一種單輪全自動高速滅火機器人伺服控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種滅火機器人伺服控制系統(tǒng)，特別是涉及一種單輪全自動高速滅火機器人伺服控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]滅火機器人是一中模擬現(xiàn)實生活中人類發(fā)現(xiàn)有害火源并能夠自動熄滅火源的一種新型智能機器人。一般情況下，比賽型滅火機器人能夠在一間平面結(jié)構(gòu)房子模型里運動，在操作規(guī)則指導(dǎo)下以最短的時間找到代表火源的一根蠟燭并將它熄滅。模擬現(xiàn)實家庭中機器人處理火警的過程。蠟燭代表家里燃起的火源，機器人必須找到并熄滅火源。蠟燭火焰的底部將離地面15?20cm高。蠟燭是直徑l-2cm的白蠟燭。蠟燭火焰的確切高度和尺寸是不確定的、變化的，而且由蠟燭條件和周圍的環(huán)境所決定。蠟燭將隨機地放在比賽場地的一個房間里，比賽開始后不管火焰具體是什么尺寸，都要求機器人能發(fā)現(xiàn)蠟燭。
[0003]在真正的比賽中，為了加大比賽難度，比賽場地被分為n*n格的標(biāo)準(zhǔn)模式，最常采用的是8*8格的均勻模式，其比賽場地二維結(jié)構(gòu)如圖1所示，滅火機器人將在64格房間里尋找火源并熄滅。在圖1的二維搜尋火源地圖中，墻的材料是木質(zhì)一般且可以反光，每塊擋墻的長度為60cm長，高度在27-34cm。比賽場地地面是光滑的，場地的地板是黑色的。場地上的任意縫隙都刷成黑色。場地的縫隙不超過5_。一些機器人可能用泡沫，粉末或者其他的物質(zhì)來熄滅蠟燭的火焰。由于每一個機器人比賽后清洗場地的好壞直接影響到地面情況，故地面不保證在整個比賽過程中都保持絕對黑色。一旦啟動，滅火機器人必須在沒有人的干預(yù)下自己控制導(dǎo)航，而非人工控制，為了考驗滅火機器人在搜尋火源過程中的穩(wěn)定性，其不可以碰撞或接觸墻壁，否則將被受到處罰。
[0004]—臺完整的滅火機器人大致分為以下幾個部分:
O電機:執(zhí)行電機是滅火機器人的動力源，它根據(jù)微處理器的指令來執(zhí)行滅火機器人在二維平面上行走的相關(guān)動作。
[0005]2)算法:算法是滅火機器人的靈魂。滅火機器人必須采用一定的智能算法才能準(zhǔn)確快速的從一個房間格到達(dá)另外一個房間格的運動，然后發(fā)現(xiàn)火源，并開啟自身攜帶的干冰控制器，撲滅火源。
[0006]3)微處理器:微處理器是滅火機器人的核心部分，是滅火機器人的大腦。滅火機器人所有的信息，包括房間墻壁信息，火源位置信息，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。
[0007]滅火機器人結(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。國內(nèi)研發(fā)此機器人的單位較多，但是研發(fā)的機器人比較落后，研發(fā)的滅火機器人結(jié)構(gòu)如圖2，長時間運行發(fā)現(xiàn)存在著很多安全問題，即:
(I)作為滅火機器人的執(zhí)行機構(gòu)采用的多是步進電機，經(jīng)常會遇到丟失脈沖造成電機失步現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致對位置的記憶出現(xiàn)錯誤，滅火機器人無法尋求到火源，或者是滅火后機器人無法回到起始點。
[0008](2)由于采用步進電機，使得機體發(fā)熱比較嚴(yán)重，有的時候需要進行加裝散熱裝置，使得機器人整體重量增加。
[0009](3)由于采用步進電機，使得系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的機械噪聲大大增加，不利于環(huán)境保護。
[0010](4 )由于采用步進電機，使得系統(tǒng)一般不適合在速度較高的場合運行，高速運動時容易產(chǎn)生振動，有時候可能會接觸墻壁，導(dǎo)致尋找火源失敗。
[0011](5)由于滅火機器人要頻繁的剎車和啟動，加重了單片機的工作量，單一的單片機無法滿足滅火機器人快速啟動和停止的要求。
[0012](6)相對采用的都是一些體積比較大的插件元器件，使得滅火機器人控制系統(tǒng)占用較大的空間，重量相對都比較重。
[0013](7)由于受周圍環(huán)境不穩(wěn)定因素干擾，單片機控制器經(jīng)常會出現(xiàn)異常，引起滅火機器人失控，抗干擾能力較差。
[0014](8)對于兩輪滅火機器人尋找火源過程來說，一般要求其兩個電機的PffM控制信號要同步，由于受單片機計算能力的限制，單一單片機伺服系統(tǒng)很難滿足這一條件，使得滅火機器人行走導(dǎo)航很難控制，特別是對于快速行走時情況更糟糕。
[0015](9)對于通過兩個電機差速行駛調(diào)節(jié)其在二維平面上位置的滅火機器人來說，理想狀態(tài)下這種機器人都是由兩個驅(qū)動電機配合一個萬向輪來形成一個運動平面，但是當(dāng)遇到運動路面不平整時經(jīng)常碰到兩個萬向輪配合一個驅(qū)動輪運轉(zhuǎn)的現(xiàn)象發(fā)生，這時就會發(fā)生小車失控現(xiàn)象，更為可怕的是，對于帶重載的滅火機器人，這種失控有時候會嚴(yán)重破壞周圍的物品。
[0016](10)在實際機器人滅火過程中，滅火機器人可能進入一條狹長的巷子，由于受場地的影響，基于兩輪差速原地旋轉(zhuǎn)的方式可能行不通，這個時候機器人就要模仿現(xiàn)實生活進行倒車退出，但是這個時候又沒有傳感器對其進行位置校正，容易發(fā)生危險。
[0017](11)在實際滅火過程中，火源未必處在房間格的中心，導(dǎo)致滅火機器人的行走方向與火源之間有一個夾角，導(dǎo)致滅火消費了大量的干冰，有時候可能會無法熄滅火源。
[0018](12)在實際滅火過程中，由于蠟燭的燃燒，其高度也在發(fā)生變化，這與現(xiàn)實中的火源也非常相似，但是一般的滅火機器人攜帶的干冰滅火器的噴嘴高度是固定的，導(dǎo)致無法有效的撲滅火源。
[0019](13)在實際滅火過程中，普通的光源探測傳感器會可能受到外界光源的干擾，導(dǎo)致滅火探尋失敗，無法完成任務(wù)。
[0020]為了提高單核控制的計算能力，在基于單核控制的基礎(chǔ)上引入專用運動控制芯片，雖然計算速度有所提升，但是處理器與專用運動控制芯片之間的通訊大大減緩了這種效果，需要對現(xiàn)有的基于專用運動控制芯片的雙核滅火機器人控制器進行重新設(shè)計，尋求一種經(jīng)濟適用的能夠在現(xiàn)實中使用的速度更高的滅火機器人就成為了必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是:如何提供一種圖像采集可以有效捕捉火源，減少外界干擾對機器人的誤操作，調(diào)節(jié)直流無刷電機和第一直流電機的運動可以使機器人運動方向相反，第二直流電機控制的真空吸附裝置具有良好的防滑效果，三軸加速度計傳感器能得到滅火機器人旋轉(zhuǎn)的角度，使得機器人攜帶的滅火器與火源處于一條直線上，有效熄滅火源，調(diào)整滅火器的高度，使得滅火器噴嘴與火源中心高度一致，有利于有效撲滅火源的單輪全自動高速滅火機器人伺服控制系統(tǒng)。
[0022]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:提供一種單輪全自動高速滅火機器人伺服控制系統(tǒng)，包括:若干超聲波傳感器、雙核控制器、直流無刷電機、第一直流電機、若干電流傳感器、電機光電編碼器和三軸加速度計傳感器，所述雙核控制器包括微控制器STM32F407和控制器FPGA ;所述控制器FPGA與直流無刷電機、第一直流電機之間分別控制連接，所述控制器FPGA與電流傳感器、三軸加速度計傳感器、電機光電編碼器之間通信連接，且將三軸加速度計傳感器、電機光電編碼器實時信號傳輸至控制器FPGA ;所述控制器FPGA通過結(jié)合電流傳感器、電機光電編碼器發(fā)出的信號生成PWM控制信號控制，微控制器STM32F407與PffM控制信號之間通信，且驅(qū)動直流無刷電機、第一直流電機的運動。
[0023]所述單輪全自動高速滅火機器人伺服控制系統(tǒng)中還包括第二直流電機、第三直流電機、第四直流電機，陀螺儀和方向傳感器，所述陀螺儀和方向傳感器與三軸加速度計傳感器之間控制連接至雙核控制器；所述控制器FPGA分別與第二直流電機、第三直流電機和第四直流電機之間控制連接。
[0024]所述單輪全自動高速滅火機器人伺服控制系統(tǒng)還包括圖像采集裝置、滅火器、滅火器噴嘴，所述第四直流電機調(diào)整與圖像采集裝置、滅火器噴嘴之間控制連接，所述第三直流電機與滅火器之間控制連接。
[0025]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述控制器FPGA與微控制器STM32F407之間通過I/O接口進行實時通訊。
[0026]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述電機光電編碼器位于直流無刷電機、第一直流電機、第二直流電機、第三直流電機、第四直流電機上，且電機光電編碼器產(chǎn)生位置信號第一脈沖、第二脈沖和第三脈沖，所述第一脈沖、第二脈沖和第三脈沖與控制器FPGA之間通信連接。
[0027]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述控制器FPGA包含有用于記錄直流無刷電機、第一直流電機、第二直流電機、第三直流電機、第四直流電機的絕對位置FPGA內(nèi)部寄存器。
[0028]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述單輪全自動高速滅火機器人伺服控制系統(tǒng)還包括上位機模塊和運動控制模塊，所述上位機模塊中包含有房間探索單元、房間存儲單元、路徑讀取單元、人機界面單元和在線輸出單元，所述房間探索單元、房間存儲單元、路徑讀取單元、人機界面單元、在線輸出單元均與上位機模塊分別控制連接。
[0029]所述運動控制模塊包含坐標(biāo)定位單元、I/O控制單元、基于控制器FPGA的五軸同步混合伺服系統(tǒng)和圖像采集單元。
[0030]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述控制器FPGA的五軸同步混合伺服系統(tǒng)包括直流無刷電機、直流電機兩軸混合伺服模塊、單軸真空吸盤吸附伺服模塊和火源對準(zhǔn)校正兩軸直流伺服模塊。
[0031]所述直流無刷電機、直流電機兩軸混合伺服模塊與單軸真空吸盤吸附伺服模塊之間相連接，且將信號傳輸至單軸真空吸盤吸附伺服模塊。
[0032]本發(fā)明的有益效果是:圖像采集可以有效捕捉火源，減少外界干擾對機器人的誤操作，調(diào)節(jié)直流無刷電機和第一直流電機的運動可以使機器人運動方向相反，第二直流電機控制的真空吸附裝置具有良好的防滑效果，三軸加速度計傳感器能得到滅火機器人旋轉(zhuǎn)的角度，使得機器人攜帶的滅火器與火源處于一條直線上，有效熄滅火源，調(diào)整滅火器的高度，使得滅火器噴嘴與火源中心高度一致，有利于有效撲滅火源。