STM32F4处理器将更新坐标，判断其坐标是不是终点，如果不是将继续更新其坐标，探索过程中STM32F4控制器根据陀螺仪的数据对微微鼠进行控制使得微微鼠直行时不跑偏、转弯时角度正确；

返航阶段：当STM32F4控制器根据信号判断出到达所设定的终点时，则设置返航标志并控制与两个车轮所对应的两个电机开始返航冲刺，返航冲刺中STM32F4控制器根据陀螺仪的数据对微微鼠速度值进行控制使得微微鼠直行时不跑偏、转弯时角度正确。

作为单核低速两轮微微鼠探索控制器的控制方法的进一步改进，探索阶段中，微微鼠向前运动时，若在任何一个方格的中心如果确定没有挡墙运动范围，则微微鼠将存储其坐标，并把向前运动一格的位置参数送给STM32F4控制器，由STM32F4控制器根据探索控制器速度和加速度要求以及光电编码器的反馈，生成速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是与两个车轮所对应的两个电机要运行的一格的距离，STM32F4控制器根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波，然后STM32F4控制器使能L6207D，调整电平并由L6207D驱动与两个车轮所对应的两个电机向前运动。

作为单核低速两轮微微鼠探索控制器的控制方法的进一步改进，探索阶段中进行智能补偿，智能补偿的步骤如下：传感器对迷宫躺枪进行检测时，如果微微鼠从有挡墙的一段移动到无挡墙的一段或从无挡墙的一段移动到挡墙的一段，传感器信号会发生数值的跃变，传感器发出信号给STM32F4控制器，STM32F4控制器根据之前存储的坐标和/或速度-时间运动梯形图和/或已行进过的路程进行处理，消除累计误差。

作为单核低速两轮微微鼠探索控制器的控制方法的进一步改进，返航阶段当微微鼠到达终点后，微微鼠会停在终点且STM32F4控制器会调出其已经存储的迷宫，然后微微鼠根据快速迷宫算法计算出可能存在的其它最佳路径，开始返程探索回到起始点。

本发明为克服单片机不能满足微微鼠求解复杂迷宫的要求，参考国产微电脑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STM32F4的两轮微微鼠全新探索控制模式。控制板以STM32F4为处理核心，实现微微鼠探索迷宫时数字信号的实时处理，并实现对两轴驱动控制芯片L6207D的使能控制，两轴驱动控制芯片L6207D用于控制两个与车轮对应的电机、STM32F4直接控制与真空装置连接的电机,快速响应中断，实现数据通信和存储实时信号。

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ARMCortexM4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STM32F407特别适合微微鼠三轴伺服系统的信号处理。

L6207D芯片采用双DMOS全桥设计，并在同一芯片上实现了隔离DMOS功率晶体管、CMOS和双极性电路技术，工作电压为8~52V，输出峰值电流为5.6A，工作频率高达100KHz，具有非耗散过流保护、热关断、欠压锁定等保护功能。在电机控制应用中，可以同时驱动两个直流电机，其常用的封装是SO24，如图4所示，L6207D上设有OUT1A、OUT2A、OUT1B、OUT2B、EnA、EnB、SENSEA和SENSEB等。6207D的23脚和14脚EnA，EnB是使能控制端，分别控制永磁直流电机X和永磁直流电机Y的停转。L6207D的1，2，11，12脚接STM32F407的输入脚，由STM32F407控制L6207D的OUT1A，OUT2A和OUT1B，OUT2B的电平，通过不同的电平组合控制电机X和电机Y的正反转。

本发明的有益效果是：

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STM32F4控制器时刻对微微鼠的运行状态进行监测和运算并且直接控制与与真空装置连接的电机，由于L6207D内部集成了电流采集电路，并时刻对与两个车轮对应的电机的电流进行采集，从根本上避免了大电流的产生，所以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。

2、由STM32F4处理微微鼠探索未知迷宫期间第一电机X、第二电机Y、第三电机M的独立伺服控制，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。

3、本发明为了减少微微鼠的体积，基本实现全贴片元器件材料，实现了单板控制，节省了控制板占用空间。

4、引入了陀螺仪，微微鼠在探索期间无论是在直线导航还是在转弯时能够精确的测量出陀螺仪相对于设定位置所旋转的角度，实现了微微鼠速度大小和方向的独立控制，有利于提高微微鼠的稳定性和动态性能。

5、由于本控制器采用STM32F4处理迷宫存储和探索算法以及用于真空装置的电机的伺服控制，较以前的ARM系列更能有效地防止程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强。

6、控制器根据微微鼠前进的速度以及地面情况自动调节用于真空装置的电机，通过调节用于真空装置的电机能够有效调节真空吸盘对地面的吸附力进而改变微微鼠与地面的摩擦系数，微微鼠从被动的适应迷宫地面转为不再受其限制，彻底消除了微微鼠在复杂迷宫高速探索时打滑现象，使其满足行走需要，也免除了控制器为了解决因地面打滑而做的各种算法。

7、为了更好的保护电池，当系统在探索过程中遇到低压时，通过L6207D限制放电电流，保证微微鼠可以完成整个探索，在探索完成回到起点时，会自动锁死在当前位置，并记录下迷宫信息，提示更换电池。

8、在微微鼠运动过程中，控制器会对第一电机X、第二电机Y、第三电机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探索迷宫的影响。

9、由于微微鼠的速度和方向独立控制，使得微微鼠更容易实现前进、倒退、左转和右转各个方向的运动。

10、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。

附图说明

图1为二轮驱动微电脑鼠二维图。

图2为微电脑鼠16*16迷宫示意图。

图3为微微鼠32*32迷宫示意图。

图4为L6207D的封装示意图。

图5为两轮微微鼠探索程序框图。

图6为四眼微微鼠二维原理图。

图7为本发明的原理框图。

图8为微微鼠前进示意图，图中最左边的图显示出双墙导航模式，右边两图均为单墙导航模式、它们分别为分别左单墙导航模式和右单墙导航模式。

图9为微微反向前进示意图，图中最左边的图显示出双墙导航模式，右边两图均为单墙导航模式、它们分别为分别左单墙导航模式和右单墙导航模式。

图10为微微鼠右转示意图。

图11为微微鼠左转示意图。

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，在下面的实施例中，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等所在微微鼠上表面相反的面。第一电机X和第二电机Y指的是与两个轮子对应的电机，第三电机M指的是与真空装置对应的电机，电机X、电机Y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。附图标记中的X轮指的是与第一电机X连接的轮子，Y轮指的是与第二电机Y连接的轮子。C1和C2均为电流传感器。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。

探索控制器的实施例：

实施例1：单核低速两轮微微鼠探索控制器，包括STM32F4控制器、L6207D芯片、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、陀螺仪G1、第一电机X、第二电机Y、第三电机M、真空装置和陀螺仪G1，STM32F4控制器与L6207D芯片信号连接，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均位于两轮微微鼠上表面的一侧、其中两个传感器信号发射方向与车轮行进方向相同、另外两个传感器信号发射方向与车轮行进方向间有一定夹角，所述陀螺仪G1与STM32F4控制器信号连接、当微微鼠使用时所述STM32F4控制器控制陀螺仪处于开启状态且STM32F4控制器对陀螺仪的角度数据进行监测、根据预设的直行或转弯时的角度数据与陀螺仪实际数据做出比较、实现微微鼠运动方向的校正，所述三个电机中的其中两个电机分别与两轮微微鼠的两个车轮一一对应连接、另一个电机与真空装置连接,L6207D芯片与两个车轮所对应的两个电机信号连接，与真空装置连接的电机与STM32F4控制器信号连接。

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。

为克服单片机不能满足微微鼠求解复杂迷宫的要求，参考国产微电脑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STM32F4的两轮微微鼠全新探索控制模式。程序框图如图5所示：控制板以STM32F4为处理核心，实现微微鼠探索迷宫时数字信号的实时处理，并实现对两轴驱动控制芯片L6207D的使能控制，快速响应中断，实现数据通信和存储实时信号。微微鼠结构如图6所示，传感器S1、传感器S6共同作用判断前方挡墙是否存在，传感器S2判断左边挡墙是否存在，传感器S5判断右边挡墙是否存在，同时传感器S2、传感器S5、陀螺仪G1配合使用，从而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，在微微鼠校正阶段，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。参见实施例4），然后传感器的接收值经STM32F4控制器计算后作为当前位置的设定阀值，实际使用时微微鼠在行走过程中通过与这些阀值比较得到其迷宫信息。

为了提高微微鼠探测迷宫的稳定性，控制器舍弃了原有只在转弯时才开启陀螺仪模式，在微微鼠探索迷宫期间全程开启陀螺仪、使得微微鼠的位置补偿得以实时实施，保证微微鼠能够准确的沿直线行走且能够准确的转弯，避免了微微鼠较大位置偏离中心位置现象的发生，提高了微微鼠快速探索迷宫时的稳定性。

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，真空装置具体的包括真空抽吸装置和位于两轮微微鼠的下部微型真空吸盘（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。

实施例2，与实施例1的区别在于：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，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、这个位置的传感器信号变化可以被控制器捕捉到，然后在此位置可以对微微鼠进行精确智能补偿。而在夹角等于90°时则着重于对两侧的探测，并进行智能补偿。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求解迷宫失败。

实施例3，与实施例1的区别在于：与两个车轮对应的两个电机为第一电机X、第二电机Y，第一电机X、第二电机Y均为永磁直流电机，驱动真空装置的电机为第三电机M且第三电机为直流电机。

实施例4，与实施例1的区别在于：所述的STM32F4控制器为STM32F407控制器，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。

STM32F407控制器增加了多个先进外设，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STM32F407控制器特别适合三轴微微鼠探索控制器的信号处理（三轴指的是第一电机X的输出轴、第二电机Y的输出轴和第三电机M的输出轴）。为了提高运算速度，保证微微鼠系统的稳定性和可靠性，基于STM32F407的控制器中引入多轴驱动集成专用芯片L6207D，形成基于STM32F407+多轴专用驱动芯片L6207D的全新控制器，这种全新的控制器充分考虑电池在这个系统的作用，把控制系统中工作量最大的三轴伺服系统交给STM32F407控制器处理，充分发挥STM32F407控制器数据处理速度较快的特点，同时与多轴驱动集成专用芯片L6207D通过使能端实时进行通讯，进行数据交换和调用。

单核低速两轮微微鼠探索控制器的控制方法的实施例：

控制方法实施例1：

准备阶段：打开微微鼠电源，微微鼠进入自锁状态，设定起点坐标与终点坐标并等待探索命令；

启动阶段：把微微鼠放在迷宫起点，接受探索命令，STM32F4控制器首先开启与真空装置连接的电机、通过真空装置使得微微鼠对地面具有一定的吸附力，真空装置开启后STM32F4控制器将控制信号发送至L6207D芯片，L6207D芯片控制与两个车轮所对应的两个电机启动并将信号回馈，STM32F4控制器根据L6207D芯片的回馈数据调整与真空装置连接的电机、使得微微鼠对地面的吸附力能够适应微微鼠的速度，与两个车轮所对应的两个电机启动的同时第一传感器S1、第二传感器S2、第三传感器S5和第四传感器S6启动从而对迷宫挡墙进行探测，STM32F4控制器控制陀螺仪处于开启状态且STM32F4控制器对陀螺仪的角度数据进行监测；

探索阶段：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对迷宫周边环境进行判断并记录储存当前迷宫挡墙信息，陀螺仪记录微微鼠的运动加速度、速度和位置，STM32F4控制器根据信号储存微微鼠当前运动加速度、速度和位置并把向前运动一格的位置参数送给STM32F4，STM32F4控制器根据挡墙的状态、位置坐标和速度值调节与两个车轮所对应的两个电机、使得微微鼠直行或利用两轮间的速度差实现转弯，当微微鼠运动一格距离到达新地址时，STM32F4处理器将更新坐标，判断其坐标是不是终点，如果不是将继续更新其坐标，探索过程中STM32F4控制器根据陀螺仪的数据对微微鼠进行控制使得微微鼠直行时不跑偏、转弯时角度正确；

返航阶段：当STM32F4控制器根据信号判断出到达所设定的终点时，则设置返航标志并控制与两个车轮所对应的两个电机开始返航冲刺，返航冲刺中STM32F4控制器根据陀螺仪的数据对微微鼠速度值进行控制使得微微鼠直行时不跑偏、转弯时角度正确。

控制方法实施例2，与控制方法实施例1区别在于：探索阶段中，微微鼠向前运动时，若在任何一个方格的中心如果确定没有挡墙运动范围，则微微鼠将存储其坐标，并把向前运动一格的位置参数送给STM32F4控制器，由STM32F4控制器根据探索控制器速度和加速度要求以及光电编码器的反馈，生成速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是与两个车轮所对应的两个电机要运行的一格的距离，STM32F4控制器根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波，然后STM32F4控制器使能L6207D，调整电平并由L6207D驱动与两个车轮所对应的两个电机向前运动。

控制方法实施例3，与控制方法实施例2区别在于：探索阶段中进行智能补偿，智能补偿的步骤如下：传感器对迷宫躺枪进行检测时，如果微微鼠从有挡墙的一段移动到无挡墙的一段或从无挡墙的一段移动到挡墙的一段，传感器信号会发生数值的跃变，传感器发出信号给STM32F4控制器，STM32F4控制器根据之前存储的坐标和/或速度-时间运动梯形图和/或已行进过的路程进行处理，消除累计误差。

控制方法实施例4，与控制方法实施例1区别在于：返航阶段当微微鼠到达终点后，微微鼠会停在终点且STM32F4控制器会调出其已经存储的迷宫，然后微微鼠根据快速迷宫算法计算出可能存在的其它最佳路径，开始返程探索回到起始点。

具体步骤如下：

1）在微微鼠未接到探索命令之前一般会在起点坐标（0，0）等待控制器发出的探索命令，一旦接到任务后，首先开启电机M、通过真空抽吸装置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，控制器对这一过程实时检测、根据地面状况及微微鼠运动速度等因素的变化、系统会自动调节电机M从而加大或减少真空吸盘对地面的吸附力。然后微微鼠会沿着起点开始向终点（F，F）、（F，10）、（10，F）或（10，10）探索。

2）微微鼠接到探索命令后其前方的传感器S1、传感器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STM32F407发出中断请求，STM32F407会对中断做第一时间响应，然后禁止控制左右轮的L6207D使能端ENA、ENB工作，封锁微微鼠的电机X和电机Y的PWM驱动信号，使其静止在原地，然后控制器二次判断迷宫确定前方信息，防止信息误判。

3）在微微鼠沿着Y轴向前运动，在任何一个方格的中心如果确定没有挡墙进入前方的运动范围，则微微鼠将存储其坐标（X,Y），并把向前运动一格的位置参数送给STM32F407，由STM32F407根据探索控制器速度和加速度要求以及光电编码器的反馈，生成速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是微微鼠电机X和电机Y要运行的一格距离。STM32F407根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波，然后STM32F407使能L6207D，并调整OUT1A、OUT1B和OUT2A、OUT2B电平，由L6207D驱动电机X和电机Y向前运动，此时控制器会实时检测电机X和电机Y的光电编码器的数值，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。

在沿着当前迷宫格向前探索过程中，传感器S2和传感器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单墙导航模式或者是双墙导航模式，然后陀螺仪记录微微鼠的运动加速度、速度和位置，当微微鼠快速探索脱离了设定中心位置时，控制器根据微微鼠离开中心位置的偏差以及导航模式，然后借助陀螺仪通过导航子程序开始进行实时补偿，微调电机的PWM波输入，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。当微微鼠在陀螺仪的控制下运动一格距离到达新地址时，控制器将更新其坐标为（X,Y+1），在Y+1<1F的前提下，判断其坐标是不是（F，F）、（F，10）、（10，F）或（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经搜索到目标，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轴向前运动过程中如果传感器S1和传感器S6判断前方有挡墙进入运动范围，并且此时传感器S2、传感器S5分别判断左右都有挡墙时，微微鼠将存储此时坐标（X,Y），根据传感器S1和传感器S6的反馈计算出向前运动停车的位置参数YS1，由STM32F407根据探索控制器速度和加速度要求生成速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是微微鼠两个马达要停车的距离Y1。STM32F407根据这个梯形图再结合光电编码器和电机电流反馈生成驱动两轴直流电机的PWM波，然后STM32F407使能L6207D，并调整OUT1A、OUT1B和OUT2A、OUT2B电平，由L6207D驱动电机X和电机Y向前运动，此时控制器会实时检测电机X和电机Y的光电编码器的数值，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。

在向前停车过程中，传感器S2、传感器S5实时对左右的挡墙进行判断，并反馈当前迷宫挡墙信息，微微鼠进入双墙导航模式，然后在陀螺仪G1的帮助下，微微鼠实现在设置停车点停车。STM32F407使能L6207D并调整微微鼠两个电机的PWM波输出，使得两个永磁直流电机运动方向相反，微微鼠原地在陀螺仪G1的控制下实现精确的原地180度转向，然后微微鼠沿着Y轴反向运动。

在微微鼠沿着Y轴反向运动过程中，控制器把向前运动一格的位置参数送给STM32F407，由STM32F407根据探索控制器速度和加速度要求以及光电编码器的反馈生成速度-时间运动梯形图。STM32F407根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波，然后STM32F407使能L6207D，并调整OUT1A、OUT1B和OUT2A、OUT2B电平，由L6207D驱动电机X和电机Y向前运动。在向前加速启动过程中，控制器首先会实时检测电机X和电机Y的光电编码器的数值，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S2和传感器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单墙模式或者是双墙导航模式，陀螺仪G1记录微微鼠的探索加速度、速度和位置信息，当微微鼠快速探索脱离了设定中心位置时，控制器根据离开中心位置的偏差借助陀螺仪开始进行实时补偿，微调电机的PWM波输入，通过此方式精确调整微微鼠的姿态，使其重新回到设定中心位置。当微微鼠在陀螺仪G1控制下运动一格距离到达新地址时，控制器将更新其坐标为（X,Y-1），在Y-1<1F的前提下，判断其坐标是不是（F，F）、（F，10）、（10，F）或（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经搜索到目标，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，并且此时左右的传感器S2、传感器S5判断左方有挡墙而右方没有挡墙或右方有挡墙而左方没有挡墙时，微微鼠将存储此时坐标（X,Y），根据传感器S1和传感器S6的反馈计算出向前运动停车的位置参数YS2，由STM32F407根据探索控制器速度和加速度要求生成速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是微微鼠两个马达要停车的距Y2或Y3。STM32F407根据这个梯形图再结合光电编码器和电机电流反馈生成驱动两轴直流电机的PWM波，然后STM32F407使能L6207D，并调整OUT1A、OUT1B和OUT2A、OUT2B电平，由L6207D驱动两个独立直流电机X和电机Y向前运动，在向前停车过程中，控制器首先会实时检测电机X和电机Y光电编码器的数值，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，防止撞到前方迷宫挡墙。然后传感器S2实时对右挡墙或左挡墙进行判断，并反馈当前迷宫挡墙信息，微微鼠进入单左墙导航模式，然后在陀螺仪G1的帮助下，微微鼠实现在迷宫中心点停车。STM32F407使能L6207D并调整微微鼠两个电机的PWM波输出，使得两个永磁直流电机运动方向相反，微微鼠由陀螺仪G1精确控制原地向右调转90度，然后沿着X轴正向运动。

在微微鼠沿着X轴正向运动过程（即右转）或沿着X轴反向运动过程（即左转）中，控制器把向前运动一格的位置参数送给STM32F407，由STM32F407根据探索控制器速度和加速度要求以及光电编码器的反馈生成速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是微微鼠电机X和电机Y要运行的一格距离。STM32F407根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波，然后STM32F407使能L6207D，并调整OUT1A、OUT1B和OUT2A、OUT2B电平，由L6207D驱动两个独立直流电机X和电机Y向前运动，在向前加速启动过程中，控制器首先会实时检测电机X和电机Y光电编码器的数值，并根据其速度大小自动调节电机M。然后传感器S2和传感器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单墙模式或者是双墙导航模式，陀螺仪G1记录微微鼠的探索加速度、速度和位置信息，当微微鼠快速探索脱离了设定中心位置时，控制器根据离开中心位置的偏差借助陀螺仪开始进行实时补偿，微调电机的PWM波输入，通过此方式精确调整微微鼠的姿态，使其重新回到设定中心位置。当微微鼠在陀螺仪G1控制下运动一格距离到达新地址时，处理器将更新其坐标为（X+1,Y）或（X-1,Y），在X+1<1F的前提下或X-1<1F的前提下，判断其坐标是不是（F，F）、（F，10）、（10，F）或（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经搜索到目标，然后置返航探索标志为1，微微鼠准备返程探索。

6）当微微鼠到达目标点（F，F）、（F，10）、（10，F）或（10，10）后，微微鼠会停在目标点，此时控制器会调出其已经存储的迷宫，然后微微鼠根据快速迷宫算法计算出可能存在的其它最佳路径，开始返程探索回到起始点。

7）在微微鼠进入迷宫正常返航探索时，其传感器S1、传感器S2、传感器S5、传感器S6将工作，并把反射回来的光信号经TSL262转化为电信号送给STM32F407，经STM32F407判断后使能L6207D驱动导航电机X和电机Y：如果进入已经搜索的区域将更改探索速度进行快速前进，如果是未知返回区域则采用正常速度搜索，控制器会实时检测电机X和电机Y光电编码器的数值，并根据其速度大小自动调节电机M加大或者减少真空吸盘对地面的吸附力，并时刻更新其坐标（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。

8）为了能够实现微微鼠在探索时准确的坐标计算，微微鼠左右的传感器S2和传感器S5会时刻对周围的迷宫挡墙和柱子进行探测，如果传感器S2或者传感器S5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，STM32F407会根据微微鼠当前运行状态精确补偿，彻底消除微微鼠在复杂迷宫中已经累计的误差。

9）在微微鼠迷宫探索过程中，控制器会对高速直流电机X和电机Y的转矩进行在线辨识，由于系统采用的是三闭环伺服控制，如果转矩出现脉动，控制器会利用直流电机力矩与电流的关系对干扰进行线性补偿，有效减少了电机转矩抖动对微微鼠快速探索时导航的影响，增加了其抗干扰能力。

10）当微微鼠完成整个探索过程回到起始点（0，0），STM32F407将控制L6207D使微微鼠中心点停车，并重新调整L6207D的OUT1A、OUT1B、OUT2A和OUT2B的电平，使得电机X和电机Y以相反的方向运动，微微鼠在陀螺仪G1的控制下，原地旋转180度，然后停车1秒。控制器开始调取迷宫信息并根据洪水填充算法（Flood-fillalgorithm）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。然后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。

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，还可以设置对电池电压进行检测的电压传感器V1，L6207D内设有电流传感器C1和电流传感器C2、在电机电流输出超出设定值时L6207D立即发出禁止使能请求，同时电流传感器把检测电流输入到SENSEA和SENSEB来对电机进行限流控制，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 (8)

1.单核低速两轮微微鼠探索控制器，其特征在于包括STM32F4控制器、L6207D芯片、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）、陀螺仪（G1）、第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（M）、真空装置和陀螺仪（G1），STM32F4控制器与L6207D芯片信号连接，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）均位于两轮微微鼠上表面的一侧、其中两个传感器信号发射方向与车轮行进方向相同、另外两个传感器信号发射方向与车轮行进方向间有一定夹角，所述陀螺仪（G1）与STM32F4控制器信号连接、当微微鼠使用时所述STM32F4控制器控制陀螺仪处于开启状态且STM32F4控制器对陀螺仪的角度数据进行监测、根据预设的直行或转弯时的角度数据与陀螺仪实际数据做出比较、实现微微鼠运动方向的校正，所述三个电机中的其中两个电机分别与两轮微微鼠的两个车轮一一对应连接、另一个电机与真空装置连接,L6207D芯片与两个车轮所对应的两个电机信号连接，与真空装置连接的电机与STM32F4控制器信号连接。

2.根据权利要求1所述单核低速两轮微微鼠探索控制器，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所述单核低速两轮微微鼠探索控制器，其特征在于与两个车轮对应的两个电机为第一电机（X）、第二电机（Y），第一电机（X）、第二电机（Y）均为永磁直流电机，驱动真空装置的电机为第三电机（M）且第三电机为直流电机。

4.根据权利要求1所述单核低速两轮微微鼠探索控制器，其特征在于所述的STM32F4控制器为STM32F407控制器，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。

5.基于权利要求1至4中单核低速两轮微微鼠探索控制器的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

准备阶段：打开微微鼠电源，微微鼠进入自锁状态，设定起点坐标与终点坐标并等待探索命令；

启动阶段：把微微鼠放在迷宫起点，接受探索命令，STM32F4控制器首先开启与真空装置连接的电机、通过真空装置使得微微鼠对地面具有一定的吸附力，真空装置开启后STM32F4控制器将控制信号发送至L6207D芯片，L6207D芯片控制与两个车轮所对应的两个电机启动并将信号回馈，STM32F4控制器根据L6207D芯片的回馈数据调整与真空装置连接的电机、使得微微鼠对地面的吸附力能够适应微微鼠的速度，与两个车轮所对应的两个电机启动的同时第一传感器（S1）、第二传感器（S2）、第三传感器（S5）和第四传感器（S6）启动从而对迷宫挡墙进行探测，STM32F4控制器控制陀螺仪处于开启状态且STM32F4控制器对陀螺仪的角度数据进行监测；

探索阶段：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）对迷宫周边环境进行判断并记录储存当前迷宫挡墙信息，陀螺仪记录微微鼠的运动加速度、速度和位置，STM32F4控制器根据信号储存微微鼠当前运动加速度、速度和位置并把向前运动一格的位置参数送给STM32F4，STM32F4控制器根据挡墙的状态、位置坐标和速度值调节与两个车轮所对应的两个电机、使得微微鼠直行或利用两轮间的速度差实现转弯，当微微鼠运动一格距离到达新地址时，STM32F4处理器将更新坐标，判断其坐标是不是终点，如果不是将继续更新其坐标，探索过程中STM32F4控制器根据陀螺仪的数据对微微鼠进行控制使得微微鼠直行时不跑偏、转弯时角度正确；

返航阶段：当STM32F4控制器根据信号判断出到达所设定的终点时，则设置返航标志并控制与两个车轮所对应的两个电机开始返航冲刺，返航冲刺中STM32F4控制器根据陀螺仪的数据对微微鼠速度值进行控制使得微微鼠直行时不跑偏、转弯时角度正确。

6.根据权利要求5所述的单核低速两轮微微鼠探索控制器的控制方法，其特征在于：

探索阶段中，微微鼠向前运动时，若在任何一个方格的中心如果确定没有挡墙运动范围，则微微鼠将存储其坐标，并把向前运动一格的位置参数送给STM32F4控制器，由STM32F4控制器根据探索控制器速度和加速度要求以及光电编码器的反馈，生成速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是与两个车轮所对应的两个电机要运行的一格的距离，STM32F4控制器根据这个梯形图生成驱动两轴直流电机的PWM波，然后STM32F4控制器使能L6207D，调整电平并由L6207D驱动与两个车轮所对应的两个电机向前运动。

7.根据权利要求6所述的单核低速两轮微微鼠探索控制器的控制方法，其特征在于：探索阶段中进行智能补偿，智能补偿的步骤如下：传感器对迷宫躺枪进行检测时，如果微微鼠从有挡墙的一段移动到无挡墙的一段或从无挡墙的一段移动到挡墙的一段，传感器信号会发生数值的跃变，传感器发出信号给STM32F4控制器，STM32F4控制器根据之前存储的坐标和/或速度-时间运动梯形图和/或已行进过的路程进行处理，消除累计误差。

8.根据权利要求5所述的单核低速两轮微微鼠探索控制器的控制方法，其特征在于：返航阶段当微微鼠到达终点后，微微鼠会停在终点且STM32F4控制器会调出其已经存储的迷宫，然后微微鼠根据快速迷宫算法计算出可能存在的其它最佳路径，开始返程探索回到起始点。