基于双核四轮微电脑鼠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四轮微电脑鼠快速冲刺控制器，包括主控制单元、四个运动控制单元和电源，所述主控制单元与所述电源电性连接，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处理器之间电性连接以将控制信号输出至所述FPGA处理器控制所述FPGA处理器工作或关断；所述FPGA处理器进一步与每一个所述运动控制单元电性连接。本发明专利技术同时采用两个处理器协同工作处理数据，运算速度较快，避免了大电流的产生，防止锂离子电池过度老化；采用四轮驱动结构，可依据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，转弯方便，稳定性较好，提高了微电脑鼠的行驶能力。

【技术实现步骤摘要】
基于双核四轮微电脑鼠快速冲刺控制器
本专利技术涉及微型机器人领域，尤其涉及一种基于双核四轮微电脑鼠快速冲刺控制器。
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。（10）由于受单片机容量影响，现有的微电脑鼠基本上都只有两个动力驱动轮，采用两轮差速方式行驶，使得系统对两轴的伺服要求较高，特别是直线导航时，要求速度和加速度要追求严格的一致，否则直线导航将会失败，导致微电脑鼠出现撞墙的现象发生；（11）两轮微电脑鼠系统在加速时由于重心后移，使得老鼠前部轻飘，即使在良好的路面上微电脑鼠也会打滑，有可能导致撞墙的现象出现，不利于高速微电脑鼠的发展。（12）两轮微电脑鼠系统在正常行驶时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，这时微电脑鼠系统更加容易打滑，也更容易走偏，导致导航失败。（13）两轮微电脑鼠系统在正常行驶时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。（14）由于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，不利于微电脑鼠本体微型化发展和微电脑鼠系统能源的节省。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四轮微电脑鼠快速冲刺控制器，同时采用两个处理器（即ARM处理器和FPGA处理器）协同工作处理数据，运算速度较快，避免了大电流的产生，防止锂离子电池过度老化；采用四轮驱动结构，即可选择四轮同时驱动，也可选择两轮驱动，可依据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，转弯方便，稳定性较好，提高了微电脑鼠的行驶能力。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种基于双核四轮微电脑鼠快速冲刺控制器，包括主控制单元、四个运动控制单元和电源，所述主控制单元与所述电源电性连接，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处理器之间电性连接以将控制信号输出至所述FPGA处理器，所述控制信号控制所述FPGA处理器工作或关断；所述FPGA处理器进一步与每一个所述运动控制单元电性连接以控制所述运动控制单元工作。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，每一个所述运动控制单元包括运动控制器和电机，所述运动控制器与电机电性连接，所述电机为高速永磁直流电机，每一个所述电机的转轴上设置有光电编码器。在本专利技术一个较佳实施例中，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，所述数模转换单元包括DA芯片。本专利技术还提供一种四轮微电脑鼠，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和四个运动控制单元，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处理器之间电性连接以将控制信号输出至所述FPGA处理器，所述控制信号控制所述FPGA处理器工作或关断；所述FPGA处理器进一步与每一个所述运动控制单元电性连接以控制所述运动控制单元工作；所述四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，所述外壳的两侧分别设置有两个车轮，每一个所述车轮与一个电机连接。在本专利技术一个较佳实施例中，所述外壳上进一步设有光电补偿传感器和电压传感器，所述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。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，所述蔽障传感器的数量大于等于六个，其中，两个蔽障传感器的信号发射方向与所述车本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双核四轮微电脑鼠快速冲刺控制器，其特征在于，包括主控制单元、四个运动控制单元和电源，所述主控制单元与所述电源电性连接，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处理器之间电性连接以将控制信号输出至所述FPGA处理器，所述控制信号控制所述FPGA处理器工作或关断；所述FPGA处理器进一步与每一个所述运动控制单元电性连接以控制所述运动控制单元工作。

【技术特征摘要】
1.一种基于双核四轮微电脑鼠快速冲刺控制器，其特征在于，包括主控制单元、四个运动控制单元和电源，所述主控制单元与所述电源电性连接，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处理器之间电性连接以将控制信号输出至所述FPGA处理器，所述控制信号控制所述FPGA处理器工作或关断；所述FPGA处理器进一步与每一个所述运动控制单元电性连接以控制所述运动控制单元工作，所述基于双核四轮微电脑鼠快速冲刺控制器的工作原理为：1）人为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信息，然后微电脑鼠依靠前方、左右侧面蔽障传感器（3）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结合光电编码器和电流传感器的反馈生成控制四路直流电机的同步PWM波信号，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，它一般会在起点坐标（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，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，其前方的蔽障传感器（3）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、电机Y、电机Z和电机R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）在微电脑启动冲刺瞬间，蔽障传感器（3）判断周围的环境并送给ARM9，然后由ARM9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电脑鼠两个电机X、电机Y、电机Z和电机R要运行的距离S1，然后ARM9使能FPGA，与FPGA通讯，由FPGA根据这些参数结合光电编码盘和电流传感器的反馈生成驱动四轴直流电机的PWM波与方向，PWM波经驱动桥后驱动四个独立电机，完成整个加速过程直到达到冲刺设定速度，并把处理数据通讯给ARM9，由ARM9继续处理后续的运行状态；5）在微电脑鼠沿着Y轴向前运动如果有多个坐标没有挡墙进入前方的运动范围，微电脑鼠将存储其坐标（X,Y），为了快速冲刺需要，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，并把向前运动Z格的位置参数传输给ARM9，然后ARM9把此参数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并使能FPGA，然后把设定指令值传输给FPGA，FPGA会根据这些参数指令值并结合光电编码器和电流传感器的反馈生成驱动后轴电机X和电机Y的PWM波形和方向，控制后轴的电机X和电机Y向前运动快速，并时刻记录在迷宫移动的具体距离S，如果在快速冲刺运动过程中，出现打滑或者是灰尘较多的状况时，ARM9会相应FPGA内前驱的两个电机使能中断，ARM9把剩余的距离转化为新的参考指令值传输给FPGA，FPGA会根据这些参数结合光电编码盘和电流传感器的反馈生成驱动前后左右四轮的PWM波形和方向，经驱动桥控制前后左右轮的电机X、电机Y、电机Z和电机R向前运动，当到达设定目标时，将更新其坐标为（X,Y+Z），在其向前运动过程到达既定目标时，在Y+Z<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；6）在微电脑鼠沿着Y轴反向向前运动如果有多个坐标没有挡墙进入前方的运动范围，微电脑鼠将存储其坐标（X,Y），为了快速冲刺需要，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，并把向前运动Z格的位置参数传输给ARM9，然后ARM9把此参数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并使能FPGA，然后把设定指令值传输给FPGA，FPGA会根据这些参数指令值并结合光电编码器和电流传感器的反馈生成驱动后轴电机X和电机Y的PWM波形和方向，控制后轴的电机X和电机Y向前运动快速，并时刻记录在迷宫移动的具体距离S，如果在快速冲刺运动过程中，出现打滑或者是灰尘较多的状况时，ARM9会相应FPGA内前驱的两个电机使能中断，ARM9把剩余的距离转化为新的参考指令值传输给FPGA，FPGA会根据这些参数结合光电编码盘和电流传感器的反馈生成驱动前后左右四轮的PWM波形和方向，经驱动桥控制前后左右轮的电机X、电机Y、电机Z和电机R向前运动，当到达设定目标时，将更新其坐标为（X,Y-Z），在其向前运动过程到达既定目标时，在Y-Z>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；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，ARM9首先把行走直线很短的距离（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指令值，然后使能FPGA，由FPGA使能四个直流电机的中断请求，FPGA根据这些参数并结合光电编码器和电流传感器的反馈生成驱动前后左右轮的PWM波形和方向，控制电机X、电机Y、电机Z和电机R向前快速运动；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，误差补偿结束后，ARM9把行走的曲线轨迹Arc1和Arc3按照各种冲刺条件不同的要求转化为FPGA的速度参数以及加速度参数指令值，FPGA根据这些参数并结合光电编码器和电流传感器的反馈生成驱动前驱和后驱四轴电机的PWM波形和方向，然后控制前后左右四轮工作；当到达既定目标后，ARM9把行走的曲线轨迹Arc2和Arc4按照各种冲刺条件不同的要求转化为FPGA的速度参数以及加速度参数指令值，FPGA根据这些参数并结合光电编码器和电流传感器的反馈生成驱动前驱和后驱四轴电机的PWM波形和方向，然后控制前后左右四轮工作；当到达既定目标后，控制器把直线行走很短的距离（Passing）按照各种冲刺条件不同的要求转化为FPGA的速度参数以及加速度参数指令值，FPGA根据这些参数并结合光电编码器和电流传感器的反馈生成驱动前驱和后驱四轴电机的PWM波形...

【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：