六輪雙核全自動高速滅火機器人伺服控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉多軸機器人的等領(lǐng)域，涉及一種六輪滅火機器人自動控制系統(tǒng)，尤其涉及一種六輪雙核全自動高速滅火機器人伺服控制器。
【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格的標準模式，最常采用的是8*8格的均勻模式，其比賽場地結(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；
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確快速的從一個房間格到達另外一格房間的運動，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；
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。
[0005]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；
(2)由于采用步進電機，使得機體發(fā)熱比較嚴重，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；
(3 )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?。?br> (4)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；
(5)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；
(6)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；
(7)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；
(8)由于采用兩個動力輪驅(qū)動，為了滿足快速搜尋火源時的加速和減速，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)，不利于滅火機器人系統(tǒng)能源的節(jié)?。?br> (9)基于單核控制的滅火機器人，特別是對于多輪的滅火機器人，由于處理器處理的算法較多，運算速度不是很快，不利于高速運轉(zhuǎn)；
(10)在有些條件下，為了增加運算速度，在單核控制器中引入專用運動芯片處理部分伺服控制算法，但是受到專用芯片本身能力的影響，運算速度雖然得到了一定的提高，但是還不是很理想；
(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；
(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；
(13)在實際滅火過程中，普通的光源探測傳感器會可能收到外界光源的干擾，導(dǎo)致滅火探尋失敗，無法完成任務(wù)。
[0006]因此，需要對現(xiàn)有的基于單片機控制的兩輪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)實中的使用的雙核六輪高速全自動滅火機器人伺服系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種六輪雙核全自動高速滅火機器人伺服控制器，能夠更好的提高滅火機器人對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，本發(fā)明采用六輪結(jié)構(gòu)替代了原有的兩輪和四輪結(jié)構(gòu):為了兼顧兩輪中置轉(zhuǎn)向的優(yōu)點，本發(fā)明采用前驅(qū)+中驅(qū)+后驅(qū)的六輪驅(qū)動結(jié)構(gòu):中置驅(qū)動的兩個直流無刷電機功率較大，前置和后置驅(qū)動的四個直流無刷電機功率較小，只有在動力需求較高時才啟動，起到助力作用，由于采用六輪驅(qū)動技術(shù)，滅火機器人前后中輪都有動力，可按探索地面和周圍環(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，以提高滅火機器人的行駛能力。
[0008]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:提供了一種六輪雙核全自動高速滅火機器人伺服控制器，包括電池、處理器、直流無刷電機X、直流無刷電機Y、直流無刷電機Z、直流電機M、直流無刷電機R、直流無刷電機U、直流無刷電機W、直流電機E以及滅火機器人，所述的電池單獨提供電流驅(qū)動所述的處理器，所述的處理器分別發(fā)出第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號、第六控制信號和第七控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號、第六控制信號、第七控制信號和第八控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號、第六控制信號和第七控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號、第六控制信號、第七控制信號和第八控制信號分別控制所述的直流無刷電機X、直流無刷電機Y、直流無刷電機Z、直流電機M、直流無刷電機R、直流無刷電機U、直流無刷電機W和直流電機E的信號合成之后再控制滅火機器人的運動，還包括圖像采集單元，所述的處理器與圖像采集單元通訊連接，其中，所述的處理器采用雙核處理器，包括STM32F407和FPGA，所述的FPGA與STM32F407進行通信連接。
[0009]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的電池采用鋰離子電池。
[0010]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號、第六控制信號、第七控制信號和第八控制信號均為PWM波控制信號。
[0011]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的處理器的內(nèi)部還設(shè)置有上位機系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)，所述的上位機系統(tǒng)包括房間探索模塊、房間存儲模塊、路徑讀取模塊、人機界面模塊以及在線輸出模塊，所述的運動控制系統(tǒng)包括基于FPGA八軸同步混合伺服控制模塊、坐標定位模塊、I/O控制模塊以及圖像采集模塊，其中，所述的基于FPGA八軸同步混合伺服控制模塊包括六軸直流無刷電機滅火機器人搜尋伺服控制模塊、單軸真空吸盤吸附伺服控制模塊以及滅火器單軸升降伺服控制模塊。
[0012]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的六輪滅火機器人伺服控制器還包括超聲波傳感器、電流傳感器、光電傳感器、電壓傳感器、加速度計傳感器、陀螺儀以及方向傳感器，所述的超聲波傳感器、電流傳感器、光電傳感器、電壓傳感器、加速度計傳感器、陀螺儀以及方向傳感器均與處理器通訊連接。
[0013]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的超聲波傳感器的數(shù)量為6個、電流傳感器的數(shù)量為8個、光電傳感器、電壓傳感器、加速度計傳感器、陀螺儀以及方向傳感器的數(shù)量均為I個。
[0014]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述的六輪滅火機器人伺服控制器還包括光電編碼器，所述的光電編碼器分別安裝在直流無刷電機X、直流無刷電機Y、直流無刷電機Z、直流電機M、直流無刷電機R、直流無刷電機U、直流無刷電機W和直流電機E上。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的六輪雙核全自動高速滅火機器人伺服控制器，為克服單片機不能滿足兩軸滅火機器人行走的穩(wěn)定性，進一步提高滅火機器人行走的速度，舍棄了國產(chǎn)滅火機器人所采用的單一單片機工作模式，在吸收國外先進控制思想的前提下，自主發(fā)明了基于STM32F407+FPGA的六輪雙核全新控制模式?？刂瓢逡訤PGA為處理核心，實現(xiàn)六軸直流無刷電機和兩軸直流電機的八軸伺服控制的數(shù)字信號實時處理，并響應(yīng)各種中斷，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的實時存儲。雙核控制器把STM32F407從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，實現(xiàn)房間信息讀取、房間存儲、I/O控制、圖像采集等簡單部分的信號處理，并響應(yīng)FPGA中斷，實現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)通信和存儲實時信號。同時，真空吸附技術(shù)的引入徹底消除了機器人行走打滑現(xiàn)象的發(fā)生，有效提高了機器人位置的精確性；圖像采集技術(shù)和火源位置校正技術(shù)的加入可有效增加火源的判別以及滅火的可靠性。
【附圖說明】
[0016]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為滅火機器人房間示意圖；
圖2為基于單片機控制的兩輪滅火機器人原理圖；
圖3為基于STM32F407+FPGA六輪滅火機器人結(jié)構(gòu)圖；
圖4為基于STM32F407+FPGA六輪全自動滅火機器人原理圖；
圖5為基于STM32F407+FPGA六輪全自動滅火機器人伺服程序框圖；
圖6為滅火機器人運行方向示意圖；
圖7為右轉(zhuǎn)不意圖；