CN105302133A - 单核低速六轮微微鼠全数字导航伺服系统控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了单核低速六轮微微鼠全数字导航伺服系统控制器，包括电池、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、第四电机、第五电机、第六电机、第七电机、方向传感器、陀螺仪、加速度计、真空装置STM32F407控制器和7片MX118芯片等。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高速探索时以及冲刺时的打滑现象。

Description

单核低速六轮微微鼠全数字导航伺服系统控制器

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232串口或者是USB等接口读取存储信息。

微微鼠在迷宫中导航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实现微微鼠的导航并用来探测迷宫，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，不仅消耗了大量电池的能量，而且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导航时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一单片机伺服系统很难满足这一条件，微微鼠在直道上行驶时不能准确的行走在中线上，在高速导航时很容易撞到迷宫挡墙，导致任务失败。

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、微微鼠在迷宫导航时，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、两轮如果设计不当会造成重心前偏或重心侧偏，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。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、如果采用前驱+后驱的全时四驱，虽然导航时动态性能较好，但是全时四驱顾名思义随时随地都保持四驱状态，其耗能较高，而且导航时电机没有工作在最优状态。

12、如果采用前驱+后驱的分时四驱导航方式，无论是采用前驱或者是后驱时都具有一定的弱点，在转弯导航时角度不是过大，就是不够，转弯动态性能较差。

13、如果采用中驱+后驱的四轮驱动方式进行导航，通过释放后驱两轮采用中驱两轮转弯，虽然微微鼠转弯导航性能有所提高，电机的效率也得到一定优化，但是在高速导航时会造成重心后偏，需要软件对此进行保护。

14、无论是两轮驱动或者是四轮驱动，在高速导航遇到迷宫接缝处具有一定的高度差时，探索动态性能都会收到严重影响。

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六轮微微鼠全数字导航伺服系统控制器，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：

单核低速六轮微微鼠全数字导航伺服系统控制器，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Z、第四电机R、第五电机U、第六电机W、第七电机M、方向传感器D1、陀螺仪G1、加速度计A1、真空装置、STM32F407控制器和7片MX118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控制器电性连接MX118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、方向传感器D1、陀螺仪G1、加速度计A1均与STM32F407控制器信号连接；

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七轴伺服控制单元、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控制器控制，七轴伺服控制单元由MX118芯片控制；

所述七轴伺服控制单元包括六轴行走伺服控制单元和单轴真空抽吸附伺服控制单元，所述六轴行走伺服控制单元与真空吸附伺服控制单元信号连接，第一电机X、第二电机Y、第三电机Z、第四电机R、第五电机U和第六电机W与六轴行走伺服控制单元信号连接，所述第七电机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Z、第四电机R第五电机U和第六电机W分别与位于微微鼠两侧的六轮一一对应、其中两个电机设置在主板前端两侧、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端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控制器处理后与MX118处理器通讯进而使得MX118处理器首先控制第七电机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控制器，STM32F407控制器处理参数后与MX118芯片通讯，由MX118芯片处理第一电机X、第二电机Y、第三电机Z、第四电机R、第五电机U和第六电机W伺服控制实现六轴行走伺服控制、且MX118芯片处理第七电机M实现单轴真空抽吸附伺服控制，且MX118芯片把处理数据通讯给STM32F407控制器、由STM32F407控制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SSTM32F407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。

为了进一步提高六轮微微鼠在探索迷宫时的稳定性，由于陀螺仪G1通过积分其角速度得到微微鼠偏离中心的角度，在长期运动中会造成积分误差，本发明了为了能够精确测量微微鼠偏离中心的角度，本发明在微微鼠伺服硬件系统中加入了方向传感器D1，三轴陀螺仪G1和三轴加速度计A1，控制器舍弃了单一陀螺仪工作模式。在微微鼠行走迷宫期间全程开启方向传感器D1、陀螺仪G1和加速度计A1，方向传感器D1实时测量微微鼠偏离中心的角度，三轴陀螺仪G1准确测量微微鼠三个转动方向的角度运动，三轴加速度计用来测量微微鼠三个平移运动的加速度。方向传感器D1、陀螺仪G1和加速度计A1时刻准确记录微微鼠探索过程中的瞬时参数并输送给控制器，当微微鼠探索时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，避免了微微鼠探索时远远偏离中心位置导致撞墙现象的发生，不仅提高了其快速探索时的稳定性，也确保了其探索复杂迷宫的准确性；同时方向传感器D1也可以为微微鼠探索控制器校正阶段提供一定的帮助，在早期设置微微鼠探索姿态阀值时，由于没有方向传感器辅助，微微鼠的放置方向一旦有一定偏差，造成微微鼠稍微有点偏头，通过红外测量作为最后给定的参数阀值就一定错误，微微鼠在实际探索中即使姿态正确也要被控制器调整到错误的设定姿态，方向传感器D1的加入避免了这种不必要的失误，也为微微鼠的精确探索提供了可靠判据。

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°。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。

作为发明的进一步改进，第一电机X、第二电机Y、第三电机Z、第四电机R、第五电机U和第六电机W均为永磁直流电机，这些电机中设置在主板中部两侧的电机比这些电机中设置在其它位置的电机的功率大。根据需要启动两个电机、四个电机或六个电机从而在两驱模式、四驱模式或六驱模式间切换，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的轮子上，以提高微微鼠的行驶能力。

作为发明的进一步改进，第一电机X、第二电机Y、第三电机Z、第四电机R、第五电机U、第六电机W和第七电机M上均设有光电编码器。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。

作为发明的进一步改进，还包括与STM32F407控制器信号连接的第一电流传感器C1、第二电流传感器C2、第三电流传感器C3、第四电流传感器C4、第五电流传感器C5、第六电流传感器C6、第七电流传感器C7和电压传感器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、第四电流传感器C4、第五电流传感器C5、第六电流传感器C6和第七电流传感器C7分别与七个电机一一对应。STM32F407把外界环境转化后向MX118发送位置、速度、加速度等指令值，MX118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、第四电流传感器C4、第五电流传感器C5、第六电流传感器C6和第七电流传感器C7的反馈生成四轴伺服系统的偏差信号，以MX118为处理核心来产生七轴伺服系统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MX118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。

本发明还公开了一种单核低速六轮微微鼠全数字导航伺服系统控制器的控制方法，包括以下步骤：

系统初始化：若系统初始化结果正常则STM32F407控制器开启第五电机M、方向传感器D1、陀螺仪G1、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控制器实时检测方向传感器D1、陀螺仪G1、加速度计A1以及第一电机X、第二电机Y、第三电机Z、第四电机R、第五电机U、第六电机W、第七电机M，根据微微鼠速度对真空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使能不同数量的MX118，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Z、第四电机R、第五电机U、第六电机W，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、使微微鼠重新回到动力平衡状态；

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控制器，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MX118芯片通讯，由MX118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、第二电流传感器C2、第三电流传感器C3、第四电流传感器C4、第五电流传感器C5、第六电流传感器C6的反馈生成驱动电机的PWM波以及方向和速度——时间运动梯形图，STM32F407控制器根据外部环境要求控制MX118芯片进而控制第一电机X、第二电机Y、第三电机Z、第四电机R、第五电机U和第六电机W中的两个或四个者全部工作，PWM波经驱动桥放大后驱动两个电机或者四个电机或者六个电机使得微微鼠运动；

运动补偿控制：在微微鼠运动过程中陀螺仪G1用来测量微微鼠转弯或直线运动，加速度计A1用来测量微微鼠运动的加速度，方向传感器D1测量倾角，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Z、第四电机R、第五电机U和第六电机W中的两个或四个者全部工作对位置进行补偿，避免了微微鼠行走时偏离中心位置现象的发生；

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MX118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Z、第四电机R、第五电机U和第六电机W将原地自锁。

本发明的有益效果是：

1、在探索迷宫过程中，控制器充分考虑电池在这个系统中的作用，基于SSTM32F407控制器时刻都在对微微鼠的运行状态进行监测和运算，通过电流传感器C1~C7实时对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、为了充分提高多轮微微鼠探索控制器的稳定性和行驶能力，并兼顾两轮中置转向的优点，并保证微微鼠的重心位置有利于各种运动，本发明采用六轮驱动结构：中置驱动的功率较大，后置和前置驱动的四个个电机功率较小，只有在探索控制器需求动力较高时才启动，起到助力作用。由于采用六轮驱动技术，微微鼠前后中六个动力轮都有动力，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，提高了微微鼠探索复杂迷宫并适应复杂迷宫的能力。

3、根据需要微微鼠实现两驱、四驱和六驱的功能。在正常探索速度下，微微鼠一般会采用释放前后四轮，采用中置两轮驱动的方式；而一旦需要稍微提速，此时的加速度较小，STM32407会根据加速度大小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。而一旦需要快速提速或者是地面灰尘较多时，STM32407会根据加速度大小并立即将微微鼠需求扭矩分配给前后置四个助力驱动轮，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六轮驱动状态，不仅满足其动力需求，而且还增加了其平衡性。增强了微微鼠探索时的附着力和操控性。

4、由于采用多轮驱动的复合驱动方式，当微微鼠需要加速探索时，SSTM32F407把动力分配到四个或者是六个电机，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，重新回到四轴动力或者是六轴动力平衡状态，使得微微鼠具有更好的直线探索行走功能。

5、微微鼠探索转向时，为了保证旋转的稳定性，采用中置的两驱动轮实现转弯，并释放前后置的四个助力驱动轮，并利用方向传感器D1、陀螺仪G1、加速度计A1实时测量微微鼠的瞬时角度、角速度和加速度，为微微鼠精确转弯提供反馈。

6、多轮驱动方式下微微鼠探索系统在正常探索时如果设计不当造成重心偏移，将导致一侧驱动轮上承受的正压力减小，SSTM32F407会自动调整这一侧的动力分配，使探索系统处于一种新的平衡状态，防止微微鼠打滑。

7、由SSTM32F407处理微微鼠探索迷宫期间七只电机的独立伺服控制，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。

8、在此微微鼠探索控制器中引入了方向传感器D1、三轴陀螺仪G1和三轴加速度计A1，实现了微微鼠在迷宫探索时的瞬时加速度、速度和角度的精确检测，减少了通过积分而得到近似角度而带来的误差，并利用反馈实现全程导航和二次补偿，有利于提高微微鼠探索迷宫时的稳定性和动态性能。

9、采用四组传感器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，有利于提高控制系统的运算速度。

10、由于本控制器采用SSTM32F407处理迷宫存储和探索算法，有效地防止“跑飞”，抗干扰能力大大增强。

11、为了更好的保护电池，当系统在探索过程中遇到低压时，微微鼠上的低压报警传感器V1会自动开启，提示更换电池。

12、在微微鼠运行过程中，控制器会对高速直流电机X、电机Y、电机Z、电机R、电机U和电机W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导航的影响。

13、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探索时打滑现象的发生。

14、方向传感器D1的加入为微微鼠行走时偏离中心线提供了准确的角度，有利于微微鼠姿态的精确校正。

15、在控制中，STM32F407可以根据实际周围迷宫情况调整控制器内部的PID参数，轻松实现分段P、PD、PID控制和非线性PID控制，使导航系统具有一定的自适应能力

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。

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MX118的封装示意图。

图5为四眼六轮驱动微微鼠二维原理图。

图6为基于STM32F407微微鼠原理框图。

图7为六轮全数字微微鼠伺服控制程序框图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的说明。微微鼠前端的是靠近第一传感器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，微微鼠中部指的是微微鼠中线处，微微鼠后端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Z、第四电机R、第五电机U、第六电机W分别与X轮、Y轮、R轮、Z轮、U轮、W轮对应，U轮、X轮和Z轮位于微微鼠右侧，W轮、Y轮和R轮位于微微鼠的左侧，U轮和W轮位于微微鼠前端，X轮和Y轮位于微微鼠中部，R轮和Z轮位于微微鼠后端。第七电机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、电机U、电机W和电机M分别为第一电机X、第二电机Y、第三电机Z、第四电机R、第五电机U、第六电机和第七电机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、电流传感器C4、电流传感器C5、电流传感器C6和电流传感器C7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、第四电流传感器C4、第五电流传感器C5、第六电流传感器C6和第七电流传感器C7的简写。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。

本发明使用时，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，此时控制器首先开启真空抽吸电机M，调节微微鼠与地面的摩擦系数，然后控制器解锁微微鼠，微微鼠依靠方向传感器D1的反馈借助电机X和电机Y自动调节微微鼠运动方向与设定方向重合，微微鼠依靠前方、左右侧面蔽障红外传感器S1、S2、S5、S6根据实际导航环境传输参数给SSTM32F407，SSTM32F407然后结合光电编码器、电流传感器C1~C7、方向传感器D1、陀螺仪G1和加速度计A1的反馈生成驱动七轴直流电机的PWM波控制信号，PWM波控制信号经驱动器MX118驱动七个独立电机，实现七轴直流电机的同步伺服控制，并把电机运行状态经光电编码器、电流传感器C1~C7、方向传感器D1、陀螺仪G1和加速计A1反馈给SSTM32F407，由SSTM32F407继续处理后续的运行状态，实现微微鼠在1024个迷宫中的行走探索。为了提高运算速度，保证微微鼠驱动系统探索迷宫信息时的稳定性和可靠性，本发明首先引入了六轮驱动技术，加大了微微鼠与地面的接触面积，并利用真空吸盘技术提高了微微鼠与地面的摩擦力系数，增加了其稳定性。此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七轴伺服系统交给SSTM32F407处理，充分发挥SSTM32F407数据处理速度较快的特点，同时调整驱动芯片MX118，驱动微微鼠完成迷宫中的探索。

具体步骤如下：

1）为了能够实现分时两驱、四驱和六驱的功能，驱动六轴微微鼠进行运动，本控制系统引入了七片微型驱动器MX118，但是通过I/O口与STM32F407连接，由STM32F407通过调整MX118的电平输出控制七个独立电机的开通和关断。

2）打开电源瞬间，STM32F407会对电池电压进行检测，如果低压的话，控制器将禁止七片MX118工作，IN1和IN2均为低电平，直流电机X、电机Y、电机Z、电机R、电机U、电机W和电机M不能启动，同时电压传感器V1将工作，并发出报警信号。如果系统电压正常，控制器首先控制MX118工作开启真空抽吸电机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能力，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。然后控制器解锁微微鼠，微微鼠依靠方向传感器D1自动调节其与运动方向的夹角直至二者方向重合，彻底消除了微微鼠刚启动瞬间就出现偏头现象的发生。

3）在微电脑运动过程中，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独立的红外接收器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六轮要运行的距离、速度和加速度指令值，然后由STM32F407结合光电编码器和电流传感器C1~C7的反馈生成微微鼠速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是微微鼠电机X、电机Y、电机Z、电机R、电机U、电机W要运行的距离Y。STM32F407然后根据这个梯形图的加速度和速度距离参数生成驱动六轴直流电机的PWM波，由MX118驱动六个独立电机运动，此时控制器实时检测电机X、电机Y、电机Z、电机R、电机U和电机W的光电编码器的数值，并根据其速度大小通过第七片MX118自动调节电机M，改变真空吸盘对地面的吸附能力。

4）在微微鼠运动过程中如果控制器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、电机R、电机U和电机W将原地自锁。

5）装在电机X、电机Y、电机Z、电机R、电机U和电机W上的光电编码器会输出其位置信号A和位置信号B，光电编码器的位置信号A脉冲和B脉冲逻辑状态每变化一次，STM32F407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。

6）光电编码器的位置信号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STM32F407寄存器，记录电机的绝对位置，然后换算成微微鼠在迷宫中的具体位置，并储存当前迷宫信息。

7）六轮伺服控制器根据微微鼠在迷宫的具体位置，送相应的加速度、速度和位置数据等给STM32F407作为参考值，然后STM32F407根据外围干扰情况计算出微微鼠需要更新的实际加速度、速度和位置信号。控制器根据微微鼠实际的速度信号确定如何调整电机M的伺服控制，进而改变微微鼠在不同速度下与地面的摩擦系数，满足实际要求。

8）STM32F407根据实际外围传感信号确定电机X（或者电机Y、电机Z、电机R、电机U、电机W和电机M）正反转信号，然后通过调整IN1和IN2的电平高低来实现电机的方向控制，进而实现微微鼠电机X（或者电机Y、电机Z、电机R、电机U、电机W和电机M）的方向控制。

9）当传感器S2、S5和方向传感器D1、陀螺仪G1、加速度计A1共同作用探测到微微鼠处于正常直线匀速行驶时，STM32F407一般会禁止前后助力四轮驱动芯片MX118工作，释放微微鼠的后轮电机Z和R和前轮电机U和电机W，采用电机X和电机Y中置驱动的方式。

10）微微鼠一旦加速、减速、路面灰尘较多时，STM32F407会根据控制器功率需求计算，自动使能前后四个助力轮驱动芯片MX118工作，把微微鼠需求扭矩部分配给电机Z和电机R、电机U和电机W，微微鼠自然切换到四轮或者是六轮驱动状态，增强了微微鼠的附着力和操控性。

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能力，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，此时方向传感器D1、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、速度和偏移角度送给控制器，在新的采样周期到来后，STM32F407结合光电编码器的反馈和电流传感器C1~C7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，此时微微鼠在方向传感器D1、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，此时方向传感器D1、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、速度和偏移角度送给控制器，在新的采样周期到来后，STM32F407结合光电编码器的反馈和电流传感器C1~C7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，此时微微鼠在方向传感器D1、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，此时方向传感器D1、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、速度和偏移角度送给控制器，在新的采样周期到来后，STM32F407结合光电编码器的反馈和电流传感器C1~C7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，此时微微鼠在方向传感器D1、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，方向传感器D1、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和偏移角度并输送给控制器，控制器依靠上一个采样周期的位置信息，再结合光电编码器的反馈和电流传感器C1~C6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。

当微微鼠在方向传感器D1、陀螺仪G1和加速度计A1的控制下运动到新地址时，微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.

12）为了能够实现微微鼠在探索和冲刺时准确的坐标计算，微微鼠左右的传感器S2和S5会时刻对周围的迷宫挡墙和柱子进行探测，如果S2或者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。

13）当微微鼠转向时，为了保证旋转的稳定性，STM32F407立即使能前后四轮驱动芯片MX118，采用六轮同步伺服控制来实现转弯：在前进停车时，由STM32F407结合停车距离、停车时间、光电编码器反馈、电流传感器、方向传感器、陀螺仪和加速度计的反馈生成六路PWM信息控制直流电机X、电机Y、电机R、电机Z、电机U和电机W，完成六轴伺服系统的同步停车控制，然后控制器释放电机Z、电机R、电机U和电机W，并使能电机X和电机Y，然后微微鼠在方向传感器D1、陀螺仪G1和加速度计A1控制下原地旋转需要转弯的角度；在加速前进时，由STM32F407结合加速距离、加速时间、光电编码器反馈、电流传感器、电流传感器、方向传感器、陀螺仪和加速度计的反馈生成六路PWM信息控制直流电机X、电机Y、电机Z、电机R、电机U和电机W，完成六轴伺服系统的同步加速控制。

14）如果微微鼠在运行过程中遇到故障撞墙时，电机X、电机Y、电机Z、电机R、电机U和电机W的电流将增大，当超过设定值时，电流传感器C1~C6采集电路电压将超过设定值，STM32F407将禁止MX118工作，封锁电机X、电机Y、电机Z、电机R、电机U和电机W的控制信号，进而释放电机X、电机Y、电机Z、电机R、电机U和电机W，从而有效地解决了堵转问题。

15）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，有效地保护了锂离子电池。

16）在微微鼠运动过程中，如果系统转矩出现了脉动干扰，STM32F407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，防止转矩脉动对伺服系统性能的影响。

17)当微微鼠在陀螺仪的控制下回到坐标起点（0，0），控制器会根据微微鼠原有的状态更新其信息，如果是第一次返程探索回来，则控制器会根据已有的探测迷宫信息采用改进蚁群算法（Improvedantcolonyalgorithm）求解出最佳路径；如果是冲刺返程探索回来，则控制器会根据更新的探测迷宫信息采用改进蚁群算法（Improvedantcolonyalgorithm）二次求解出最佳路径，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SSTM32F407，SSTM32F407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.单核低速六轮微微鼠全数字导航伺服系统控制器，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（Z）、第四电机（R）、第五电机（U）、第六电机（W）、第七电机（M）、方向传感器（D1）、陀螺仪（G1）、加速度计（A1）、真空装置、STM32F407控制器和7片MX118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控制器电性连接MX118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）、方向传感器（D1）、陀螺仪（G1）、加速度计（A1）均与STM32F407控制器信号连接；

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七轴伺服控制单元、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控制器控制，七轴伺服控制单元由MX118芯片控制；

所述七轴伺服控制单元包括六轴行走伺服控制单元和单轴真空抽吸附伺服控制单元，所述六轴行走伺服控制单元与真空吸附伺服控制单元信号连接，第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（Z）、第四电机（R）、第五电机（U）和第六电机（W）与六轴行走伺服控制单元信号连接，所述第七电机（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（Z）、第四电机（R）第五电机（U）和第六电机（W）分别与位于微微鼠两侧的六轮一一对应、其中两个电机设置在主板前端两侧、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端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控制器处理后与MX118处理器通讯进而使得MX118处理器首先控制第七电机（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控制器，STM32F407控制器处理参数后与MX118芯片通讯，由MX118芯片处理第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（Z）、第四电机（R）、第五电机（U）和第六电机（W）伺服控制实现六轴行走伺服控制、且MX118芯片处理第七电机（M）实现单轴真空抽吸附伺服控制，且MX118芯片把处理数据通讯给STM32F407控制器、由STM32F407控制器继续处理后续的运行状态。

2.根据权利要求1所述的单核低速六轮微微鼠全数字导航伺服系统控制器，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所述单核低速六轮微微鼠全数字导航伺服系统控制器，其特征在于：第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（Z）、第四电机（R）第五电机（U）和第六电机（W）均为永磁直流电机，第七电机（M）为直流电机，第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（Z）、第四电机（R）第五电机（U）和第六电机（W）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所述单核低速六轮微微鼠全数字导航伺服系统控制器，其特征在于：第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（Z）、第四电机（R）第五电机（U）、第六电机（W）和第七电机（M）上的均设有光电编码器。

5.根据权利要求1所述单核低速六轮微微鼠全数字导航伺服系统控制器，其特征在于：所述主板上还设置有电压传感器（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）、第四电流传感器（C4）、第五电流传感器（C5）、第六电流传感器（C6）和第七电流传感器（C7），第一电流传感器（C1）、第二电流传感器（C2）、第三电流传感器（C3）、第四电流传感器（C4）、第五电流传感器（C5）和第六电流传感器（C6）分别与控制微微鼠的六个轮子的电机一一对应，第七电流传感器（C7）与第七电机（M）对应。

6.根据权利要求1所述单核低速六轮微微鼠全数字导航伺服系统控制器，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。

7.一种单核低速六轮微微鼠全数字导航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MX118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控制器开启第五电机（M）、方向传感器（D1）、陀螺仪（G1）、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控制器实时检测方向传感器（D1）、陀螺仪（G1）、加速度计（A1）以及第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（Z）、第四电机（R）、第五电机（U）、第六电机（W）、第七电机（M），根据微微鼠速度对真空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使能不同数量的MX118，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（Z）、第四电机（R）、第五电机（U）、第六电机（W），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、使微微鼠重新回到动力平衡状态；

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控制器，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MX118芯片通讯，由MX118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）、第二电流传感器（C2）、第三电流传感器（C3）、第四电流传感器（C4）、第五电流传感器（C5）、第六电流传感器（C6）的反馈生成驱动电机的PWM波以及方向和速度——时间运动梯形图，STM32F407控制器根据外部环境要求控制MX118芯片进而控制第一电机（X）、第二电机（Y）、第三电机（Z）、第四电机（R）、第五电机（U）和第六电机（W）中的两个或四个者全部工作，PWM波经驱动桥放大后驱动两个电机或者四个电机或者六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陀螺仪（G1）用来测量微微鼠转弯或直线运动，加速度计（A1）用来测量微微鼠运动的加速度，方向传感器（D1）测量倾角，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（Z）、第四电机（R）、第五电机（U）和第六电机（W）中的两个或四个者全部工作对位置进行补偿，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MX118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（Z）、第四电机（R）、第五电机（U）和第六电机（W）将原地自锁。