基于双核两轮微电脑鼠超快速冲刺控制器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双核两轮微电脑鼠超快速冲刺控制器，所述快速冲刺控制器包括主控制单元、第一运动控制单元、第二运动控制单元和电源，所述电源与所述主控制单元电性连接，所述主控制单元包括ARM处理器和FPGA处理器，所述ARM处理器与FPGA处理器电性连接以控制所述FPGA处理器工作或关断，所述FPGA处理器分别与所述第一运动控制单元和第二运动控制单元电性连接。通过上述方式，本发明专利技术采用双处理器协同工作，提高了运算速度，防止程序的跑飞，缩短了开发周期短；避免了大电流的产生，稳定性和动态性能较好；每一个电机独立控制，更容易改变运动轨迹。

【技术实现步骤摘要】
基于双核两轮微电脑鼠超快速冲刺控制器
本专利技术涉及微型机器人领域，尤其涉及一种基于双核两轮微电脑鼠超快速冲刺控制器。
技术介绍
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，由其原理可以转化为多种实际的工业机器人，近几年内才引进国内，并逐渐成为一个新兴的竞赛项目。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。一只优秀的微电脑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，一只完整的微电脑鼠在大体分为以下几个部分：1）传感器：传感器是微电脑鼠的眼睛，是微电脑鼠准确获取外部环境信息的依据，然后把外界信息输送到微处理器进行各种条件判断；2）电机：执行电机是微电脑鼠的动力源，它根据微处理器的指令来执行微电脑鼠在迷宫中行走时的相关动作；3）算法：算法是微电脑鼠的灵魂，微电脑鼠必须采用一定的智能算法才能找到终点，才能找到一条最短的路径，在最短的时间内到达终点；4）微处理器：微处理器是微电脑鼠的核心部分，是微电脑鼠的大脑，微电脑鼠所有的信息，包括墙壁信息，位置信息，角度信息和电机状态信息等都需要经过微处理器处理并做出相应的判断。电脑鼠结合了多学科知识，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。另外电脑鼠走迷宫极具趣味性，容易得到学生的认同及参与，并能很好的激发和引导学生这方面的兴趣和爱好。其开展必然提升参赛者在相关领域的技术水平和应用能力，为技术创新提供平台。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。由于国内研发此机器人的单位较少，对国际规则读取水平较低，相对水平比较落后，研发的微电脑鼠结构如图1，长时间运行发现存在着很多安全问题，即：（1）作为微电脑鼠的眼睛采用的是超声波或者是一般的红外传感器，使得微电脑鼠在快速冲刺时对周围迷宫的判断存在一定的误判。（2）作为微电脑鼠的执行机构采用的是步进电机，经常会遇到丢失脉冲的问题出现，导致对冲刺位置的记忆出现错误。（3）由于采用步进电机，使得机体发热比较严重，不利于在大型复杂迷宫中快速冲刺。（4）由于采用比较低级的算法，在迷宫当中的冲刺一般都要花费15~30秒的时间，这使得在真正的大赛中无法取胜。（5）由于微电脑鼠在快速冲刺过程中要频繁的刹车和启动，加重了单片机的工作量，单片信号处理器无法满足微电脑鼠快速冲刺的要求。（6）相对采用的都是一些体积比较大的插件元器件使得微电脑鼠的体积比较庞大，无法满足快速冲刺的要求。（7）由于受周围环境不稳定因素干扰，特别是周围一些光线的干扰，单片机控制器经常会出现异常，引起微电脑鼠失控，抗干扰能力较差。（8）对于差速控制的微电脑鼠来说，一般要求其两个电机的控制信号要同步，但是对于单一单片机来说又很难办到，使得微电脑鼠在直道上行驶的时候就要来回的补偿，特别是对于高速冲刺时，微电脑鼠有的时候在迷宫当中摇摆幅度较大。（9）由于受单片机容量和算法影响，微电脑鼠对迷宫的信息没有存储，当遇到掉电情况时候所有的信息将消失，这使得整个冲刺过程无法完成。因此，需要对现有的基于单片机控制的微电脑鼠控制器进行重新设计。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种基于双核两轮微电脑鼠超快速冲刺控制器，采用双处理器协同工作，提高了运算速度，防止程序的跑飞，缩短了开发周期短；避免了大电流的产生，稳定性和动态性能较好；每一个电机独立控制，更容易改变运动轨迹。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种基于双核两轮微电脑鼠超快速冲刺控制器，包括主控制单元、第一运动控制单元、第二运动控制单元和电源，所述电源与所述主控制单元电性连接，所述主控制单元包括ARM处理器和FPGA处理器，所述ARM处理器与FPGA处理器电性连接以控制所述FPGA处理器工作或关断，所述FPGA处理器分别与所述第一运动控制单元和第二运动控制单元电性连接。在本专利技术一个较佳实施例中，所述快速冲刺控制器进一步包括上位机控制单元，所述上位机控制单元包括迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元，所述迷宫读取单元、坐标定位单元和在线输出单元分别与所述ARM处理器电性连接。在本专利技术一个较佳实施例中，所述第一运动控制单元和第二运动控制单元分别包括运动控制器和电机，所述运动控制器与电机电性连接，所述电机为高速直流电机。在本专利技术一个较佳实施例中，所述主控制单元进一步包括电机控制单元，所述运动控制器包括伺服控制驱动单元、数据存储单元和输入输出接口，所述伺服控制驱动单元、数据存储单元和输入输出接口分别与所述FPGA处理器电性连接。在本专利技术一个较佳实施例中，所述伺服控制驱动单元包括数模转换单元、光电编码器、电流电压检测单元、速度检测单元和坐标检测单元。在本专利技术一个较佳实施例中，所述光电编码器采用512线光码盘，每转一转输出512个脉冲。本专利技术还提供一种两轮微电脑鼠，包括所述快速冲刺控制器，所述快速冲刺控制器包括主控制单元、第一运动控制单元、第二运动控制单元和电源，所述电源与所述主控制单元电性连接，所述主控制单元包括ARM处理器和FPGA处理器，所述ARM处理器与FPGA处理器电性连接以控制所述FPGA处理器工作或关断，所述FPGA处理器分别与所述第一运动控制单元和第二运动控制单元电性连接；所述两轮微电脑鼠进一步包括外壳，所述快速冲刺控制器设置在所述外壳内部。在本专利技术一个较佳实施例中，所述两轮微电脑鼠进一步包括车轮，所述车轮的数量与所述电机的数量相等，每一个所述车轮与一个所述电机连接。在本专利技术一个较佳实施例中，所述车轮设置在所述外壳的两侧，每一个所述电机的转轴上设置一个所述光电编码器。在本专利技术一个较佳实施例中，所述壳体顶部进一步设有蔽障传感器、光电补偿传感器和电压传感器，所述蔽障传感器、光电补偿传感器和电压传感器分别与所述主控制单元电性连接，所述蔽障传感器的数量大于等于六个，每一个所述蔽障传感器的信号发射方向与所述车轮的运动方向相同或者与所述车轮的运动方向的夹角小于等于90°。本专利技术的有益效果是：1．在运动过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，ARM9处理器和FPGA处理器时刻都在对微电脑鼠的运行状态进行监测和运算，有效地防止了程序的跑飞，抗干扰能力大大增强，避免了大电流的产生；所述主控制单元时刻检测电池的剩余容量，有利于了解电池的能量状态，当电池剩余容量较低时，可以在微电脑鼠冲刺前提前换掉电池，从而减少了电池对高速冲刺的误干扰。2．由FPGA处理器对两只直流电机进行同步伺服控制，使得控制比较简单，微电脑鼠更容易实现曲线轨迹的转动，同时有利于提高微电脑鼠的稳定性和动态性能，同时大大提高了运算速度，解决了现有技术中的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．ARM9处理器能够在微电脑鼠快速冲刺过程中对两个电机转矩进行在线辨识并利用直流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电脑鼠快速冲刺的影响。4．所述数据存储单元能够存储已经探索好的迷宫信息，有利于优化二次冲刺的路径，降低冲刺时间。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双核两轮微电脑鼠超快速冲刺控制器，其特征在于，包括主控制单元、第一运动控制单元、第二运动控制单元和电源，所述电源与所述主控制单元电性连接，所述主控制单元包括ARM处理器和FPGA处理器，所述ARM处理器与FPGA处理器电性连接以控制所述FPGA处理器工作或关断，所述FPGA处理器分别与所述第一运动控制单元和第二运动控制单元电性连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于双核两轮微电脑鼠超快速冲刺控制器，其特征在于，包括主控制单元、第一运动控制单元、第二运动控制单元和电源，所述电源与所述主控制单元电性连接，所述主控制单元包括ARM9和FPGA处理器，所述ARM9与FPGA处理器电性连接以控制所述FPGA处理器工作或关断，所述FPGA处理器分别与所述第一运动控制单元和第二运动控制单元电性连接，所述基于双核两轮微电脑鼠超快速冲刺控制器的工作原理为：1）先把微电脑鼠放在迷宫起始点，在电源打开状态下，微电脑鼠先进入自锁状态并调取已经优化的迷宫路径，然后微电脑鼠靠前方、左右侧面蔽障传感器根据实际导航环境传输参数给双核控制器中的ARM9，ARM9处理后与FPGA通讯，然后由FPGA结合光电编码器的反馈处理两个独立电机的伺服控制，并把处理数据通讯给ARM9，由ARM9继续处理后续的运行状态；2）在微电脑鼠未接到冲刺命令之前，在起点坐标（0，0）等待控制器发出冲刺命令，并调出已经探索后的最优迷宫，一旦接到冲刺命令后，会沿着起点开始快速向终点坐标（7，7）、（7，8）、（8，7）、（8，8）冲刺；3）微电脑鼠放在起点坐标（0，0），接到任务后为了防止放错冲刺方向，其蔽障传感器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ARM9发出中断请求，ARM9会对中断做第一时间响应，如果ARM9的中断响应没有来得及处理，微电脑鼠的电机X和电机Y将继续自锁，然后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，微电脑鼠将进行正常的冲刺；4）在微电脑鼠沿着Y轴向前运动过程中如果没有挡墙进入前方的运动范围，将没有挡墙的坐标格数值记做Z，微电脑鼠将存储其坐标（X,Y），为了快速行走需要，舍弃了传统单一速度冲刺模式，按照预设的速度和时间曲线进行加速和减速，在其向前运动过程中，ARM9把向前Z格的距离按照时间要求转化为微电脑鼠需要冲刺的加速度和速度指令值，然后与FPGA通讯，FPGA结合光电编码器和电流传感器的反馈把加速度和速度指令值转化为实际的速度和加速度，由FPGA生成驱动两轴电机的PWM波信号，经驱动桥后驱动微电脑鼠到达预定距离，微电脑鼠在冲刺过程中每经过一个方格，将更新其坐标为（X,Y+1），在Y+1<15的前提下，判断其坐标是不是（7，7）、（7，8）、（8，7）、（8，8）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冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为0，微电脑鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更优的迷宫路径；5）在微电脑鼠沿着Y轴反方向运动过程中如果没有挡墙进入前方的运动范围，将没有挡墙的坐标格数值记做Z，微电脑鼠将存储此时坐标（X,Y），为了快速行走需要，舍弃了传统单一速度冲刺模式，按照预设的速度和时间曲线进行加速和减速，在其向前运动过程中，ARM9把向前Z格的距离按照时间要求转化为微电脑鼠需要冲刺的加速度和速度指令值，然后与FPGA通讯，FPGA结合光电编码器和电流传感器的反馈把加速度和速度指令值转化为实际的速度和加速度，由FPGA生成驱动两轴电机的PWM波信号，经驱动桥后驱动微电脑鼠到达预定距离，微电脑鼠在冲刺过程中每经过一个方格，将更新其坐标为（X,Y-1），在确定Y-1>0的前提下，判断其坐标是不是（7，7）、（7，8）、（8，7）、（8，8）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冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为0，微电脑鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更优的迷宫路径；6）在微电脑鼠沿着Y轴向前运动过程中如果有挡墙进入前方的运动范围，并且此时迷宫信息中左方有挡墙时，微电脑鼠将存储此时坐标（X,Y），然后进入预设的曲线运动轨迹，在右冲刺转弯时，微电脑鼠将首先向前直线走很短的距离DashTurn_R90_Leading指令传输给ARM9，ARM9根据冲刺的时间要求，把向前直线走的距离转化为相应的位置、速度和加速度指令然后传输给FPGA，FPGA再结合电机反馈的光电编码器A、B、Z和电机电流I信号生成控制电机X和电机Y的PWM波，然后经过驱动桥驱动两轮电机运转到预定位置，此时微电脑鼠向右前直线运动R90_FrontWallRef指令开始工作，防止外界干扰开始做误差补偿；微电脑鼠然后将微电脑鼠右转的前半段DashTurn_R90_Arc1指令传输给ARM9，ARM9根据新的冲刺时间要求，把向前直线走的距离转化为相应的位置、速度和加速度指令然后传输给FPGA，FPGA再结合电机反馈的光电编码器A、B、Z和电机电流I信号生成控制电机X和电机Y的PWM波和电机的速度DashTurn_R90_VelX1指令和DashTurn_R90_VelY1指令，然后经过驱动桥驱动两轮电机运转到预定位置；随后，微电脑鼠开始调整速度将微电脑鼠将行走的距离DashTurn_R90_Arc2指令传输给ARM9，ARM9根据新的冲刺时间要求，把行走的距离转化为相应的位置、速度和加速度指令然后传输给FPGA，FPGA再结合光电编码器和电机电流的反馈生成控制电机X和电机Y的PWM波和电机的速度DashTurn_R90_VelX2指令和DashTurn_R90_VelY2指令，然后经过驱动桥驱动两轮电机运转到预定位置；微电脑鼠开始调整速度将微电脑鼠将行走的距离DashTurn_R90_Passing指令传输给ARM9，ARM9根据新的冲刺时间要求，把行走的距离转化为相应的位置、速度和加速度指令然后传输给FPGA，FPGA再结合光电编码器和电机电流的反馈生成控制电机X和电机Y的PWM和电机的速度DashTurn_R90_VelX3指令和DashTurn_R90_VelY3指令，然后经过驱动桥驱动两轮电机运转到预定位置，经过四段不同的速度、和电流的闭环控制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<15的前提下，判断其坐标是不是（7，7）、（7，8）、（8，7）、（8，8）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冲刺到目标，然后置返航探索标志为1，冲刺标志为0，微电脑鼠准备冲刺后的二次返程探索，去搜寻更优的迷宫路径；7）在微电脑鼠沿着Y轴向前运动过程中如果有挡墙进入前方的运动范围，并且此时迷宫信息中右方有挡墙时，微电脑鼠将存储此时坐标（X,Y），然后进入预设的曲线运动轨迹，在右冲刺转弯时，微电脑鼠将首先向前直线走很短的距离DashTurn_L90_Leading指令传输给ARM9，A...

【专利技术属性】
技术研发人员：张好明，王应海，
申请(专利权)人：苏州工业园区职业技术学院，
类型：发明
国别省市：