CN206039293U - 单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器，包括微微鼠壳体、车轮、第一红外传感器、第二红外传感器、第三红外传感器、第四红外传感器、第五红外传感器、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、第二磁电编码器以及运动传感器。通过上述方式，本实用新型提高了单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探索时的地面打滑，避免了微微鼠远远偏离中心位置现象的发生，提高了其快速求解时的稳定性，同时提高了微微鼠的速度和位移的精确性，也保证了微微鼠探索迷宫的准确性。

Description

单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器

技术领域

本实用新型涉及一种单核三轴四轮变结构微微鼠（PICOMOUSE）自动探索迷宫控制系统，属于微型迷宫机器人领域。

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，微微鼠探索求解迷宫在微微鼠的整个运动中占有非常重要的位置，一旦微微鼠探索迷宫失败，微微鼠的整个功能也就无法实现。

微微鼠在迷宫中探索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。一只优秀的微微鼠探索迷宫并成功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探索迷宫，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探索如此复杂迷宫，在一些对探索有时间要求的国际规则中，经常会有探索时间较长的现象发生，导致微微鼠竞争最终失败；

（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探索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，使得微微鼠单格探索运行的距离减少，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探索启动和停车的要求；

（5）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，在高速行走时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，这使得整个探索过程要重新开始；

（7）微微鼠在迷宫行走时，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）两轮微微鼠探索伺服系统在加速探索时由于重心后移，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）两轮微微鼠探索伺服控制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，导致导航失败；

（10）两轮微微鼠探索伺服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；

（11）由于传统的微微鼠探索伺服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，不利于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，使得快速行驶的微微鼠很容易打滑，导致搜索的迷宫信息错误，最终微微鼠无法完成探索任务；

（13）由于传统微微鼠探索伺服系统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，系统的加速性能较弱。

微微鼠探索求解迷宫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。本实用新型借助现有的先进控制技术以及先进控制芯片设计一种三轴四轮带真空吸附的微微鼠探索迷宫伺服控制器。

发明内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器，为克服单片机不能满足微微鼠求解复杂迷宫的要求，参考国外微微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STM32F405的全新三轴四轮变结构微微鼠探索伺服控制器，控制板以STM32F405为处理核心，实现微微鼠探索迷宫时数字信号的实时处理，实现对两轴驱动控制芯片A3906SESTR-T的信号输入和输出控制，并快速响应各种中断，实现数据通信和存储实时信号。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供了一种单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器，，包括微微鼠壳体、车轮、第一红外传感器、第二红外传感器、第三红外传感器、第四红外传感器、第五红外传感器、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、第二磁电编码器以及运动传感器，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，所述的第二红外传感器和第五红外传感器设置在微微鼠壳体的前端，所述的第三红外传感器斜向设置在第一红外传感器和第二红外传感器之间，所述的第四红外传感器斜向设置在第五红外传感器和第六红外传感器之间，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，所述的运动传感器设置在真空吸附电机的下方，其中，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：。

在本实用新型一个较佳实施例中，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。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的车轮上均设置有真空吸盘。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器还包括电源装置和控制板，由所述的电源装置单独提供电流驱动所述的控制板，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。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的电源装置采用锂离子电池。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的控制板是基于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。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的单核三轴四轮变结构微微鼠探索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迷宫探索、迷宫更新、迷宫存储和在线输出，所述的运动控制程序包括基于STM32F405三轴四轮微微鼠探索伺服控制、坐标定位和I/O控制。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述的基于STM32F405三轴四轮微微鼠探索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探索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探索伺服控制包括基于变结构探索位置模块、基于变结构探索速度模块和基于变结构探索加速度模块；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。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器，提高了单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探索时的地面打滑，避免了微微鼠远远偏离中心位置现象的发生，提高了其快速求解时的稳定性，同时提高了微微鼠的速度和位移的精确性，也保证了微微鼠探索迷宫的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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为传统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两轴微微鼠探索伺服控制系统连接示意图；

图4为三轴四轮变结构微微鼠二维原理图；

图5为基于STM32F405三轴四轮变结构微微鼠原理框图；

图6为基于STM32F405三轴四轮变结构微微鼠探索程序框图；

图7为微微鼠前进示意图；

图8为微微鼠后退示意图；

图9为微微鼠右进意义图；

图10为微微鼠左退示意图；

图11为加速速度-时间运动图；

图12为减速速度-时间运动图。

具体实施方式

下面将对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图4所示，本实用新型实施例包括：

一种单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器，包括微微鼠壳体、车轮、第一红外传感器S1、第二红外传感器S2、第三红外传感器S3、第四红外传感器S4、第五红外传感器S5、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以及运动传感器G1，四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，所述的第二红外传感器S2和第五红外传感器S5设置在微微鼠壳体的前端，所述的第三红外传感器S3斜向设置在第一红外传感器S1和第二红外传感器S2之间，所述的第四红外传感器S4斜向设置在第五红外传感器S5和第六红外传感器S6之间，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：。

在本实施例中，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，所述的单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器还包括电源装置和控制板，由所述的电源装置单独提供电流驱动所述的控制板，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。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STM32F405特别适合微微鼠多轴伺服系统的信号处理。

本实用新型为了减少单核微微鼠探索伺服控制系统的体积，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探索伺服控制系统中， A3906SESTR-T与微微鼠两轴直流伺服电机的连接图如图3所示，其中探索PWM控制输入信号和探索使能信号来自于伺服控制器，控制器通过调整探索PWM控制输入信号来调整其探索PWM控制输出信号，继而实现直流伺服电机的四象限运动。

如图6所示，所述的单核三轴四轮变结构微微鼠探索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迷宫探索、迷宫更新、迷宫存储和在线输出，所述的运动控制程序包括基于STM32F405三轴四轮微微鼠探索伺服控制、坐标定位和I/O控制。

其中，所述的基于STM32F405三轴四轮微微鼠探索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探索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探索伺服控制包括基于变结构探索位置模块、基于变结构探索速度模块和基于变结构探索加速度模块；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。

为了提高单核微微鼠探索伺服系统的稳定性，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，本实用新型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。

为了进一步提高单核微微鼠探索伺服系统的稳定性，防止微微鼠在高速探索时由于地面灰尘较多而导致行走打滑，本实用新型在微微鼠探索伺服硬件系统中加入了微型直流电机M，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，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迷宫探索时的地面打滑。

为了进一步提高单核微微鼠在探索迷宫时的稳定性，本实用新型在微微鼠探索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，当微微鼠在探索迷宫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，提高了其快速探索时的稳定性。

为了更好的采集迷宫信息和减少红外传感器占用的面积，本实用新型采用红外传感器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；

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，本实用新型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，为微微鼠快速探索三闭环伺服控制提供了可靠依据。

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，本实用新型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，所实用新型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。

本实用新型为克服单片机不能满足微微鼠求解复杂迷宫的要求，参考国外微微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STM32F405的全新三轴四轮变结构微微鼠探索伺服控制器，其原理如图5所示：控制板以STM32F405为处理核心，实现微微鼠探索迷宫时数字信号的实时处理，实现对两轴驱动控制芯片A3906SESTR-T的信号输入和输出控制，并快速响应各种中断，实现数据通信和存储实时信号。

本次实用新型设计的全数字伺服控制器程序框图如图6。

为达上述目的，本实用新型采取以下技术方案， 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，本实用新型首先引入了基于两轴电机四轮驱动技术，既减少了控制器的计算量，又通过齿与齿的机械结构实现两轴四轮技术，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其与地面的摩擦力系数，增加了其稳定性。然后，在基于STM32F405的控制器中引入多轴驱动集成专用芯片A3906SESTR-T，形成基于STM32F405+多轴专用驱动芯片A3906SESTR-T的全新控制器，此控制器充分考虑STM32F405数据处理速度较快的特点，控制系统中工作量最大的三轴伺服系统交给STM32F405处理，并实时调整多轴驱动集成专用芯片A3906SESTR-T的数据输出，并进行数据交换和调用。

参照图4、图5、图6、图7，具体实施步骤是：

对于本文设计的基于STM32F405三轴四轮变结构微微鼠探索伺服控制器，在电源打开状态下，微微鼠先进入自锁状态。一旦探索启动键开启后，微微鼠根据软件设置开启六组传感器探索模式或者是四组传感器探索模式，微微鼠依靠前方、左右侧面蔽障红外传感器S1、S2、S3、S4、S5、S6（或S1、S3、S4、S6）实时探测实际导航环境，并通过红外接收器BPW85A传输参数给STM32F405，STM32F405处理后与两轴直流伺服电机驱动芯片A3906SESTR-T通讯，然后调整A3906SESTR-T的输出管脚状态，进而处理探索期间两轴电机的伺服控制，电机运行状态经磁电电编码器M1和M2反馈给STM32F405，由STM32F405读取经二次处理后再次调整A3906SESTR-T的管脚输出状态，继而改变微微鼠的运动状态。

参照图4、图5、图6，图7、图8、图9、图10、图11、图12，其具体的功能实现如下：

1）在微微鼠未接到探索命令之前，它一般会在起点坐标（0，0）等待控制器发出的探索命令，一旦接到任务后，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。然后微微鼠会沿着起点开始向终点（X1，Y1）、（X2，Y2）、（X3，Y3）、（X4，Y4）探索，其中（X1，Y1）、（X2，Y2）、（X3，Y3）、（X4，Y4）的值为任意，一般情况下X1=X2=X3=X4，Y1=Y2=Y3=Y4，即探测的是迷宫中的任意一个迷宫格（X1,Y1）；

2）微微鼠接到探索任务后其前方的传感器S1、S6首先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，然后拉低A3906SESTR-T的输入信号IN1、IN2、IN3和IN4，封锁微微鼠直流伺服电机X、电机Y 的PWM驱动信号，使其静止在原地，然后二次判断迷宫确定前方信息，防止探索时信息误判；

3）在微微鼠启动瞬间，按照图11所示速度-时间梯形图进行加速运动，为了满足快速加速要求，控制器首先通过真空抽吸电机M的伺服控制抽吸空气，增加真空吸盘对地面的摩擦，满足微微鼠加速要求，STM32F405实时调整A3906SESTR-T的输入信号IN1、IN2、IN3和IN4，从而实现调整其输出信号OUT1A、OUT1B、OUT2A和OUT2B，实现两轴直流伺服电机控制信号的变化；

4）在微微鼠沿着Y轴向前运动过程中，在任何一个方格的中心如果确定没有迷宫挡墙进入前方的运动范围，则微微鼠将存储其坐标（X,Y），控制器把向前运动一格的位置参数送给STM32F405， STM32F405根据探索控制器速度和加速度要求生成速度运动梯形图，这个速度-时间图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，STM32F405根据这个梯形图结合磁电编码器的反馈经内部三闭环伺服控制程序生成驱动两轴直流电机的PWM波，然后STM32F405调整A3906SESTR-T的输入信号，由A3906SESTR-T放大后驱动两个独立电机X和电机Y向前运动，电机X和电机Y的磁电编码器会时刻记录已经移动的距离并输送给控制器；在微微鼠沿着当前迷宫格向前探索过程中，磁电传感器M1和M2会实时检测电机X和电机Y速度并反馈给STM32F405，控制器根据反馈速度大小自动调节电机M加大真空吸盘对地面的吸附力，然后左右侧传感器S3和S4（或者是S2、S3和S4、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，然后传感器G1（LY3200ALH）记录微微鼠探索时的瞬时偏航率并反馈给STM32F405，控制器根据传感器G1（LY3200ALH）和左右磁电传感器的反馈确定微微鼠快速探索脱离设定中心位置的偏差，微处理器根据离开中心位置的偏差大小借助传感器G1（LY3200ALH）进行实时补偿，微调A3906SESTR-T的输入信号改变两轴直流伺服电机的PWM波输入，通过此方式可以精确调整微微鼠在直道的姿态，使其重新回到设定中心位置；在未到达目标前，如果微微鼠高速探索出现失速或者迷宫地面灰尘较多的情况，STM32F405会根据磁电传感器的速度反馈调节M的伺服控制，系统进入新的三轴四轮驱动状态；当微微鼠在传感器的控制下运动一格距离到达新地址时，微处理器将更新其坐标为（X,Y+1），在Y+1<1F的前提下，判断其坐标是不是（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轴反方向向前运动过程中，在任何一个方格的中心如果确定没有迷宫挡墙进入前方的运动范围，则微微鼠将存储其坐标（X,Y），控制器把向前运动一格的位置参数送给STM32F405， STM32F405根据探索控制器速度和加速度要求生成速度运动梯形图，这个速度-时间图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，STM32F405根据这个梯形图结合磁电编码器的反馈经内部三闭环伺服控制程序生成驱动两轴直流电机的PWM波，然后STM32F405调整A3906SESTR-T的输入信号，由A3906SESTR-T放大后驱动两个独立电机X和电机Y向前运动，电机X和电机Y的磁电编码器会时刻记录已经移动的距离并输送给控制器；在微微鼠沿着当前迷宫格向前探索过程中，磁电传感器会实时检测电机X和电机Y速度并反馈给STM32F405，控制器根据反馈速度大小自动调节电机M加大真空吸盘对地面的吸附力，然后左右侧传感器S3和S4（或者是S2、S3和S4、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，然后传感器G1（LY3200ALH）记录微微鼠探索时的瞬时偏航率并反馈给STM32F405，控制器根据传感器G1（LY3200ALH）和左右磁电传感器M1和M2的反馈确定微微鼠快速探索脱离设定中心位置的偏差，微处理器根据离开中心位置的偏差大小借助传感器G1（LY3200ALH）进行实时补偿，微调A3906SESTR-T的输入信号改变两轴直流伺服电机的PWM波输入，通过此方式可以精确调整微微鼠在直道的姿态，使其重新回到设定中心位置；在未到达目标前，如果微微鼠高速探索出现失速或者迷宫地面灰尘较多的情况，STM32F405会根据磁电传感器的速度反馈调节M的伺服控制，系统进入新的三轴四轮驱动状态；当微微鼠在传感器G1（LY3200ALH）的控制下运动一格距离到达新地址时，微处理器将更新其坐标为（X,Y-1），在0<Y-1<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X轴向前运动过程中，在任何一个方格的中心如果确定没有迷宫挡墙进入前方的运动范围，则微微鼠将存储其坐标（X,Y），控制器把向前运动一格的位置参数送给STM32F405， STM32F405根据探索控制器速度和加速度要求生成速度运动梯形图，这个速度-时间图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。STM32F405根据这个梯形图结合磁电编码器的反馈经内部三闭环伺服控制程序生成驱动两轴直流电机的PWM波，然后STM32F405调整A3906SESTR-T的输入信号，由A3906SESTR-T放大后驱动两个独立电机X和电机Y向前运动，电机X和电机Y的磁电编码器会时刻记录已经移动的距离并输送给控制器；在微微鼠沿着当前迷宫格向前探索过程中，磁电传感器会实时检测电机X和电机Y速度并反馈给STM32F405，控制器根据反馈速度大小自动调节电机M加大真空吸盘对地面的吸附力，然后左右侧传感器S3和S4（或者是S2、S3和S4、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，然后传感器G1（LY3200ALH）记录微微鼠探索时的瞬时偏航率并反馈给STM32F405，控制器根据传感器G1（LY3200ALH）和左右磁电传感器的反馈确定微微鼠快速探索脱离设定中心位置的偏差，微处理器根据离开中心位置的偏差大小借助传感器G1（LY3200ALH）进行实时补偿，微调A3906SESTR-T的输入信号改变两轴直流伺服电机的PWM波输入，通过此方式可以精确调整微微鼠在直道的姿态，使其重新回到设定中心位置；在未到达目标前，如果微微鼠高速探索出现失速或者迷宫地面灰尘较多的情况，STM32F405会根据磁电传感器的速度反馈调节M的伺服控制，系统进入新的三轴四轮驱动状态；当微微鼠在传感器G1（LY3200ALH）的控制下运动一格距离到达新地址时，微处理器将更新其坐标为（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；

7）在微微鼠沿着X轴反方向向前运动过程中，在任何一个方格的中心如果确定没有迷宫挡墙进入前方的运动范围，则微微鼠将存储其坐标（X,Y），控制器把向前运动一格的位置参数送给STM32F405， STM32F405根据探索控制器速度和加速度要求生成速度运动梯形图，这个速度-时间图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。STM32F405根据这个梯形图结合磁电编码器的反馈经内部三闭环伺服控制程序生成驱动两轴直流电机的PWM波，然后STM32F405调整A3906SESTR-T的输入信号，由A3906SESTR-T放大后驱动两个独立电机X和电机Y向前运动，电机X和电机Y的磁电编码器会时刻记录已经移动的距离并输送给控制器；在微微鼠沿着当前迷宫格向前探索过程中，磁电传感器会实时检测电机X和电机Y速度并反馈给STM32F405，控制器根据反馈速度大小自动调节电机M加大真空吸盘对地面的吸附力，然后左右侧传感器S3和S4（或者是S2、S3和S4、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，然后传感器G1（LY3200ALH）记录微微鼠探索时的瞬时偏航率并反馈给STM32F405，控制器根据传感器G1（LY3200ALH）和左右磁电传感器的反馈确定微微鼠快速探索脱离设定中心位置的偏差，微处理器根据离开中心位置的偏差大小借助传感器G1（LY3200ALH）进行实时补偿，微调A3906SESTR-T的输入信号改变两轴直流伺服电机的PWM波输入，通过此方式可以精确调整微微鼠在直道的姿态，使其重新回到设定中心位置；在未到达目标前，如果微微鼠高速探索出现失速或者迷宫地面灰尘较多的情况，STM32F405会根据磁电传感器的速度反馈调节M的伺服控制，系统进入新的三轴四轮驱动状态；当微微鼠在传感器G1（LY3200ALH）的控制下运动一格距离到达新地址时，微处理器将更新其坐标为（X-1,Y），在0<X-1<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；

8）当微微鼠到达设定迷宫目标（X1,Y1）准备返程探索时，控制器会调出其已经存储的迷宫，然后根据快速迷宫算法计算出可能存在的最佳路径，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，导航传感器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处理后生成驱动两轴电机的PWM信号，然后STM32F405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探索时准确的坐标计算，微微鼠左右的传感器S3和S4（或者是S2、S3和S4、S5）会时刻对周围的迷宫挡墙和柱子进行探测，如果传感器发现传感器S3和S4（或者是S2、S3和S4、S5）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精确补偿，彻底消除微微鼠在复杂迷宫中探索时已经累计的误差；

11）在微微鼠运行过程中，控制器会对高速直流电机X、电机Y、和电机M的转矩进行在线辨识，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进行线性补偿，快速调整电流环的PID参数，使得系统快速稳定下来，减少了电机转矩抖动对微微鼠快速探索时导航的影响；

12）当微微鼠完成整个探索过程回到起始点（0，0），STM32F405将控制A3906SESTR-T使得微微鼠中心点停车，然后重新调整A3906SESTR-T的OUT1A、OUT2A、OUT1B和OUT2B的电平，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。控制器开始调取迷宫信息并根据改进洪水算法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。

本实用新型具有的有益效果是：

1：本实用新型中的电阻和电容均采用0402封装替代了原有的0603封装，可以更好的缩小微微鼠的体积，有利于微微鼠的微型化发展；

2：本实用新型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，有利于微微鼠体积的缩小，且BGA封装更利于微微鼠高速探索时芯片的散热；

3：为了充分提高单核微微鼠探索伺服控制系统的稳定性，并兼顾两轮驱动的优点，本实用新型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探索行驶能力；

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，使得控制器处理微微鼠两轴电机的实时控制性能增加，增加了微微鼠探索时的快速性和稳定性；

5：根据需要实现吸附功能，在微微鼠探索过程中，一旦遇到路面灰尘较多或加速状况时，STM32F405会根据两轴电机的反馈数据立即开启吸附电机M的伺服控制，微微鼠系统自然切换到三轴四轮驱动状态，增强了微微鼠的附着力和操控性；

6：由于采用两轴四轮驱动结构，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失速问题的发生，使得微微鼠具有更好的探索行走功能；

7：在此单核微微鼠探索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探索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，有利于提高微微鼠探索的稳定性和动态性能；

8：微微鼠转向时，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STM32F405的探索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STM32F405处理微微鼠探索迷宫期间三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；

10：根据国际规则的不同，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，提高了微微鼠探索迷宫的技术，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，使得微微鼠的体积可以更小，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，提高了微微鼠的速度和位移的精确性，也保证了微微鼠探索迷宫的准确性；

13：由于本控制器采用STM32F405处理迷宫存储和探索算法，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强；

14：在微微鼠运行过程中，控制器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快速探索的影响；

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，消除了微微鼠在快速探索时打滑现象的发生；

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。

综上所述，本实用新型的单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器，提高了单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探索时的地面打滑，避免了微微鼠远远偏离中心位置现象的发生，提高了其快速求解时的稳定性，同时提高了微微鼠的速度和位移的精确性，也保证了微微鼠探索迷宫的准确性。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型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，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器，其特征在于，包括微微鼠壳体、车轮、第一红外传感器、第二红外传感器、第三红外传感器、第四红外传感器、第五红外传感器、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、第二磁电编码器以及运动传感器，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，所述的第二红外传感器和第五红外传感器设置在微微鼠壳体的前端，所述的第三红外传感器斜向设置在第一红外传感器和第二红外传感器之间，所述的第四红外传感器斜向设置在第五红外传感器和第六红外传感器之间，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，所述的运动传感器设置在真空吸附电机的下方，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： 。

2.根据权利要求1所述的单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器，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。

3.根据权利要求1所述的单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器，其特征在于，所述的车轮上均设置有真空吸盘。

4.根据权利要求1所述的单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器，其特征在于，所述的单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器还包括电源装置和控制板，由所述的电源装置单独提供电流驱动所述的控制板，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。

5.根据权利要求4所述的单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器，其特征在于，所述的电源装置采用锂离子电池。

6.根据权利要求4所述的单核三轴四轮变结构微微鼠探索控制器，其特征在于，所述的控制板是基于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。