基于雙核四輪微電腦鼠快速沖刺控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙核四輪微電腦鼠快速沖刺控制器，包括主控制單元、四個運動控制單元和電源，所述主控制單元與所述電源電性連接，所述主控制單元包括ARM處理器和FPGA處理器，所述ARM處理器與FPGA處理器之間電性連接以將控制信號輸出至所述FPGA處理器控制所述FPGA處理器工作或關(guān)斷；所述FPGA處理器進一步與每一個所述運動控制單元電性連接。本發(fā)明同時采用兩個處理器協(xié)同工作處理數(shù)據(jù)，運算速度較快，避免了大電流的產(chǎn)生，防止鋰離子電池過度老化；采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，可依據(jù)迷宮地面和周圍環(huán)境狀態(tài)不同而將需求扭矩按不同比例分布在前后所有的輪子上，轉(zhuǎn)彎方便，穩(wěn)定性較好，提高了微電腦鼠的行駛能力。
【專利說明】基于雙核四輪微電腦鼠快速沖刺控制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微型機器人領(lǐng)域，尤其涉及一種基于雙核四輪微電腦鼠快速沖刺控制器。
【背景技術(shù)】
[0002]微電腦鼠是使用嵌入式微控制器、傳感器和機電運動部件構(gòu)成的一種智能行走機器人，在國外已經(jīng)競賽了將近30年，由其原理可以轉(zhuǎn)化為多種實際的工業(yè)機器人，近幾年內(nèi)才引進國內(nèi)，并逐漸成為一個新興的競賽項目。微電腦鼠可以在不同迷宮中自動記憶和選擇路徑，采用相應(yīng)的算法，快速地到達所設(shè)定的目的地。一只優(yōu)秀的微電腦鼠必須具備良好的感知能力，有良好的行走能力，優(yōu)秀的智能算法，一只完整的微電腦鼠在大體分為以下幾個部分:
I)傳感器:傳感器是微電腦鼠的眼睛，是微電腦鼠準確獲取外部環(huán)境信息的依據(jù)，然后把外界信息輸送到微處理器進行各種條件判斷。
[0003]2)電機:執(zhí)行電機是微電腦鼠的動力源，它根據(jù)微處理器的指令來執(zhí)行微電腦鼠在迷宮中行走時的相關(guān)動作。
[0004]3)算法:算法是微電腦鼠的靈魂。微電腦鼠必須采用一定的智能算法才能找到終點，才能找到一條最短的路徑，在最短的時間內(nèi)到達終點。
[0005]4)微處理器:微處理器是微電腦鼠的核心部分,是微電腦鼠的大腦。微電腦鼠所有的信息，包括墻壁信息，位置信息，角度信息和電機狀態(tài)信息等都需要經(jīng)過微處理器處理并做出相應(yīng)的判斷。
[0006]電腦鼠結(jié)合了多學(xué)科知識，對于提升在校學(xué)生的動手能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進學(xué)生課堂知識的消化和擴展學(xué)生的知識面都非常有幫助。另外電腦鼠走迷宮極具趣味性，容易得到學(xué)生的認同及參與，并能很好的激發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生這方面的興趣和愛好。其開展必然提升參賽者在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平和應(yīng)用能力，為技術(shù)創(chuàng)新提供平臺?？梢耘囵B(yǎng)大批相關(guān)領(lǐng)域的人才，進而促進相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進程。由于國內(nèi)研發(fā)此機器人的單位較少，對國際規(guī)則讀取水平較低，相對水平比較落后，研發(fā)的微電腦鼠結(jié)構(gòu)如圖1，長時間運行發(fā)現(xiàn)存在著很多安全問題，即:
(I)作為微電腦鼠的眼睛采用的是超聲波或者是一般的紅外傳感器，使得微電腦鼠在快速沖刺時對周圍迷宮的判斷存在一定的誤判。
[0007](2)作為微電腦鼠的執(zhí)行機構(gòu)采用的是步進電機，經(jīng)常會遇到丟失脈沖的問題出現(xiàn)，導(dǎo)致對沖刺位置的記憶出現(xiàn)錯誤。
[0008](3)由于采用步進電機，使得機體發(fā)熱比較嚴重，不利于在大型復(fù)雜迷宮中快速沖刺。
[0009](4)由于采用比較低級的算法，在迷宮當中的沖刺一般都要花費15?30秒的時間，這使得在真正的大賽中無法取勝。
[0010](5)由于微電腦鼠在快速沖刺過程中要頻繁的剎車和啟動，加重了單片機的工作量，單片信號處理器無法滿足微電腦鼠快速沖刺的要求。
[0011 ] (6)相對采用的都是一些體積比較大的插件元器件使得微電腦鼠的體積比較龐大，無法滿足快速沖刺的要求。
[0012](7)由于受周圍環(huán)境不穩(wěn)定因素干擾，特別是周圍一些光線的干擾，單片機控制器經(jīng)常會出現(xiàn)異常，引起微電腦鼠失控，抗干擾能力較差。
[0013](8)對于差速控制的微電腦鼠來說，一般要求其兩個電機的控制信號要同步，但是對于單一單片機來說又很難辦到，使得微電腦鼠在直道上行駛的時候就要來回的補償，特別是對于高速沖刺時，微電腦鼠有的時候在迷宮當中搖擺幅度較大。
[0014](9)由于受單片機容量和算法影響，微電腦鼠對迷宮的信息沒有存儲，當遇到掉電情況時候所有的信息將消失，這使得整個沖刺過程無法完成。
[0015](10)由于受單片機容量影響，現(xiàn)有的微電腦鼠基本上都只有兩個動力驅(qū)動輪，采用兩輪差速方式行駛，使得系統(tǒng)對兩軸的伺服要求較高，特別是直線導(dǎo)航時，要求速度和加速度要追求嚴格的一致，否則直線導(dǎo)航將會失敗，導(dǎo)致微電腦鼠出現(xiàn)撞墻的現(xiàn)象發(fā)生；
(11)兩輪微電腦鼠系統(tǒng)在加速時由于重心后移，使得老鼠前部輕飄，即使在良好的路面上微電腦鼠也會打滑，有可能導(dǎo)致撞墻的現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于高速微電腦鼠的發(fā)展。
[0016](12)兩輪微電腦鼠系統(tǒng)在正常行駛時如果設(shè)計不當造成重心前偏，將導(dǎo)致驅(qū)動輪上承受的正壓力減小，這時微電腦鼠系統(tǒng)更加容易打滑，也更容易走偏，導(dǎo)致導(dǎo)航失敗。
[0017](13)兩輪微電腦鼠系統(tǒng)在正常行駛時如果設(shè)計不當造成重心側(cè)偏將導(dǎo)致兩個驅(qū)動輪承受的正壓力不同，在快速啟動時兩輪打滑程度不一致，瞬間就偏離軌跡，轉(zhuǎn)彎時，其中正壓力小的輪子可能打滑，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎困難。
[0018](14)由于采用兩個動力輪驅(qū)動，為了滿足復(fù)雜狀態(tài)下的加速和減速，使得單個驅(qū)動電機的功率較大，不僅占用的空間較大，而且有時候在一些相對需求能量較低的狀態(tài)下造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于微電腦鼠本體微型化發(fā)展和微電腦鼠系統(tǒng)能源的節(jié)省。
[0019]因此，需要對現(xiàn)有的基于單片機控制的微電腦鼠控制器進行重新設(shè)計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種基于雙核四輪微電腦鼠快速沖刺控制器，同時采用兩個處理器(即ARM處理器和FPGA處理器)協(xié)同工作處理數(shù)據(jù)，運算速度較快，避免了大電流的產(chǎn)生，防止鋰離子電池過度老化；采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，即可選擇四輪同時驅(qū)動，也可選擇兩輪驅(qū)動，可依據(jù)迷宮地面和周圍環(huán)境狀態(tài)不同而將需求扭矩按不同比例分布在前后所有的輪子上，轉(zhuǎn)彎方便，穩(wěn)定性較好，提高了微電腦鼠的行駛能力。
[0021]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是:提供一種基于雙核四輪微電腦鼠快速沖刺控制器，包括主控制單元、四個運動控制單元和電源，所述主控制單元與所述電源電性連接，所述主控制單元包括ARM處理器和FPGA處理器，所述ARM處理器與FPGA處理器之間電性連接以將控制信號輸出至所述FPGA處理器，所述控制信號控制所述FPGA處理器工作或關(guān)斷；所述FPGA處理器進一步與每一個所述運動控制單元電性連接以控制所述運動控制單元工作。
[0022]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述快速沖刺控制器進一步包括上位機控制單元，所述上位機控制單元包括迷宮讀取單元、坐標定位單元和在線輸出單元,所述迷宮讀取單元、坐標定位單元和在線輸出單元分別與所述ARM處理器電性連接。
[0023]在本發(fā)明一個較佳實施例中，每一個所述運動控制單元包括運動控制器和電機，所述運動控制器與電機電性連接，所述電機為高速永磁直流電機，每一個所述電機的轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有光電編碼器。
[0024]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述運動控制器包括伺服控制驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)存儲單元和輸入輸出接口，所述伺服控制驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)存儲單元和輸入輸出接口分別與所述FPGA處理器電性連接。
[0025]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述伺服控制驅(qū)動單元包括數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、光電編碼器、電流電壓檢測單元、速度檢測單元和坐標檢測單元。
[0026]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換單元包括DA芯片。
[0027]本發(fā)明還提供一種四輪微電腦鼠，包括所述快速沖刺控制器，所述快速沖刺控制器包括主控制單元和四個運動控制單元，所述主控制單元包括ARM處理器和FPGA處理器，所述ARM處理器與FPGA處理器之間電性連接以將控制信號輸出至所述FPGA處理器，所述控制信號控制所述FPGA處理器工作或關(guān)斷；所述FPGA處理器進一步與每一個所述運動控制單元電性連接以控制所述運動控制單元工作；所述四輪微電腦鼠進一步包括外殼，所述快速沖刺控制器設(shè)置在所述外殼內(nèi)部。
[0028]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述外殼的兩側(cè)分別設(shè)置有兩個車輪，每一個所述車輪與一個電機連接。
[0029]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述外殼上進一步設(shè)有光電補償傳感器和電壓傳感器，所述光電補償傳感器和電壓傳感器分別與所述主控制單元電性連接。
[0030]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述殼體頂部進一步設(shè)有蔽障傳感器，所述蔽障傳感器的數(shù)量大于等于六個，其中，兩個蔽障傳感器的信號發(fā)射方向與所述車輪的運動方向相同，還有兩個蔽障傳感器的信號發(fā)射方向相反且垂直于所述車輪的運動方向，其它蔽障傳感器的信號發(fā)射方向與所述車輪的運動方向的夾角成銳角。
[0031]本發(fā)明的有益效果是:
1)在運動過程中，充分考慮了電池在這個系統(tǒng)中的作用，基于ARM+FPGA(A3P250)控制器時刻都在對微電腦鼠的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和運算，簡化了接口電路，系統(tǒng)的調(diào)試簡單，防止了程序跑飛，避免了大電流的產(chǎn)生，所以從根本上解決了大電流對鋰離子電池的沖擊，避免了由于大電流放電而引起的鋰離子電池過度老化現(xiàn)象的發(fā)生；
2)為了充分提高微電腦鼠系統(tǒng)的穩(wěn)定性和行駛能力，本發(fā)明采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，前置驅(qū)動和后置驅(qū)動的四個電機功率一致，四輪伺服運動均有FPGA (A3P250)完成，微電腦鼠前后四個輪都有動力，可按迷宮地面和周圍環(huán)境狀態(tài)不同而將需求扭矩按不同比例分布在前后所有的輪子上，以提高微電腦鼠的行駛能力；
3)能夠依據(jù)路面情況自動在兩輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動之間切換，增強了微電腦鼠的附著力和操控性，轉(zhuǎn)彎時穩(wěn)定性較好，微電腦鼠運動時重心不易偏移，平衡性較好，不易打滑；
4)由FPGA(A3P250)處理微電腦鼠的四只高速永磁直流電機的獨立伺服控制，充分發(fā)揮FPGA (A3P250)控制方面的特長以及程序移植功能，使得控制比較簡單，大大提高了運算速度，解決了單片機軟件運行較慢的瓶頸，縮短了開發(fā)周期短，并且程序可移植能力強； 5)本微電腦鼠采用了國際上使用最多的紅外傳感器0PE5594A，使得運算精度大大提
聞;
6 )采用高速永磁直流電機,性能較穩(wěn)定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖，其中:
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中的微電腦鼠的沖刺控制器的電路結(jié)構(gòu)框圖；
圖2是本發(fā)明所述快速沖刺控制器的電路結(jié)構(gòu)框圖；
圖3是本發(fā)明所述ARM處理器的控制示意圖；
圖4是本發(fā)明所述微電腦鼠運動時的迷宮坐標示意圖；
圖5是本發(fā)明所述微電腦鼠一較佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是本發(fā)明所述微電腦鼠的運動速度-時間曲線圖；
圖7是本發(fā)明所述微電腦鼠的右轉(zhuǎn)沖刺示意圖；
圖8是本發(fā)明所述微電腦鼠的左轉(zhuǎn)沖刺示意圖。
[0033]附圖中各部件的標記如下:1、外殼；2、車輪；3、蔽障傳感器；4、光電補償傳感器，
5、電壓傳感器。
【具體實施方式】
[0034]下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0035]請參閱圖1至圖8，本發(fā)明實施例包括:
一種基于雙核四輪微電腦鼠快速沖刺控制器，包括主控制單元、四個運動控制單元和電源，所述主控制單元與所述電源電性連接，所述主控制單元包括ARM處理器和FPGA處理器，所述ARM處理器與FPGA處理器之間電性連接以將控制信號輸出至所述FPGA處理器，所述控制信號控制所述FPGA處理器工作或關(guān)斷；所述FPGA處理器進一步與每一個所述運動控制單元電性連接以控制所述運動控制單元工作。
[0036]在本發(fā)明中，所述快速沖刺控制器進一步包括上位機控制單元，所述上位機控制單元包括迷宮讀取單元、坐標定位單元和在線輸出單元，所述迷宮讀取單元、坐標定位單元和在線輸出單元分別與所述ARM處理器電性連接。
[0037]其中，每一個所述運動控制單元包括運動控制器和電機，所述運動控制器與電機電性連接，所述電機為高速永磁直流電機，每一個所述電機的轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有光電編碼器，將四個運動控制單元中的電機分別編號為X、Y、z、R0所述運動控制器包括伺服控制驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)存儲單元和輸入輸出接口，所述伺服控制驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)存儲單元和輸入輸出接口分別與所述FPGA處理器電性連接。所述伺服控制驅(qū)動單元包括數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、光電編碼器、電流電壓檢測單元、速度檢測單元和坐標檢測單元。所述數(shù)模轉(zhuǎn)換單元包括DA芯片。
[0038]本發(fā)明還提供一種四輪微電腦鼠，包括以上所述快速沖刺控制器，所述四輪微電腦鼠進一步包括外殼I，所述快速沖刺控制器設(shè)置在所述外殼I內(nèi)部。所述外殼I的兩側(cè)分別設(shè)置有兩個車輪2，每一個所述車輪2與一個所述電機連接。所述外殼I上進一步設(shè)有光電補償傳感器4和電壓傳感器5，所述光電補償傳感器4和電壓傳感器5分別與所述主控制單元電性連接。
[0039]此外，所述殼體頂部進一步設(shè)有蔽障傳感器3，所述蔽障傳感器3的數(shù)量大于等于六個，其中，兩個蔽障傳感器3的信號發(fā)射方向與所述車輪2的運動方向相同，還有兩個蔽障傳感器3的信號發(fā)射方向相反且垂直于所述車輪2的運動方向，其它蔽障傳感器3的信號發(fā)射方向與所述車輪2的運動方向的夾角成銳角。
[0040]在具體應(yīng)用時，本發(fā)明開發(fā)時采用S3C2440A和A3P250作為開發(fā)板核心，所述電腦鼠基本實現(xiàn)全貼片元器件材料，實現(xiàn)了單板控制，不僅節(jié)省了控制板占用空間，而且有利于體積和重量的減輕，有利于提高微電腦鼠伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。
[0041]本發(fā)明的工作原理為:
I)人為把微電腦鼠放在迷宮起始點，在電源打開狀態(tài)下，微電腦鼠先進入自鎖狀態(tài)并調(diào)取已經(jīng)優(yōu)化的迷宮信息，然后微電腦鼠依靠前方、左右側(cè)面蔽障傳感器3根據(jù)實際導(dǎo)航環(huán)境傳輸參數(shù)給雙核控制器中的ARM9(S3C2440A)，ARM9 (S3C2440A)處理后與FPGA(A3P250)通訊，然后由FPGA (A3P250)結(jié)合光電編碼器和電流傳感器的反饋生成控制四路直流電機的同步PWM波信號，并把處理數(shù)據(jù)通訊給ARM9 (S3C2440A)，由ARM9 (S3C2440A)繼續(xù)處理后續(xù)的運行狀態(tài)。
[0042]2)在微電腦鼠未接到?jīng)_刺命令之前，它一般會在起點坐標(0，0)等待控制器發(fā)出的沖刺命令，并調(diào)出已經(jīng)探索后的最優(yōu)迷宮，一旦接到?jīng)_刺命令后，會沿著起點開始快速向終點坐標(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)沖刺。
[0043]3)微電腦鼠放在起點坐標(0，0)，接到任務(wù)后為了防止放錯沖刺方向，其前方的蔽障傳感器3會對前方的環(huán)境進行判斷，確定有沒有擋墻進入運動范圍，如存在擋墻將向ARM9 (S3C2440A)發(fā)出中斷請求，ARM9 (S3C2440A)會對中斷做第一時間響應(yīng)，如果ARM9 (S3C2440A)的中斷響應(yīng)沒有來得及處理，微電腦鼠的電機X、電機Y、電機Z和電機R將繼續(xù)自鎖，然后二次判斷迷宮確定前方信息，防止信息誤判；如果沒有擋墻進入前方的運動范圍，微電腦鼠將進行正常的沖刺。
[0044]4)在微電腦啟動沖刺瞬間，蔽障傳感器3判斷周圍的環(huán)境并送給ARM9(S3C2440A)，然后由ARM9(S3C2440A)根據(jù)沖刺迷宮信息生成速度-時間運動梯形圖的指令給定值，這個梯形包含的面積就是微電腦鼠兩個電機X、電機Y、電機Z和電機R要運行的距離 SI。然后 ARM9 (S3C2440A)使能 FPGA (A3P250),與 FPGA (A3P250)通訊，由 FPGA(A3P250)根據(jù)這些參數(shù)結(jié)合光電編碼盤和電流傳感器的反饋生成驅(qū)動四軸直流電機的PWM波與方向。PWM波經(jīng)驅(qū)動橋后驅(qū)動四個獨立電機，完成整個加速過程直到達到?jīng)_刺設(shè)定速度，并把處理數(shù)據(jù)通訊給ARM9 (S3C2440A)，由ARM9 (S3C2440A)繼續(xù)處理后續(xù)的運行狀態(tài)。
[0045]5)在微電腦鼠沿著Y軸向前運動如果有多個坐標(記為Z格坐標)沒有擋墻進入前方的運動范圍，微電腦鼠將存儲其坐標(X，Y)，為了快速沖刺需要，舍棄了傳統(tǒng)單一速度沖刺模式，按照圖6的速度和時間曲線進行加速和減速，并把向前運動Z格的位置參數(shù)傳輸給ARM9 (S3C2440A)，然后ARM9 (S3C2440A)把此參數(shù)按照各種沖刺條件不同的要求轉(zhuǎn)化為速度參數(shù)以及加速度參數(shù)并使能FPGA(A3P250)，然后把設(shè)定指令值傳輸給FPGA(A3P250)，F(xiàn)PGA (A3P250)會根據(jù)這些參數(shù)指令值并結(jié)合光電編碼器和電流傳感器的反饋生成驅(qū)動后軸電機X和電機Y的PWM波形和方向，控制后軸的電機X和電機Y向前運動快速，并時刻記錄在迷宮移動的具體距離S。如果在快速沖刺運動過程中，出現(xiàn)打滑或者是灰塵較多的狀況時，ARM9 (S3C2440A)會相應(yīng)FPGA(A3P250)內(nèi)前驅(qū)的兩個電機使能中斷，ARM9 (S3C2440A)把剩余的距離轉(zhuǎn)化為新的參考指令值傳輸給FPGA (A3P250)，F(xiàn)PGA (A3P250)會根據(jù)這些參數(shù)結(jié)合光電編碼盤和電流傳感器的反饋生成驅(qū)動前后左右四輪的PWM波形和方向，經(jīng)驅(qū)動橋控制前后左右輪的電機X、電機Y、電機Z和電機R向前運動，當?shù)竭_設(shè)定目標時，將更新其坐標為(X，Y+Z)，在其向前運動過程到達既定目標時，在Y+Z〈15的前提下，判斷其坐標是不是(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)其中的一個，如果不是將繼續(xù)更新其坐標，如果是的話通知控制器已經(jīng)沖刺到目標，然后置返航探索標志為1，沖刺標志為O,微電腦鼠準備沖刺后的二次返程探索，去搜尋更優(yōu)的迷宮路徑；
6)在微電腦鼠沿著Y軸反向向前運動如果有多個坐標(記為Z格坐標)沒有擋墻進入前方的運動范圍，微電腦鼠將存儲其坐標(X，Y)，為了快速沖刺需要，舍棄了傳統(tǒng)單一速度沖刺模式，按照圖6的速度和時間曲線進行加速和減速，并把向前運動Z格的位置參數(shù)傳輸給ARM9 (S3C2440A)，然后ARM9 (S3C2440A)把此參數(shù)按照各種沖刺條件不同的要求轉(zhuǎn)化為速度參數(shù)以及加速度參數(shù)并使能FPGA(A3P250)，然后把設(shè)定指令值傳輸給FPGA(A3P250)，F(xiàn)PGA (A3P250)會根據(jù)這些參數(shù)指令值并結(jié)合光電編碼器和電流傳感器的反饋生成驅(qū)動后軸電機X和電機Y的PWM波形和方向，控制后軸的電機X和電機Y向前運動快速，并時刻記錄在迷宮移動的具體距離S。如果在快速沖刺運動過程中，出現(xiàn)打滑或者是灰塵較多的狀況時，ARM9 (S3C2440A)會相應(yīng)FPGA(A3P250)內(nèi)前驅(qū)的兩個電機使能中斷，ARM9 (S3C2440A)把剩余的距離轉(zhuǎn)化為新的參考指令值傳輸給FPGA (A3P250)，F(xiàn)PGA (A3P250)會根據(jù)這些參數(shù)結(jié)合光電編碼盤和電流傳感器的反饋生成驅(qū)動前后左右四輪的PWM波形和方向，經(jīng)驅(qū)動橋控制前后左右輪的電機X、電機Y、電機Z和電機R向前運動，當?shù)竭_設(shè)定目標時，將更新其坐標為(X，Y-Z)，在其向前運動過程到達既定目標時，在Υ-Ζ>0的前提下，判斷其坐標是不是(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)其中的一個，如果不是將繼續(xù)更新其坐標，如果是的話通知控制器已經(jīng)沖刺到目標，然后置返航探索標志為1，沖刺標志為O,微電腦鼠準備沖刺后的二次返程探索，去搜尋更優(yōu)的迷宮路徑；
7)在微電腦鼠沿著Y軸向前運動過程中如果有擋墻進入前方的運動范圍，并且此時迷宮信息中左方有擋墻時，微電腦鼠將存儲此時坐標(X，Y)，然后進入圖7所示的曲線運動軌跡，在右沖刺轉(zhuǎn)彎時，ARM9 (S3C2440A)首先把行走直線很短的距離Leading按照各種沖刺條件不同的要求轉(zhuǎn)化為速度參數(shù)以及加速度參數(shù)指令值，然后使能FPGA (A3P250),由FPGA (A3P250)使能四個直流電機的中斷請求，F(xiàn)PGA (A3P250)根據(jù)這些參數(shù)并結(jié)合光電編碼器和電流傳感器的反饋生成驅(qū)動前后左右輪的PWM波形和方向，控制電機X、電機Y、電機Z和電機R向前快速運動；當?shù)竭_既定目標時，傳感器參考值R90_FrontWallRef開始工作，防止外界干擾開始做誤差補償。誤差補償結(jié)束后，ARM9(S3C2440A)把行走的曲線軌跡Arcl和Arc3按照各種沖刺條件不同的要求轉(zhuǎn)化為FPGA (A3P250)的速度參數(shù)以及加速度參數(shù)指令值，F(xiàn)PGA (A3P250)根據(jù)這些參數(shù)并結(jié)合光電編碼器和電流傳感器的反饋生成驅(qū)動前驅(qū)和后驅(qū)四軸電機的PWM波形和方向，然后控制前后左右四輪工作；當?shù)竭_既定目標后，ARM9(S3C2440A)把行走的曲線軌跡Arc2和Arc4按照各種沖刺條件不同的要求轉(zhuǎn)化為FPGA (A3P250)的速度參數(shù)以及加速度參數(shù)指令值，F(xiàn)PGA (A3P250)根據(jù)這些參數(shù)并結(jié)合光電編碼器和電流傳感器的反饋生成驅(qū)動前驅(qū)和后驅(qū)四軸電機的PWM波形和方向，然后控制前后左右四輪工作；當?shù)竭_既定目標后，控制器把直線行走很短的距離Passing按照各種沖刺條件不同的要求轉(zhuǎn)化為FPGA (A3P250)的速度參數(shù)以及加速度參數(shù)指令值，F(xiàn)PGA(A3P250)根據(jù)這些參數(shù)并結(jié)合光電編碼器和電流傳感器的反饋生成驅(qū)動前驅(qū)和后驅(qū)四軸電機的PWM波形和方向，然后控制前后左右四輪工作；當?shù)竭_既定目標后，完成整個右轉(zhuǎn)彎的軌跡曲線運動。此時將更新其坐標為(X+1，Y)，在X+l〈15的前提下，判斷其坐標是不是(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)其中的一個，如果不是將繼續(xù)更新其坐標，如果是的話通知控制器已經(jīng)沖刺到目標，然后置返航探索標志為1，沖刺標志為O,微電腦鼠準備沖刺后的二次返程探索，去搜尋更優(yōu)的迷宮路徑；
8)在微電腦鼠沿著Y軸向前運動過程中如果有擋墻進入前方的運動范圍，并且此時迷宮信息中右方有擋墻時，微電腦鼠將存儲此時坐標(X，Y)，然后進入圖8所示的曲線運動軌跡，在左沖刺轉(zhuǎn)彎時，ARM9 (S3C2440A)首先把行走直線很短的距離Leading按照各種沖刺條件不同的要求轉(zhuǎn)化為速度參數(shù)以及加速度參數(shù)指令值，然后使能FPGA (A3P250),由FPGA (A3P250)使能四個直流電機的中斷請求，F(xiàn)PGA (A3P250)根據(jù)這些參數(shù)并結(jié)合光電編碼器和電流傳感器的反饋生成驅(qū)動前后左右輪的PWM波形和方向，控制電機X、電機Y、電機Z和電機R向前快速運動；當?shù)竭_既定目標時，傳感器參考值L90_FrontWallRef開始工作，防止外界干擾開始做誤差補償。誤差補償結(jié)束后，ARM9(S3C2440A)把行走的曲線軌跡Arcl和Arc3按照各種沖刺條件不同的要求轉(zhuǎn)化為FPGA (A3P250)的速度參數(shù)以及加速度參數(shù)指令值，F(xiàn)PGA (A3P250)根據(jù)這些參數(shù)并結(jié)合光電編碼器和電流傳感器的反饋生成驅(qū)動前驅(qū)和后驅(qū)四軸電機的PWM波形和方向，然后控制前后左右四輪工作；當?shù)竭_既定目標后，ARM9(S3C2440A)把行走的曲線軌跡Arc2和Arc4按照各種沖刺條件不同的要求轉(zhuǎn)化為FPGA (A3P250)的速度參數(shù)以及加速度參數(shù)指令值，F(xiàn)PGA (A3P250)根據(jù)這些參數(shù)并結(jié)合光電編碼器和電流傳感器的反饋生成驅(qū)動前驅(qū)和后驅(qū)四軸電機的PWM波形和方向，然后控制前后左右四輪工作；當?shù)竭_既定目標后，控制器把直線行走很短的距離Passing按按照各種沖刺條件不同的要求轉(zhuǎn)化為FPGA (A3P250)的速度參數(shù)以及加速度參數(shù)指令值，F(xiàn)PGA(A3P250)根據(jù)這些參數(shù)并結(jié)合光電編碼器和電流傳感器的反饋生成驅(qū)動前驅(qū)和后驅(qū)四軸電機的PWM波形和方向，然后控制前后左右四輪工作；當?shù)竭_既定目標后，完成整個右轉(zhuǎn)彎的軌跡曲線運動。此時將更新其坐標為(X-1，Y)，在X-1>0的前提下，判斷其坐標是不是(7，
7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)其中的一個，如果不是將繼續(xù)更新其坐標，如果是的話通知控制器已經(jīng)沖刺到目標，然后置返航探索標志為1，沖刺標志為O,微電腦鼠準備沖刺后的二次返程探索，去搜尋更優(yōu)的迷宮路徑；
9)當微電腦鼠沖刺到達(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)后會準備沖刺后的返程探索以便搜尋更優(yōu)的路徑，ARM9(S3C2440A)會調(diào)出其已經(jīng)存儲的迷宮信息，然后計算出可能存在的其它最佳路徑，然后返程開始進入其中認為最優(yōu)的一條。
[0046]10)在微電腦鼠進入迷宮返程探索時，其導(dǎo)航的傳感器S1、S2、S3、S4、S5、S6將工作，并把反射回來的光電信號送給ARM9 (S3C2440A)，經(jīng)ARM9 (S3C2440A)判斷后送給FPGA(A3P250)，由FPGA (A3P250)運算后與ARM9 (S3C2440A)進行通訊，然后由控制器送控制信號給導(dǎo)航的電機X和電機Y進行確定:如果進入已經(jīng)搜索的區(qū)域?qū)⑦M行快速前進，如果是未知返回區(qū)域則采用正常速度搜索，并時刻更新其坐標(X，Y)，并判斷其坐標是不是(0，0)，如果是的話置返航探索標志為O，微電腦鼠進入沖刺階段，并置沖刺標志為I。
[0047]11)為了能夠?qū)崿F(xiàn)微電腦鼠準確的坐標計算功能，本發(fā)明在高速直流電機X、電機Y、電機Z和電機R軸上加入了 512線的光電編碼器，時刻對小車運行的距離進行計算并根據(jù)迷宮擋墻和柱子對傳感器反饋信息不同的特點引入了補償，使得微電腦鼠的沖刺坐標計算不會出現(xiàn)錯誤。
[0048]12)為了能夠減少光源對微電腦鼠沖刺的干擾，本發(fā)明加入了光電補償傳感器4，光電補償傳感器4會在微電腦鼠沖刺階段對周圍的異常光源進行讀取，并自動送給控制器做實時補償，消除了外界光源對沖刺的干擾。
[0049]13)在微電腦鼠運行過程中4觀9 630244(^)會對電機的轉(zhuǎn)矩進行在線辨識，當電機的轉(zhuǎn)矩受到外界干擾出現(xiàn)較大抖動時，控制器會利用電機力矩與電流的關(guān)系進行時候補償，減少了電機轉(zhuǎn)矩抖動對微電腦鼠高速沖刺的影響。
[0050]14)當微電腦完成整個沖刺過程到達(7，7)、(7，8)、(8，7)、(8，8)，微電腦鼠會置探索標志為1，微電腦鼠返程探索回到起始點(0，0)，ARM9 (S3C2440A)將控制FPGA (A3P250)的四個中斷響應(yīng)，使得四個電機一起減速控制微電腦在起始坐標(0，O)中心點停車，然后重新調(diào)整FPGA (A3P250)的四路P WM波輸出，使得電機X和電機Z，電機Y和電機R以相反的方向運動，并在陀螺儀的控制下，原地旋轉(zhuǎn)180度，然后停車I秒，二次調(diào)取迷宮信息，然后根據(jù)算法算出優(yōu)化迷宮信息后的最優(yōu)沖刺路徑，然后置沖刺標志為1，系統(tǒng)進入二次快速沖刺階段。然后按照沖刺——探索沖刺，完成多次的沖刺，以達到快速沖刺的目的。
[0051]本發(fā)明的有益效果是:
1)在運動過程中，充分考慮了電池在這個系統(tǒng)中的作用，基于ARM+FPGA(A3P250)控制器時刻都在對微電腦鼠的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和運算，簡化了接口電路，系統(tǒng)的調(diào)試簡單，防止了程序跑飛，避免了大電流的產(chǎn)生，所以從根本上解決了大電流對鋰離子電池的沖擊，避免了由于大電流放電而引起的鋰離子電池過度老化現(xiàn)象的發(fā)生；
2)為了充分提高微電腦鼠系統(tǒng)的穩(wěn)定性和行駛能力，本發(fā)明采用四輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，前置驅(qū)動和后置驅(qū)動的四個電機功率一致，四輪伺服運動均有FPGA (A3P250)完成，微電腦鼠前后四個輪都有動力，可按迷宮地面和周圍環(huán)境狀態(tài)不同而將需求扭矩按不同比例分布在前后所有的輪子上，以提高微電腦鼠的行駛能力；
3)能夠依據(jù)路面情況自動在兩輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動之間切換，增強了微電腦鼠的附著力和操控性，轉(zhuǎn)彎時穩(wěn)定性較好，微電腦鼠運動時重心不易偏移，平衡性較好，不易打滑；
4)由FPGA(A3P250)處理微電腦鼠的四只高速永磁直流電機的獨立伺服控制，充分發(fā)揮FPGA (A3P250)控制方面的特長以及程序移植功能，使得控制比較簡單，大大提高了運算速度，解決了單片機軟件運行較慢的瓶頸，縮短了開發(fā)周期短，并且程序可移植能力強；
5)本微電腦鼠采用了國際上使用最多的紅外傳感器0PE594A，使得運算精度大大提
聞;
6 )采用高速永磁直流電機,性能較穩(wěn)定。
[0052]以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關(guān)的【技術(shù)領(lǐng)域】，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于雙核四輪微電腦鼠快速沖刺控制器，其特征在于，包括主控制單元、四個運動控制單元和電源，所述主控制單元與所述電源電性連接，所述主控制單元包括ARM處理器和FPGA處理器，所述ARM處理器與FPGA處理器之間電性連接以將控制信號輸出至所述FPGA處理器，所述控制信號控制所述FPGA處理器工作或關(guān)斷；所述FPGA處理器進一步與每一個所述運動控制單元電性連接以控制所述運動控制單元工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙核四輪微電腦鼠快速沖刺控制器，其特征在于，所述快速沖刺控制器進一步包括上位機控制單元，所述上位機控制單元包括迷宮讀取單元、坐標定位單元和在線輸出單元，所述迷宮讀取單元、坐標定位單元和在線輸出單元分別與所述ARM處理器電性連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于雙核四輪微電腦鼠快速沖刺控制器，其特征在于，每一個所述運動控制單元包括運動控制器和電機，所述運動控制器與電機電性連接，所述電機為高速永磁直流電機，每一個所述電機的轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有光電編碼器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于雙核四輪微電腦鼠快速沖刺控制器，其特征在于，所述運動控制器包括伺服控制驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)存儲單元和輸入輸出接口，所述伺服控制驅(qū)動單元、數(shù)據(jù)存儲單元和輸入輸出接口分別與所述FPGA處理器電性連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于雙核四輪微電腦鼠快速沖刺控制器，其特征在于，所述伺服控制驅(qū)動單元包括數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、光電編碼器、電流電壓檢測單元、速度檢測單元和坐標檢測單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于雙核四輪微電腦鼠快速沖刺控制器，其特征在于，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換單元包括DA芯片。
7.一種四輪微電腦鼠，其特征在于，包括權(quán)利要求1至6任一所述快速沖刺控制器，所述四輪微電腦鼠進一步包括外殼，所述快速沖刺控制器設(shè)置在所述外殼內(nèi)部。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的四輪微電腦鼠，其特征在于，所述外殼的兩側(cè)分別設(shè)置有兩個車輪，每一個所述車輪與一個所述電機連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的四輪微電腦鼠，其特征在于，所述外殼上進一步設(shè)有光電補償傳感器和電壓傳感器，所述光電補償傳感器和電壓傳感器分別與所述主控制單元電性連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的四輪微電腦鼠，其特征在于，所述殼體頂部進一步設(shè)有蔽障傳感器，所述蔽障傳感器的數(shù)量大于等于六個，其中，兩個蔽障傳感器的信號發(fā)射方向與所述車輪的運動方向相同，還有兩個蔽障傳感器的信號發(fā)射方向相反且垂直于所述車輪的運動方向，其它蔽障傳感器的信號發(fā)射方向與所述車輪的運動方向的夾角成銳角。
【文檔編號】G05B19/042GK103472835SQ201310418498
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】張好明, 王應(yīng)海 申請人:蘇州工業(yè)園區(qū)職業(yè)技術(shù)學(xué)院