雙核微微鼠迷宮探索的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱利軍 王應(yīng)海

摘要：為提高微微鼠探索迷宮的穩(wěn)定性，并減少微微鼠在復(fù)雜迷宮中的探索時(shí)間，論文提出了基于STM32F429和A3P250的雙核控制器，智能S轉(zhuǎn)法的探索法則通過六條不同軌跡來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出，短距離調(diào)整實(shí)現(xiàn)微微鼠不同探索路徑的銜接，陀螺儀的加入可以實(shí)現(xiàn)微微鼠直線位置和轉(zhuǎn)彎的精確補(bǔ)償，前墻傳感器和陀螺儀組合保證了連續(xù)轉(zhuǎn)彎姿態(tài)的準(zhǔn)確性;微微鼠高速探索實(shí)驗(yàn)表明，S轉(zhuǎn)法能顯著提高微微鼠轉(zhuǎn)法的穩(wěn)定性和快速性，有利于縮短微微鼠在迷宮中的探索時(shí)間。

關(guān)鍵詞：微電腦鼠;S轉(zhuǎn)法;探索;陀螺儀

中圖分類號(hào)：TM301? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）30-0020-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design and Realization of Dual Core Pico-mouse Maze Searching

ZHU Li-jun， WANG Ying-hai

（Department of Electronic Engineering， Suzhou Industrial Park Institute of Vocational Technology， Suzhou 215123， China）

Abstract： To improve the stability and reduce the searching time of pico-mouse in complex maze， a dual core controller based on stm32f429 and a3p250 is proposed in this paper. Intelligent s-turning rule is realized by turning in and out through six different tracks. The short adjustment distance of turning in of and out realizes the connection of different searching path.Gyroscope can realize the accurate position correction of pico-mouse in the straight and turning compensation of the micro mouse， and the combination of front wall sensors and gyroscope ensures the accuracy of continuous turning posture; The high-speed searching experiment of the pico-mouse shows that the s-turning rule can significantly improve the stability and rapidity of the pico-mouse turning， which is conducive to shorten the searching time of the pico-mouse in the maze.

Key words： pico-mouse; s turning; searching; Gyroscope

1 引言

微電腦鼠是一種集感知、判斷、行走功能于一體的迷宮搜尋機(jī)器人，它依靠自身攜帶的多種傳感器探測(cè)并感知不同的“迷宮”，然后依靠人工智能算法求解并自動(dòng)記憶其搜尋路徑，然后在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)設(shè)定的迷宮目的地[1-4]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)以及智能控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于微電腦鼠求解迷宮的技術(shù)基礎(chǔ)，產(chǎn)生了一種更復(fù)雜的迷宮機(jī)器人——微微鼠：迷宮擋墻減少為原來的1/2，原有的256個(gè)迷宮變成了1024格，由于迷宮變得更加復(fù)雜，求解迷宮的難度也變得異常艱難，新迷宮二維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

微微鼠攜帶的電源一旦打開，控制器便開啟其自身攜帶的傳感器，微微鼠依靠這些傳感器探索由1024個(gè)迷宮格組成的各種復(fù)雜迷宮，并依靠這些傳感器在迷宮中自主導(dǎo)航，然后依靠人工智能算法找到一條從起點(diǎn)到設(shè)定目標(biāo)點(diǎn)的最佳路徑。微微鼠在探索過程中時(shí)刻依靠自身攜帶的傳感器判斷周圍的環(huán)境，環(huán)境參數(shù)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)化后傳輸?shù)娇刂破鳎煽刂破骺刂莆⑽⑹笃鋸?fù)雜迷宮格的啟動(dòng)、加速、減速和停止。微微鼠要想求解1024個(gè)迷宮格組成的各種復(fù)雜迷宮，必須具備良好的環(huán)境探測(cè)感知能力和良好的行走能力，并且此機(jī)器人必須有多種人工智能算法，否則將無法完成探索求解任務(wù)。國(guó)內(nèi)研究時(shí)間此機(jī)器人較短，開發(fā)的控制技術(shù)比較落后，因此，需要對(duì)現(xiàn)有的微微鼠重新設(shè)計(jì)。

2 基于ARM+FPGA雙核微微鼠硬件原理

STM32F429是由STM公司生產(chǎn)基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位flash微控制器。STM32F4系列主頻高達(dá)168MHz，并且支持單周期DSP指令和浮點(diǎn)單元，STM32F429集成了多個(gè)定時(shí)器、ADC、DAC等先進(jìn)外設(shè)，這些功能使得F4系列比較適合使用于控制和信號(hào)處理功能混合的數(shù)字信號(hào)控制系統(tǒng)[5-6]。

FPGA采用了邏輯單元陣列結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊、輸出輸入模塊和內(nèi)部連線三個(gè)部分，此特性使得FPGA可以根據(jù)需要自由編程以滿足實(shí)際需要，這種特性使得FPGA芯片可以提高系統(tǒng)集成度和可靠性，并且易于實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。A3P250是ACTEL公司設(shè)計(jì)的一種基于Flash技術(shù)的邏輯門陣列的器件，采用了顆粒架構(gòu)，具有250K個(gè)門結(jié)構(gòu)，具有極低的內(nèi)核電壓（1.5 V），具有抗輻射好、耐高低溫、功耗低等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得A3P250特別適合用于高性能的伺服控制。

在吸收國(guó)外先進(jìn)控制思想的基礎(chǔ)上，論文在基于ARM（STM32F429）的微微鼠運(yùn)動(dòng)控制器基礎(chǔ)上引入FPGA（A3P250）形成雙核控制器，控制器以A3P250為處理核心，實(shí)現(xiàn)微微鼠快速探索時(shí)多軸伺服信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，雙核控制器原理如圖2所示。

基于ARM+FPGA的雙核控制器把STM32F429從復(fù)雜的伺服控制算法中解脫出來，只實(shí)現(xiàn)伺服控制器的部分信號(hào)處理和FPGA的控制邏輯，并實(shí)時(shí)響應(yīng)各種中斷，F(xiàn)PGA的加入可有效提高微微鼠在復(fù)雜迷宮探索時(shí)的穩(wěn)定性和快速性。

為減少微微鼠在迷宮行走中各種傳感器采樣的周期，提高多軸微微鼠迷宮探索中對(duì)行走路徑中迷宮擋墻的采樣頻率，本論文把原有的六組傳感器探測(cè)迷宮的方式改良成了基于四組傳感器探測(cè)迷宮的全新探測(cè)模式，攜帶四組傳感器的新型微微鼠二維結(jié)構(gòu)如圖3所示。

如圖3所示：由紅外發(fā)射和紅外接收組成的傳感器組S1、S6共同作用用于判斷微微鼠探索時(shí)前方擋墻，傳感器S3判斷微微鼠探索時(shí)路徑左邊擋墻的存在，傳感器 S4判斷微微鼠探索時(shí)路徑右邊擋墻的存在，同時(shí)S3和S4的傳感器組合作為微微鼠探索行走時(shí)直線導(dǎo)航依據(jù)。

為了提高微微鼠在各種復(fù)雜迷宮中探索行走時(shí)的穩(wěn)定性，本論文在微微鼠高速探索伺服系統(tǒng)中加入了MEMS三軸陀螺儀G1，在整個(gè)探索期間，陀螺儀G1全程開啟，三軸陀螺儀實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，可以對(duì)微微鼠的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，減少了微微鼠較大偏離設(shè)定位置現(xiàn)象的發(fā)生，有效提高了微微鼠快速探索時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性。

3 高速微微鼠探索原理

剛啟動(dòng)瞬間，微微鼠一旦接到雙核控制器發(fā)出的探索命令，紅外傳感器組S1和S6首先對(duì)初始化的探索路徑前方環(huán)境進(jìn)行判斷，如果經(jīng)S1和S6反饋，控制器判斷微微鼠剛啟動(dòng)瞬間探索路徑前方有迷宮擋墻存在，STM32F429發(fā)送求解錯(cuò)誤中斷請(qǐng)求給A3P250，A3P250首先響應(yīng)中斷，然后禁止多路PWM使能端工作，封鎖驅(qū)動(dòng)微微鼠行走伺服電機(jī)的PWM信號(hào)，微微鼠原地自鎖;如果雙核控制器發(fā)現(xiàn)沒有迷宮擋墻進(jìn)入前方的探索路徑，微微鼠將以按照設(shè)定的參數(shù)完成最佳路徑的探索。

3.1 行走加減速

在微微鼠探索求解迷宮階段，將按照?qǐng)D4所示的速度-時(shí)間圖形規(guī)律進(jìn)行啟動(dòng)、加速、減速和停止，圖中速度-時(shí)間曲線包含的面積就是微微鼠在某段運(yùn)動(dòng)路徑上需要運(yùn)行的探索距離。

3.2微微鼠S轉(zhuǎn)法探索原理

在微微鼠沿著迷宮行走過程中，如果存在一段如圖5所示的探索路徑，微微鼠控制器將存儲(chǔ)其當(dāng)前坐標(biāo)（x，y），并按照不同的人工智能算法開始實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的位置和方向的變換。

由于傳統(tǒng)的微微鼠智能算法人工智能程度較低，一般的探索軌跡如圖6所示。分析圖6的運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出：微微鼠需要多次的啟動(dòng)和停車，反復(fù)的啟停和加減速一般來說需要更長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，而且這條運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于來說距離較長(zhǎng)。

為了縮短探索路徑并減少探索時(shí)間，本文提出了一種新型連轉(zhuǎn)探索算法：S轉(zhuǎn)法，其原理如圖7所示。

如圖7所示，S轉(zhuǎn)法把路徑分解，通過六段不同的軌跡來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中的轉(zhuǎn)彎：首先通過R90_leading實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎前的姿態(tài)調(diào)整，ARM聯(lián)合FPGA，把短距離R90_Leading轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)的PWM波，推動(dòng)微微鼠向前探索，雙核控制器再結(jié)合傳感器的各種反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整微微鼠的姿態(tài)，保證微微鼠運(yùn)動(dòng)方向能夠平行兩邊的擋墻;完成轉(zhuǎn)入前的姿態(tài)調(diào)整后，ARM聯(lián)合FPGA，把弧度R90_arc轉(zhuǎn)換成各種采樣周期下的直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)的PWM波，實(shí)現(xiàn)微微鼠的轉(zhuǎn)彎探索，雙核控制器再結(jié)合陀螺儀的反饋，實(shí)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)彎角度進(jìn)行補(bǔ)償，保證微微鼠按照預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)行;當(dāng)微微鼠完成90度的轉(zhuǎn)彎后，R90_passing實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎后的姿態(tài)調(diào)整，ARM聯(lián)合FPGA，把短距離R90_passing轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)的PWM波，推動(dòng)微微鼠向前姿態(tài)調(diào)整，雙核控制器再結(jié)合傳感器的各種反饋，實(shí)時(shí)調(diào)整微微鼠的姿態(tài)，保證微微鼠運(yùn)動(dòng)方向能夠平行兩邊的擋墻，完成與L90_leading的交接，然后控制器進(jìn)入L90_leading，L90_arc，L90_passing的轉(zhuǎn)換，控制微微鼠實(shí)現(xiàn)從當(dāng)前迷宮中的轉(zhuǎn)出動(dòng)作，左轉(zhuǎn)的軌跡原理類似于右轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)完成后再接入右轉(zhuǎn)，這樣就實(shí)現(xiàn)了S轉(zhuǎn)法。

4 軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的基于STM32F429+A3P250的雙核高速微微鼠，在接到探索命令之前，它通常被放置在迷宮起點(diǎn)處，雙核高速探索控制器使其首先進(jìn)入起點(diǎn)處的自鎖狀態(tài)，一旦控制器發(fā)出探索命令，微微鼠將根據(jù)實(shí)際的導(dǎo)航環(huán)境，依靠自身的傳感器開始求解路徑，由A3P250產(chǎn)生的直流PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)橋放大后，實(shí)現(xiàn)微微鼠在復(fù)雜迷宮中的快速探索。本論文設(shè)計(jì)的微微鼠探索程序原理如圖8所示。

5 實(shí)驗(yàn)

圖9所示為微電腦鼠和本文設(shè)計(jì)的微微鼠實(shí)物對(duì)比。通過對(duì)比可以看出，基于ARM+FPGA的雙核微微鼠具有更小的體積和質(zhì)量，有利于提高微微鼠高速探索時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。

圖10所示為所設(shè)計(jì)的微微鼠在S轉(zhuǎn)法前探索時(shí)的畫面。從圖中可以看出，微微鼠行走的方向平行于兩邊的迷宮擋墻，并處于當(dāng)前迷宮格的中線上，為S轉(zhuǎn)法探索奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖11所示為微微鼠S轉(zhuǎn)法時(shí)的畫面。

從圖11微微鼠在復(fù)雜迷宮探索運(yùn)行的圖片可以看出，該微微鼠沿著預(yù)設(shè)的曲線方向運(yùn)行，這說明控制器已經(jīng)按照紅外傳感器組S1、S3、S4、S6和陀螺儀的反饋進(jìn)行了精確補(bǔ)償。

6 結(jié)論

基于STM32F429和A3P250雙核控制器的使用使得微微鼠具有更小的尺寸和質(zhì)量，并降低了其重心，有利于提高微微鼠高速探索時(shí)的動(dòng)態(tài)性能;陀螺儀的加入使得雙核探索控制器可以精確控制微微鼠的運(yùn)動(dòng)方向，易于微微鼠實(shí)現(xiàn)高速探索時(shí)姿態(tài)的精確調(diào)整;多傳感器組合可以實(shí)時(shí)對(duì)高速運(yùn)行的微微鼠進(jìn)行干擾補(bǔ)償，有利于提高微微探索時(shí)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步減少其迷宮探索時(shí)間。

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