CN105911935A - 一种双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器，包括微微鼠壳体、车轮、第一红外传感器、第三红外传感器、第四红外传感器、第六红外传感器、第一高速直流伺服电机、第二高速直流伺服电机、真空吸附电机、第一磁电编码器、第二磁电编码器、运动传感器以及采样传感器，还包括控制板，所述的控制板采用双核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM与FPGA进行通信连接。通过上述方式，本发明提高了双核微微鼠全数字伺服系统的稳定性，有效防止了微微鼠在高速迷宫冲刺时的地面打滑，避免了微微鼠远远偏离中心位置现象的发生，提高了其快速冲刺时的稳定性，使得微微鼠具有更好的快速冲刺功能。

Description

一种双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器

技术领域

本发明涉及一种双核三轴四轮变结构高速微微鼠（PICOMOUSE）自动冲刺伺服控制系统，属于微型机器人领域。

背景技术

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，其常用二维结构如图1所示。为增强迷宫复杂程度以及老鼠求解迷宫的难度，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2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。

微微鼠作为一种新型的迷宫机器人技术，每年世界上有诸多国家和地区在展开这种技术的竞争，并具有不同的竞赛规则。微微鼠在整个迷宫中的行走分为两部分：探索和冲刺，相应花费的时间为探索时间TS和冲刺时间TD以及由于违规而出现的加罚时间TP，微微鼠的最终性能TIME由TS、TD和TP来决定，其中最具有代表性的是日本、美国、英国和新加坡。

日本规则如下：TIME=TD；

美国规则如下：TIME=TS/30+TD+TP，其中TP为微微鼠出现故障的加罚时间；

英国规则如下：TIME=TS/30+TD+TP，其中TP为微微鼠出现故障的加罚时间；

新加坡规则如下：TIME=TS/60+TD+TP，其中TP为微微鼠出现故障的加罚时间。

从上面的国际规则可以看出，微微鼠求解迷宫的最终目标就是快速从一点冲刺到终点，冲刺在微微鼠的整个运动中占有非常重要的位置，一旦微微鼠迷宫冲刺失败，微微鼠的整个功能也就无法实现。

微微鼠在迷宫中冲刺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运动。一只优秀的微微鼠求解迷宫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，否则将无法完成任务。如果采用现有的简易算法和结构实现微微鼠迷宫冲刺，在实践中发现：

（1）由于求解迷宫数目的大量增加，且迷宫探测设置点不在是原有的迷宫中心，而是迷宫中的任意一格，使得原有的简易微微鼠求解迷宫技术无法求解现有的复杂迷宫；

（2）由于微微鼠尺寸的大幅减少，如果微微鼠采用图1中的六组传感器技术来完成复杂迷宫中的冲刺环境探测，将加大冲刺采样周期，并导致冲刺时间较长，微微鼠最终竞争失败；

（3）一些简易微微鼠样机伺服系统采用比较低级的芯片和算法，使得微微鼠在迷宫当中的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也无法取胜；

（4）由于迷宫挡墙尺寸的减少，使得微微鼠单格冲刺运行的距离减少，微微鼠在探索过程中的频繁刹车和启动加重了单片机的工作量，单一的单片机无法满足微微鼠快速冲刺启动和停车的要求；

（5）对于两轮驱动的微微鼠来高速冲刺系统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，微微鼠在直道上高速冲刺时不能准确的行走在中线上，很容易撞到迷宫挡墙，导致任务失败；

（6）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，这使得整个冲刺过程失败，必须重新探索迷宫；

（7）微微鼠在迷宫高速冲刺时，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；

（8）两轮微微鼠系统在加速冲刺时由于重心后移，使得老鼠前部轻飘，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）两轮微微鼠系统如果设计不当造成重心前偏，将导致驱动轮上承受的正压力减小，这时微微鼠系统更加容易打滑，也更容易走偏，导致冲刺失败；

（10）两轮微微鼠系统如果设计不当造成重心侧偏将导致两个驱动轮承受的正压力不同，在快速冲刺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；

（11）由于传统的微微鼠冲刺控制系统多采用光电编码器实现老鼠的速度和位置的反馈，由于光电编码器的体积较大，使得微微鼠的体积相对较大，无法实现微微鼠的微型化发展；

（12）由于比赛场地的灰尘较大，特别是迷宫经过多次比赛后，迷宫地板上吸附的灰尘较大，使得快速冲刺的微微鼠很容易打滑，最终导致微微鼠无法完成冲刺任务；

（13）由于传统微微鼠采用的集成驱动芯片体积较大，微微鼠的体积无法微型化且重量较大，在相同功率直流伺服电机驱动下无法取得足够大的加速度，系统的快速冲刺性能较弱；

（14）基于单核控制的微微鼠全数字高速冲刺伺服系统既要处理各种光电传感器信号和冲刺迷宫信息，而且还有处理微微鼠的多轴冲刺伺服伺服控制，使得处理器的工作量较大，极大了影响了微微鼠高速冲刺时的速度和稳定性。

微微鼠迷宫冲刺技术是国际新兴的一门技术， 由于微微鼠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。本发明借助现有的先进控制技术以及先进控制芯片设计一种双核三轴四轮带真空吸附的微微鼠迷宫快速冲刺伺服控制器。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器，为克服单核控制器不能满足微微鼠高速冲刺时稳定性和快速性的要求，舍弃了国产微电脑鼠所采用的单核工作模式，在吸收国外先进控制思想的前提下，自主研发了基于ARM(STM32F405)+FPGA(A3P250)的全新双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺伺服控制器，控制板以FPGA（A3P250）为处理核心来产生三轴伺服系统PWM波，STM32F405把外界环境转化后向A3P250发送位置、速度、加速度等指令值，A3P250再结合磁电编码器的反馈生成两轴冲刺伺服控制器伺服系统的偏差信号，控制板以A3P250来处理核心来产生两轴伺服系统PWM波，经驱动桥A3906SESTR-T放大后驱动微微鼠高速冲刺前进，STM32F405从复杂的工作当中解脱出来，实现部分的信号处理算法和A3P250的响应中断，实现数据通信和存储实时信号。在微微鼠高速冲刺过程中，磁电编码器M1和M2实时反馈电机X和电机Y的速度和位移信息，A3P250根据速度要求开启电机M的伺服控制来调节微微鼠与地面的摩擦系数。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供了一种双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器，包括微微鼠壳体、车轮、第一红外传感器、第三红外传感器、第四红外传感器、第六红外传感器、第一高速直流伺服电机、第二高速直流伺服电机、真空吸附电机、第一磁电编码器、第二磁电编码器、运动传感器以及采样传感器，四个所述的车轮分别两两设置在微微鼠壳体的左右两侧边，所述的第一红外传感器和第六红外传感器分别设置在微微鼠壳体的左右两侧边并位于车轮的前端，所述的第三红外传感器和第四红外传感器分别斜向设置在第一红外传感器和第六红外传感器的内侧边，所述的第一高速直流伺服电机和第二高速直流伺服电机分别安装在微微鼠壳体的左右两边并位于两个车轮之间的位置，所述的真空吸附电机设置在第一高速直流伺服电机和第二高速直流伺服电机上方的中间位置，所述的第一磁电编码器和第二磁电编码器分别设置在第一高速直流伺服电机和第二高速直流伺服电机的下方，所述的运动传感器和采样传感器依次设置在真空吸附电机的下方，还包括控制板，所述的控制板设置在微微鼠壳体内，所述的控制板采用双核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM与FPGA进行通信连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述的第三传感器和第四传感器斜向设置时与Y轴之间的夹角大小为：。

在本发明一个较佳实施例中，所述的ARM采用STM32F405控制器，所述的FPGA采用A3P250控制器。

在本发明一个较佳实施例中，所述的第一磁电编码器和第二磁电编码器均采用基于磁电传感器AS5040H的编码器。

在本发明一个较佳实施例中，所述的车轮上均设置有真空吸盘。

在本发明一个较佳实施例中，所述的控制板分别发出第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号，由所述的第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号分别控制所述的第二高速直流伺服电机、第一高速直流伺服电机和真空吸附电机的信号合成之后再控制微微鼠的运动。

在本发明一个较佳实施例中，所述的双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器还设置有上位机程序和运动控制程序，所述的上位机程序包括路径读取、迷宫更新、迷宫存储和参数输出，所述的运动控制程序包括基于ARM+FPGA三轴四轮微微鼠冲刺伺服控制、迷宫定位和方向控制。

在本发明一个较佳实施例中，所述的基于ARM+FPGA三轴四轮微微鼠冲刺伺服控制还包括相互连接的基于变结构两轴四轮微微鼠迷宫冲刺伺服控制和单轴真空吸盘吸附伺服控制，所述的基于变结构两轴四轮微微鼠迷宫冲刺伺服控制包括基于最小传感采样系统冲刺位置模块、基于最小传感采样系统冲刺速度模块和基于最小传感采样系统冲刺加速度模块；所述的单轴真空吸盘吸附伺服控制包括吸盘位置模块、吸盘速度模块和吸盘加速度模块。

本发明的有益效果是：本发明的双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器，提高了双核微微鼠全数字伺服系统的稳定性，有效防止了微微鼠在高速迷宫冲刺时的地面打滑，避免了微微鼠远远偏离中心位置现象的发生，提高了其快速冲刺时的稳定性，增加了微微鼠与地面的接触面积，减少了两轮微微鼠由于机械结构造成的高速冲刺失速问题的发生，使得微微鼠具有更好的快速冲刺功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为二轮驱动微微鼠二维图；

图2为微微鼠32*32迷宫示意图；

图3基于A3906SESTR-T两轴双核微微鼠冲刺伺服控制系统连接示意图；

图4为双核三轴四轮变结构微微鼠二维原理图；

图5为基于双核三轴四轮变结构高速微微鼠原理框图；

图6为基于双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺程序框图；

图7为微微鼠速度曲线图；

图8为微微鼠正向直线冲刺示意图；

图9为微微鼠反向直线冲刺示意图；

图10为微微鼠右转冲刺示意图；

图11为微微鼠左转冲刺意义图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图4所示，本发明实施例包括：

一种双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器，包括微微鼠壳体、车轮、第一红外传感器S1、第三红外传感器S3、第四红外传感器S4、第六红外传感器S6、第一高速直流伺服电机Y、第二高速直流伺服电机X、真空吸附电机M、第一磁电编码器M1、第二磁电编码器M2、运动传感器G1以及采样传感器L1，四个所述的车轮分别两两设置在微微鼠壳体的左右两侧边，所述的第一红外传感器S1和第六红外传感器S6分别设置在微微鼠壳体的左右两侧边并位于车轮的前端，所述的第三红外传感器S3和第四红外传感器S4分别斜向设置在第一红外传感器S1和第六红外传感器S6的内侧边，所述的第一高速直流伺服电机Y和第二高速直流伺服电机X分别安装在微微鼠壳体的左右两边并位于两个车轮之间的位置，所述的真空吸附电机M设置在第一高速直流伺服电机Y和第二高速直流伺服电机X上方的中间位置，所述的第一磁电编码器M1和第二磁电编码器M2分别设置在第一高速直流伺服电机Y和第二高速直流伺服电机X的下方，所述的运动传感器G1和采样传感器L1依次设置在真空吸附电机M的下方。其中，所述的车轮包括X轮、Y轮、R轮和Z轮。

上述中，所述的第三传感器S1和第四传感器S4斜向设置时与Y轴之间的夹角大小为：。

本实施例中，还包括控制板，所述的控制板设置在微微鼠壳体内，所述的控制板采用双核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM与FPGA进行通信连接。其中，所述的ARM采用STM32F405控制器，所述的FPGA采用A3P250控制器。

进一步的，所述的第一磁电编码器M1和第二磁电编码器M2均采用基于磁电传感器AS5040H的编码器；所述的车轮上均设置有真空吸盘，吸附性能好。

如图5所示，所述的双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器还包括控制板，所述的控制板分别发出第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号，由所述的第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号分别控制所述的第二高速直流伺服电机、第一高速直流伺服电机和真空吸附电机的信号合成之后再控制微微鼠的运动。

上述中，所述的电源装置采用锂离子电池；所述的控制板采用STM32F405冲刺伺服控制，STM32F405冲刺伺服控制是基于STM32F405的控制器中引入多轴集成专用驱动芯片A3906SESTR-T，所述的控制板以STM32F405为处理核心。

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(192 KB，F2为128 KB)、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ARM Cortex M4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。STM32F405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，使得其可以为微微鼠多种传感器信号处理提供了可靠的依据。

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用软件化的设计思想实现硬件电路的设计，这样就使得基于FPGA设计的系统具有良好的可复用和修改性。A3P250是ACTEL公司设计的一种基于非易失性Flash技术的FPGA器件。器件采用了精细颗粒架构VersaTile，具有250K系统门结构，采用了130 nm的工艺技术，内核电压1.5 V， A3P250是反熔丝的，抗辐射、耐高低温、功耗低、速度快，应用较广，上述特点使得A3P250特别适合用于由于高性能的多轴直流伺服驱动控制，特别适合应用于本发明中的三轴同步直流伺服控制，直接把STM32F405从复杂的伺服控制中解脱出来。

本发明为了减少双核高速微微鼠冲刺伺服系统的体积，舍弃了传统的两轴直流伺服电机H型驱动桥L6207D，而采用体积更小、电压更小的两轴直流伺服电机驱动桥A3906SESTR-T，A3906SESTR-T是一种单双路直流电机驱动芯片，A3906 旨在用于低电压步进电动机、单路及双路直流电机的脉宽控制(PWM)，可在各通道输出高达 1 A 的电流，工作电压范围为 2.5 至 9 V。A3906SESTR-T内置固定关断时间 PWM 计时器，根据对芯片外围采样电阻的选择，设置峰值电流。过流输出标记用于通知控制器电机电流已经达到峰值，可用于过流保护，上述特点使得A3906SESTR-T特别适合应用于微微鼠的两轴冲刺伺服控制系统中， A3906SESTR-T与微微鼠两轴直流伺服电机的连接图如图3所示，其中冲刺PWM控制输入信号和冲刺使能信号来自于伺服控制器，控制器通过调整冲刺PWM控制输入信号来调整其冲刺PWM控制输出信号，继而实现直流伺服电机的四象限运动，满足微微鼠快速冲刺需要。

本次发明设计的全数字伺服控制器程序框图如图6，所述的双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器还设置有上位机程序和运动控制程序，所述的上位机程序包括路径读取、迷宫更新、迷宫存储和参数输出，所述的运动控制程序包括基于ARM+FPGA三轴四轮微微鼠冲刺伺服控制、迷宫定位和方向控制。

其中，所述的基于ARM+FPGA三轴四轮微微鼠冲刺伺服控制还包括相互连接的基于变结构两轴四轮微微鼠迷宫冲刺伺服控制和单轴真空吸盘吸附伺服控制，所述的基于变结构两轴四轮微微鼠迷宫冲刺伺服控制包括基于最小传感采样系统冲刺位置模块、基于最小传感采样系统冲刺速度模块和基于最小传感采样系统冲刺加速度模块；所述的单轴真空吸盘吸附伺服控制包括吸盘位置模块、吸盘速度模块和吸盘加速度模块。

为了提高双核高速微微鼠冲刺伺服系统的稳定性，增加微微鼠与地面的接触面积，减少微微鼠重心的前移、后移或者是侧移，本发明借助齿轮机械结构实现两轴四轮的功能，左右每轴电机的转轴上配备一个小的机械齿轮，此齿轮和前后两个轮子的大齿轮机械连接，其中大齿轮的齿为每周60，小齿轮的齿为每周15，通过这样的机械连接使得每个轮子都变成了动力轮。

为了进一步提高双核高速微微鼠冲刺伺服系统的稳定性，防止微微鼠在高速冲刺时由于地面灰尘较多而导致行走打滑，本发明在微微鼠冲刺伺服硬件系统中加入了微型直流电机M，在微微鼠高速冲刺过程中，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，产生一定的负压，使其对带有灰尘的迷宫地面产生一定的吸附力，有效防止了微微鼠在高速冲刺时的地面打滑。

为了进一步提高双核高速微微鼠在迷宫冲刺时的稳定性，本发明在微微鼠冲刺伺服硬件系统中加入了高性能 MEMS运动传感器LY3200ALH，LY3200ALH可以测量出微微鼠的偏航率，LY3200ALH参数时刻被STM32F405控制器记录并计算，当微微鼠在迷宫冲刺姿态发生变化超过设定阀值时，在一个新的采样周期控制器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，提高了其高速冲刺时的稳定性。

为了更好的采集迷宫信息和减少红外传感器占用的面积，本发明采用红外传感器SFH4350代替了传统使用的OPE9954A，红外传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6的红外光经侧边挡墙反馈后会被对应的红外接收器BPW85A接收，然后BPW85A的反馈值经控制器计算后作为当前位置的反馈，控制器通过这些反馈值调整微微鼠的姿态。

在实验中发现，采用四组传感器可以提高传感器的采样频率，有利于提高微微鼠的速度，但是四组传感器如果补偿做的不好将有可能导致微微鼠求解的是一个错误的迷宫；如果采用六组传感器探测未知迷宫，求解迷宫一般不会出现错误，但是过多的传感器组合影响了采样频率，不利于微微鼠速度的提高；为了兼顾不同的国际规则以及迷宫探索的准确性，本发明自主研发了基于六组传感器自由组合变结构探测迷宫的全新控制模式，所发明的三轴四轮微微鼠二维结构如图4所示，在图4中，为了更好的探测迷宫，传感器S3和S4与Y轴之间的夹角大小为：，在此区间，传感器配合工作状态最佳。对于探索无时间要求的国际规则，通过软件开启六组传感器探索模式，传感器S1、S6共同作用判断前方挡墙，传感器S2，S3判断其左边挡墙的存在，传感器S4， S5判断其右边挡墙的存在，同时S2，S3和S4，S5合作为微微鼠直线运动提供导航依据；对于探索有时间要求的国际规则，通过软件开启四组传感器模式，传感器S1、S6共同作用判断前方挡墙，传感器S3判断其左边挡墙的存在，传感器S4判断其右边挡墙的存在，同时S3和S4合作为微微鼠直线运动提供导航依据。红外传感器S1、S3、S4、S6的红外光经侧边挡墙反馈后会被对应的红外接收器BPW85A接收，然后BPW85A的反馈值经控制器计算后作为当前位置的反馈，然后控制器通过这些反馈值调整微微鼠的姿态。

为了减少光电编码器占用的体积，并减少灰尘对光电编码器的影响，本发明采用基于磁电传感器AS5040H的编码器M1、M2替代了传统的光电编码器C1和C2，此传感器可以有效测量出两轴直流伺服电机运动时的速度和位移，为微微鼠高速冲刺三闭环伺服控制提供了可靠依据。

本发明为克服单核控制器不能满足微微鼠高速冲刺时稳定性和快速性的要求，舍弃了国产微电脑鼠所采用的单核工作模式，在吸收国外先进控制思想的前提下，自主研发了基于ARM(STM32F405)+FPGA(A3P250)的全新双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺伺服控制器。其原理如图5所示：控制板以FPGA（A3P250）为处理核心来产生三轴伺服系统PWM波，STM32F405把外界环境转化后向A3P250发送位置、速度、加速度等指令值，A3P250再结合磁电编码器的反馈生成两轴冲刺伺服控制器伺服系统的偏差信号，控制板以A3P250来处理核心来产生两轴伺服系统PWM波，经驱动桥A3906SESTR-T放大后驱动微微鼠高速冲刺前进。STM32F405从复杂的工作当中解脱出来，实现部分的信号处理算法和A3P250的响应中断，实现数据通信和存储实时信号。在微微鼠高速冲刺过程中，磁电编码器M1和M2实时反馈电机X和电机Y的速度和位移信息，A3P250根据速度要求开启电机M的伺服控制来调节微微鼠与地面的摩擦系数。

为达上述目的，本发明采取以下技术方案， 为了提高运算速度，保证三轴四轮变结构高速微微鼠伺服系统冲刺时的稳定性和可靠性，本发明在基于ARM(STM32F405)的控制器中引入FPGA(A3P250)，形成基于ARM(STM32F405)+FPGA(A3P250)的全新双核控制器，此控制器把控制系统中工作量最大的三轴直流电机同步伺服系统交给FPGA(A3P250)处理，充分发挥FPGA(A3P250)数据处理速度较快的特点，而迷宫读取和更新、在线输出、数据存储、I/O控制等功能交给ARM(STM32F405)完成，这样就实现了ARM(STM32F405)与FPGA(A3P250)的分工，同时二者之间也可以进行通讯，实时进行数据交换和调用。

对于本文设计的双核控制器，在电源打开状态下，微微鼠先进入自锁状态，STM32F405自动调取存储的迷宫信息并计算出冲刺路径。控制器然后开启真空抽吸电机M，通过增加微微鼠与地面的吸附力调整其与地面的摩擦系数。微微鼠依靠前方、左右侧面红外蔽障传感器S1、S3、S4、S6探测迷宫信息，STM32F405根据四个红外接收传感器BPW85A反馈实际导航环境，STM32F405处理后与A3P250通讯，A3P250再结合磁电传感器M1、M2的反馈生成两路PWM波，然后A3P250调整A3906SESTR-T的输入信号，驱动信号经驱动桥A3906SESTR-T放大后驱动两个伺服电机X和Y前进，实现微微鼠高速冲刺的伺服控制；在冲刺过程中磁电传感器M1、M2实时反馈电机的速度和位移信号给STM32F405，由STM32F405继续处理后与A3P250通讯，二次调整后续的运行状态。

参照图6，具体实施步骤是：

把微微鼠冲刺伺服控制系统分为两部分：上位机系统和运动控制系统。其中上位机系统完成迷宫读取和优化、坐标定位、在线输出等功能；运动控制系统完成微微鼠三轴伺服系统冲刺时的伺服控制、数据存储、I/O控制等功能，其中工作量最大的三轴伺服系统交给FPGA处理，其余的包括路径读取、迷宫更新、迷宫存储和数据输出等交给STM32F405完成，这样就实现了STM32F405与FPGA的分工，同时二者之间也可以进行通讯，实时进行数据交换和调用。

参照图4、图5、图6，图7、图8、图9、图10和图11，其具体的功能实现如下：

1）在微微鼠未接到冲刺命令之前，开电后控制器会检测一下电池电源，如果低压将报警提示充电；如果电压正常一般会在起点坐标（0，0）等待控制器发出的冲刺命令，并调出已经探索后的最优迷宫；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，增加微微鼠冲刺时与地面的摩擦系数；一旦接到冲刺命令后，微微鼠会沿着最佳路径从起点开始快速冲向终点（X1，Y1）；

2）微微鼠放在起点坐标（0，0），接到任务后为了防止放错冲刺方向，其前方的传感器S1、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STM32F405发出中断请求，STM32F405会对中断做第一时间响应，然后禁止A3P250工作，A3P250调整A3906SESTR-T的输入信号，驱动信号被封锁，微微鼠的电机X、电机Y无法启动，微微鼠静止在原地，然后STM32F405二次判断迷宫确定前方信息，防止信息误判；如果没有挡墙进入前方的运动范围，微微鼠将开启复位电路，调取正常的迷宫信息，准备进行正常的冲刺；

3）在微微鼠启动冲刺瞬间，传感器S1、S2、S5、S6（四个独立的红外发射管SFH4350发出的红外光经接收器BPW85A接受后转化为周围迷宫的信息）判断周围的环境并送给STM32F405，然后由STM32F405根据冲刺迷宫信息生成速度-时间运动梯形图的指令给定值，这个梯形包含的面积就是微微鼠两个电机X、电机Y要运行的距离；然后STM32F405使能A3P250，由A3P250根据这些参数再结合磁电编码器的反馈生成驱动两轴直流电机的PWM波；PWM波经驱动桥A3906SESTR-T后驱动两个独立电机X和Y，完成整个加速过程直到达到冲刺设定速度，A3P250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，增加微微鼠高速冲刺时与地面的摩擦系数，防止微微鼠高速冲刺打滑；

4）在微微鼠沿着Y轴向前运动，迷宫冲刺信息显示当前有Z格距离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Z格的位置参数传输给STM32F405，根据冲刺控制器速度和加速度的要求，由STM32F405内部三闭环伺服系统程序生成两轴直流伺服电机X和Y的运动指令给定值，然后STM32F405与A3P250通讯并传输数据，A3P250再结合磁电编码器的反馈生成驱动直流伺服电机X和Y运动的PWM波，A3P250与A3906SESTR-T通讯并调整A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后推动微微鼠向前运动；在微微鼠向前运动过程中，磁电传感器M1和M2时刻反馈电机X和电机Y运行的速度和位移，并传输给A3P250；在微微鼠沿着当前迷宫格向前冲刺过程中，A3P250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，传感器S3和S4会对左右的迷宫挡墙进行判断，STM32F405记录储存当前迷宫挡墙信息，微微鼠根据左右挡墙的迷宫信息确定其进入单墙导航模式、双墙导航模式或者是惯性导航模式；然后传感器G1(LY3200ALH)实时检测微微鼠冲刺时的瞬时旋转速度，当微微鼠快速冲刺脱离了设定中心位置时，A3P250根据离开中心位置的偏差大小借助传感器G1(LY3200ALH)开始进行实时补偿，微调电机的PWM波输入，A3P250与A3906SESTR-T通讯并微调A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后推动微微鼠向前运动，通过此方式可以精确调整微微鼠在直道高速冲刺的位置和姿态，使其重新回到设定中心位置；如果在高速冲刺运动过程中，微微鼠出现驱动轮失速或者是灰尘较多的状况时，A3P250立刻二次调节电机M的伺服控制来有效调节真空吸盘对地面的吸附力， STM32F405把剩余的距离转化为新的参考指令值传输给A3P250，A3P250根据这些参数再结合磁电编码器的反馈生成驱动电机X、电机Y新PWM驱动信号，A3P250与A3906SESTR-T通讯并微调A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后推动微微鼠向前运动，微微鼠在三轴四轮驱动状态下依旧按照原有的导航模式前进；当微微鼠在双核控制器控制下运动Z格距离到达新地址时，将更新其坐标为（X,Y+Z），在Y+Z<1F的前提下，判断其坐标是不是（X1，Y1），如果不是将继续更新其坐标，如果是则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轴反向向前运动，迷宫冲刺信息显示当前有Z格距离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Z格的位置参数传输给STM32F405，根据冲刺控制器速度和加速度的要求，由STM32F405内部三闭环伺服系统程序生成两轴直流伺服电机X和Y的运动指令给定值，然后STM32F405与A3P250通讯并传输数据，A3P250再结合磁电编码器的反馈生成驱动直流伺服电机X和Y运动的PWM波，A3P250与A3906SESTR-T通讯并调整A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后推动微微鼠向前运动；在微微鼠向前运动过程中，磁电传感器M1和M2时刻反馈电机X和电机Y运行的速度和位移，并传输给A3P250；在微微鼠沿着当前迷宫格向前冲刺过程中，A3P250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，传感器S2、S3和S4、S5会对左右的迷宫挡墙进行判断，并记录储存当前迷宫挡墙信息，微微鼠根据左右挡墙的迷宫信息确定其进入单墙导航模式、双墙导航模式或者是惯性导航模式；然后传感器G1(LY3200ALH)实时检测微微鼠冲刺时的瞬时旋转速度，当微微鼠快速冲刺脱离了设定中心位置时，A3P250根据离开中心位置的偏差大小借助传感器G1(LY3200ALH)开始进行实时补偿，微调电机的PWM波输入，A3P250与A3906SESTR-T通讯并微调A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后推动微微鼠向前运动，通过此方式可以精确调整微微鼠在直道的位置和姿态，使其重新回到设定中心位置；如果在高速冲刺运动过程中，微微鼠出现驱动轮失速或者是灰尘较多的状况时，A3P250立刻二次调节电机M的伺服控制来有效调节真空吸盘对地面的吸附力， STM32F405把剩余的距离转化为新的参考指令值传输给A3P250，A3P250根据这些参数再结合磁电编码器的反馈生成驱动电机X、电机Y新PWM驱动信号，A3P250与A3906SESTR-T通讯并微调A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后推动微微鼠向前运动，微微鼠在三轴四轮驱动状态下依旧按照原有的导航模式前进；当微微鼠在双核控制器控制下运动Z格距离到达新地址时，将更新其坐标为（X,Y-Z），在0<Y-Z<1F的前提下，判断其坐标是不是（X1，Y1），如果不是将继续更新其坐标，如果是则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）在微微鼠沿着Y轴向前运动过程中如果有迷宫挡墙进入前方的运动范围，并且此时迷宫信息中左方有挡墙而右方无挡墙时时，微微鼠将存储此时坐标（X,Y），然后进入图10所示的曲线运动轨迹：为了使转弯更加平稳，系统采用三段法来实现转弯：冲刺前校正距离R90_Leading，弧度转弯ARC，冲刺后校正距离R90_Passing；

在右冲刺转弯时，STM32F405首先把行走直线很短的距离 R90_Leading按照各种冲刺条件不同的要求转化为速度参数以及加速度参数然后与A3P250通讯，并把此设定指令值传输给A3P250，A3P250根据这些参数再结合磁电编码器M1和M2的反馈生成驱动前后左右轮的PWM波形和方向，然后A3P250调整A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后控制电机X、电机Y向前快速运动；在微微鼠沿着当前迷宫格向前冲刺过程中，A3P250实时根据外围传感器通过调节电机M的伺服控制来有效调节真空吸盘对地面的吸附能力，传感器S3会对左挡墙进行判断，并记录储存当前迷宫挡墙信息，微微鼠根据前进方向左挡墙的迷宫信息进入单墙导航模式；传感器G1(LY3200ALH)实时检测微微鼠冲刺时的瞬时旋转速度，当微微鼠快速冲刺脱离了设定中心位置时，A3P250根据离开中心位置的偏差大小借助传感器G1(LY3200ALH)开始进行实时补偿，微调电机的PWM波输入，A3P250与A3906SESTR-T通讯并微调A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后推动微微鼠向前运动，通过此方式可以精确调整微微鼠高速冲刺时在直道的位置和姿态，使其重新回到设定中心位置；当到达既定目标时，传感器参考值R90_FrontWallRef开始工作，防止外界干扰开始做误差补偿；

STM32F405首先把弧度ARC按照各种冲刺条件不同的要求转化为速度参数以及加速度参数传输给A3P250，A3P250再结合磁电编码器M1和M2的反馈生成驱动直流电机运动的PWM波和方向，A3P250调整A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后控制电机X、电机Y完成转弯运动；在微微鼠沿着当前迷宫格转向冲刺过程中，A3P250实时根据外围传感器通过调节电机M的伺服控制来有效调节真空吸盘对地面的吸附能力；在微微鼠转弯冲刺过程中，传感器S1、S2、S5、S6关闭，系统进入基于传感器G1(LY3200ALH)的惯性导航模式；在微微鼠快速冲刺过程中传感器G1(LY3200ALH)实时记录转弯的角速度，M1和M2记录电机的速度和位置信息，并经STM32F405处理后与A3P250通讯，当微微鼠快速冲刺脱离了设定位置时，在新的采样周期内，A3P250按照偏差大小微调电机的PWM波输入，A3P250微调A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后控制电机X、电机Y完成转弯补偿运动，使系统完成弧度ARC1的运动轨迹；

当到达既定目标后，系统开启传感器S3，STM32F405首先把行走直线很短的距离R90_passing按照各种冲刺条件不同的要求转化为速度参数以及加速度参数然后与A3P250通讯，并把此设定指令值传输给A3P250，A3P250根据这些参数再结合磁电编码器M1和M2的反馈生成驱动前后左右轮的PWM波形和方向，然后A3P250调整A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后控制电机X、电机Y向前快速运动；在微微鼠沿着当前迷宫格向前冲刺过程中，A3P250实时根据E外围传感器通过调节电机M的伺服控制来有效调节真空吸盘对地面的吸附能力，传感器S3会对左挡墙进行判断，并记录储存当前迷宫挡墙信息，微微鼠根据前进方向左挡墙的迷宫信息进入单墙导航模式；传感器G1(LY3200ALH)实时检测微微鼠冲刺时的瞬时旋转速度，当微微鼠快速冲刺脱离了设定中心位置时，A3P250根据离开中心位置的偏差大小借助传感器G1(LY3200ALH)开始进行实时补偿，微调电机的PWM波输入，A3P250与A3906SESTR-T通讯并微调A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后推动微微鼠向前运动，通过此方式可以精确调整微微鼠高速冲刺时在直道的位置和姿态，使其重新回到设定中心位置；当到达既定目标后完成整个右转弯的轨迹曲线运动；此时将更新其坐标为（X+1,Y），在X+1<1F的前提下，判断其坐标是不是（X1，Y1），如果不是将继续执行新的冲刺命令，如果是则通知控制器已经冲刺到终点，然后置返航探索标志为1，微微鼠准备返程探索；

7）在微微鼠沿着Y轴向前运动过程中如果有迷宫挡墙进入前方的运动范围，并且此时迷宫信息中左方无挡墙而右方有挡墙时时，微微鼠将存储此时坐标（X,Y），然后进入图11所示的曲线运动轨迹：为了使转弯更加平稳，系统采用三段法来实现转弯：冲刺前校正距离L90_Leading，弧度转弯ARC，冲刺后校正距离L90_Passing；

在左冲刺转弯时，STM32F405首先把行走直线很短的距离 L90_Leading按照各种冲刺条件不同的要求转化为速度参数以及加速度参数然后与A3P250通讯，并把此设定指令值传输给A3P250，A3P250根据这些参数再结合磁电编码器M1和M2的反馈生成驱动前后左右轮的PWM波形和方向，然后A3P250调整A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后控制电机X、电机Y向前快速运动；在微微鼠沿着当前迷宫格向前冲刺过程中，A3P250实时根据外围传感器通过调节电机M的伺服控制来有效调节真空吸盘对地面的吸附能力，传感器S4会对左挡墙进行判断，并记录储存当前迷宫挡墙信息，微微鼠根据前进方向左挡墙的迷宫信息进入单墙导航模式；传感器G1(LY3200ALH)实时检测微微鼠冲刺时的瞬时旋转速度，当微微鼠快速冲刺脱离了设定中心位置时，A3P250根据离开中心位置的偏差大小借助传感器G1(LY3200ALH)开始进行实时补偿，微调电机的PWM波输入，A3P250与A3906SESTR-T通讯并微调A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后推动微微鼠向前运动，通过此方式可以精确调整微微鼠高速冲刺时在直道的位置和姿态，使其重新回到设定中心位置；当到达既定目标时，传感器参考值L90_FrontWallRef开始工作，防止外界干扰开始做误差补偿；

STM32F405首先把弧度ARC按照各种冲刺条件不同的要求转化为速度参数以及加速度参数传输给A3P250，A3P250再结合磁电编码器M1和M2的反馈生成驱动直流电机运动的PWM波和方向，A3P250调整A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后控制电机X、电机Y完成转弯运动；在微微鼠沿着当前迷宫格转向冲刺过程中，A3P250实时根据外围传感器通过调节电机M的伺服控制来有效调节真空吸盘对地面的吸附能力；在微微鼠转弯冲刺过程中，传感器S1、S2、S5、S6关闭，系统进入基于传感器G1(LY3200ALH)的惯性导航模式；在微微鼠快速冲刺过程中传感器G1(LY3200ALH)实时记录转弯的角速度，M1和M2记录电机的速度和位置信息，并经STM32F405处理后与A3P250通讯，当微微鼠快速冲刺脱离了设定位置时，在新的采样周期内，A3P250按照偏差大小微调电机的PWM波输入，A3P250微调A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后控制电机X、电机Y完成转弯补偿运动，使系统完成弧度ARC的运动轨迹；

当到达既定目标后，系统开启传感器S4，STM32F405首先把行走直线很短的距离 L90_passing按照各种冲刺条件不同的要求转化为速度参数以及加速度参数然后与FPGA通讯，并把此设定指令值传输给A3P250，A3P250根据这些参数再结合磁电编码器M1和M2的反馈生成驱动前后左右轮的PWM波形和方向，然后A3P250调整A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后控制电机X、电机Y向前快速运动；在微微鼠沿着当前迷宫格向前冲刺过程中，A3P250实时根据外围传感器通过调节电机M的伺服控制来有效调节真空吸盘对地面的吸附能力，传感器S4会对左挡墙进行判断，并记录储存当前迷宫挡墙信息，微微鼠根据前进方向左挡墙的迷宫信息进入单墙导航模式；传感器G1(LY3200ALH)实时检测微微鼠冲刺时的瞬时旋转速度，当微微鼠快速冲刺脱离了设定中心位置时，A3P250根据离开中心位置的偏差大小借助传感器G1(LY3200ALH)开始进行实时补偿，微调电机的PWM波输入，A3P250与A3906SESTR-T通讯并微调A3906SESTR-T的输入信号IN1，IN2，IN3和IN4，输入信号通过驱动桥A3906SESTR-T放大后推动微微鼠向前运动，通过此方式可以精确调整微微鼠高速冲刺时在直道的位置和姿态，使其重新回到设定中心位置；当到达既定目标后完成整个右转弯的轨迹曲线运动；此时将更新其坐标为（X-1,Y），0<在X-1<1F的前提下，判断其坐标是不是（X1，Y1），如果不是将继续执行新的冲刺命令，如果是则通知控制器已经冲刺到终点，然后置返航探索标志为1，微微鼠准备返程探索；

8）当微微鼠冲刺到达（（X1，Y1）后会准备冲刺后的返程探索以便搜寻更优的路径，控制器会调出其已经存储的迷宫信息，然后计算出可能存在的其它最佳路径，然后返程开始进入其中认为最优的一条；

9）在微微鼠进入迷宫正常返航运行时，并其导航的传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6（或S1、S3、S4、S6）将工作，反射回来的光电信号经BPW85A吸收后传送参数给STM32F405，经STM32F405处理后与A3P250通讯，由A3P250生成驱动两轴电机的PWM信号，然后A3P250调整A3906SESTR-T的输入信号，A3906SESTR-T驱动导航电机X、电机Y：如果进入已经搜索的区域将进行快速前进，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、电机Y磁电编码器的数值，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；

10）为了能够实现微微鼠在冲刺时准确的坐标计算，微微鼠左右的传感器S3和S4会时刻对周围的迷宫挡墙和柱子进行探测，如果S3或者S4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，STM32F405会根据微微鼠当前运行状态结合磁电编码器M1和M2的反馈由A3P250进行精确补偿，彻底消除微微鼠在复杂迷宫中高速冲刺时已经累计的误差；

11）如果微微鼠在高速冲刺过程中遇到因机械结构造成的轮子失速或者是读错迷宫信息时，有时会出现撞墙的现象，此时电机的电流将增大，当A3906SESTR-T的电流预设值超过设定值时，此时STM32F405会立即控制A3P250停止工作，不仅减少有效地解决了堵转问题，而且也减少了对系统硬件的破坏；

12）在微微鼠冲刺过程中，A3P250会对直流电机的转矩进行在线辨识，当电机的转矩收到外界干扰出现较大抖动时，控制器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冲刺的影响；

13）为了能够减少光源对微微鼠冲刺的干扰，本发明加入了光电传感器L1，此传感器会在微微鼠冲刺阶段对周围的异常光源进行读取，并自动送给控制器做实时补偿，消除了外界光源对冲刺的干扰；

14）当微微鼠完成整个冲刺过程到达（X1，Y1），微微鼠会置返程探索标志为1，微微鼠返程探索回到起始点（0，0），STM32F405将控制A3P250的PWM波输出，A3P250调整A3906SESTR-T的输入信号，A3906SESTR-T驱动电机X、电机Y使微微鼠在起始点中心点停车，然后A3P250重新调整电机的PWM波输出，使得电机X和电机Y以相反的方向运动，并在传感器G1(LY3200ALH)的控制下，原地旋转180度，然后停车1秒，二次调取迷宫信息，然后根据改进洪水算法求解最优冲刺路径，然后置冲刺标志为1，系统进入二次快速冲刺阶段，然后按照冲刺----探索---冲刺，完成多次的冲刺，以达到快速冲刺的目的。

本发明具有的有益效果是：

1：本发明中的电阻和电容均采用0402封装替代了原有的0603封装，可以更好的缩小高速微微鼠冲刺伺服系统的体积，有利于微微鼠的高速化和微型化发展；

2：本发明STM32F405采用BGA封装替代了原有的LQFP176封装，使得芯片占有的体积更小，有利于高速微微鼠伺服控制系统体积的缩小，且BGA封装更利于微微鼠高速冲刺时芯片的散热；

3：为了充分提高双核高速微微鼠冲刺伺服控制系统的稳定性，并兼顾两轮驱动的优点，本发明舍弃了原有的多动力实时四驱结构，通过齿轮机械结构实现两轴四轮功能，既减少了微微鼠控制器驱动动力电机的数目，又通过齿轮实现了多轮的功能，有效提高了微微鼠的冲刺行驶能力；

4：由于STM32F405集成了新的DSP和FPU指令，168MHz的高速处理性能提高了数字信号控制器的执行速度和代码效率，使得控制器处理传感器信号实时性能增加；

5：根据需要实现吸附功能；在微微鼠高速冲刺过程中，一旦遇到路面灰尘较多或加速状况时，A3P250会根据两轴电机的磁电编码器M1和M2的反馈立即开启吸附电机M的伺服控制，微微鼠系统自然切换到三轴四轮驱动状态，增强了微微鼠高速冲刺时的附着力和操控性；

6：由于采用两轴四轮驱动结构，增加了高速微微鼠与地面的接触面积，减少了两轮微微鼠由于机械结构造成的失速问题的发生，使得微微鼠具有更好的高速冲刺行走功能；

7：在此微微鼠高速冲刺伺服系统中引入了高性能 MEMS运动传感器LY3200ALH，实现了微微鼠在迷宫高速冲刺时的瞬时旋转速度的检测，并利用反馈实现全程导航的实时校正，有利于提高微微鼠高速冲刺时的稳定性和动态性能；

8：微微鼠高速冲刺转向时，为了保证旋转的稳定性和准确性，通过传感器G1（LY3200ALH）的实时反馈，基于A3P250的高速冲刺伺服控制器对微微鼠的转弯实时校正，提高了迷宫信息探索的正确性；

9：由FPGA（A3P250）输出PWM调制信号和方向信号，通过驱动电路可以直接驱动三轴直流伺服电机，不仅减轻了STM32F405的负担，简化了接口电路，而且省去了STM32F405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；

10：根据国际规则的不同，控制器通过软件可以实现四组传感器和六组传感器的变结构切换，提高了微微鼠求解迷宫和高速冲刺的技术，有利于提高系统的运算速度；

11：由于采用磁电编码器技术替代了传统的光电编码器技术，使得高速微微鼠的冲刺伺服控制系统体积可以更小，有利于微微鼠微型化的发展；

12：由于采用磁电编码器替代了传统的光电编码器，使得灰尘对编码器的数据采集影响大大降低，提高了微微鼠高速冲刺速度和位移的精确性，也保证了微微鼠求解迷宫的准确性；

13：由于本控制器采用FPGA（A3P250）处理微微鼠冲刺的各种算法，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强；

14：在微微鼠高速冲刺过程中，FPGA（A3P250）会对高速直流伺服电机X、电机Y和电机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高速冲刺的影响；

15：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冲刺时打滑现象的发生；

16：由于具有存储功能，微微鼠可以非常简单的存储探索好的迷宫信息，使二次探索的时间和路径大大降低；

17：在微微鼠高速冲刺过程中，FPGA（A3P250）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，使系统具有一定的自适应功能；

18：在运动过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于ARM(STM32F405)+FPGA（A3P250）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；

19：驱动桥A3906SESTR-T的电流采集功能可以很好的解决微微鼠在高速冲刺过程中遇到撞墙等情况发生的电机堵转，当输出超出设定值时，A3906SESTR-T的电流采集电路立即工作，直流电机X、电机Y的驱动信号被拉低，从而有效地解决了堵转问题。

综上所述，本发明的双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器，提高了双核微微鼠全数字伺服系统的稳定性，有效防止了微微鼠在高速迷宫冲刺时的地面打滑，避免了微微鼠远远偏离中心位置现象的发生，提高了其快速冲刺时的稳定性，增加了微微鼠与地面的接触面积，减少了两轮微微鼠由于机械结构造成的高速冲刺失速问题的发生，使得微微鼠具有更好的快速冲刺功能。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器，其特征在于，包括微微鼠壳体、车轮、第一红外传感器、第三红外传感器、第四红外传感器、第六红外传感器、第一高速直流伺服电机、第二高速直流伺服电机、真空吸附电机、第一磁电编码器、第二磁电编码器、运动传感器以及采样传感器，四个所述的车轮分别两两设置在微微鼠壳体的左右两侧边，所述的第一红外传感器和第六红外传感器分别设置在微微鼠壳体的左右两侧边并位于车轮的前端，所述的第三红外传感器和第四红外传感器分别斜向设置在第一红外传感器和第六红外传感器的内侧边，所述的第一高速直流伺服电机和第二高速直流伺服电机分别安装在微微鼠壳体的左右两边并位于两个车轮之间的位置，所述的真空吸附电机设置在第一高速直流伺服电机和第二高速直流伺服电机上方的中间位置，所述的第一磁电编码器和第二磁电编码器分别设置在第一高速直流伺服电机和第二高速直流伺服电机的下方，所述的运动传感器和采样传感器依次设置在真空吸附电机的下方，还包括控制板，所述的控制板设置在微微鼠壳体内，所述的控制板采用双核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM与FPGA进行通信连接。

2.根据权利要求1所述的双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器，其特征在于，所述的第三传感器和第四传感器斜向设置时与Y轴之间的夹角大小为：。

3.根据权利要求1所述的双核三轴四轮变结构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。

4.根据权利要求1所述的双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器，其特征在于，所述的第一磁电编码器和第二磁电编码器均采用基于磁电传感器AS5040H的编码器。

5.根据权利要求1所述的双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器，其特征在于，所述的车轮上均设置有真空吸盘。

6.根据权利要求1所述的双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器，其特征在于，所述的控制板分别发出第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号，由所述的第一控制信号、第二控制信号和第三控制信号分别控制所述的第二高速直流伺服电机、第一高速直流伺服电机和真空吸附电机的信号合成之后再控制微微鼠的运动。

7.根据权利要求1所述的双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器，其特征在于，所述的双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器还设置有上位机程序和运动控制程序，所述的上位机程序包括路径读取、迷宫更新、迷宫存储和参数输出，所述的运动控制程序包括基于ARM+FPGA三轴四轮微微鼠冲刺伺服控制、迷宫定位和方向控制。

8.根据权利要求7所述的双核三轴四轮变结构高速微微鼠冲刺控制器，其特征在于，所述的基于ARM+FPGA三轴四轮微微鼠冲刺伺服控制还包括相互连接的基于变结构两轴四轮微微鼠迷宫冲刺伺服控制和单轴真空吸盘吸附伺服控制，所述的基于变结构两轴四轮微微鼠迷宫冲刺伺服控制包括基于最小传感采样系统冲刺位置模块、基于最小传感采样系统冲刺速度模块和基于最小传感采样系统冲刺加速度模块；所述的单轴真空吸盘吸附伺服控制包括吸盘位置模块、吸盘速度模块和吸盘加速度模块。