一種四輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人控制器領(lǐng)域，特別是涉及一種四輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制器。
【背景技術(shù)】
[0002]滅火機(jī)器人是一中模擬現(xiàn)實(shí)生活中人類(lèi)發(fā)現(xiàn)有害火源并能夠自動(dòng)熄滅火源的一種新型智能機(jī)器人。一般情況下，比賽型滅火機(jī)器人能夠在一間平面結(jié)構(gòu)房子模型里運(yùn)動(dòng)，在操作規(guī)則指導(dǎo)下以最短的時(shí)間找到代表火源的一根蠟燭并將它熄滅。模擬現(xiàn)實(shí)家庭中機(jī)器人處理火警的過(guò)程。蠟燭代表家里燃起的火源，機(jī)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?chē)沫h(huán)境所決定。蠟燭將隨機(jī)地放在比賽場(chǎng)地的一個(gè)房間里，比賽開(kāi)始后不管火焰具體是什么尺寸，都要求機(jī)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(chǎng)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(chǎng)地二維結(jié)構(gòu)如圖2所示，滅火機(jī)器人將在64格房間里尋找火源并熄滅。在圖2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(zhǎng)度為60cm長(zhǎng)，高度在27-34cm。比賽場(chǎng)地地面是光滑的，場(chǎng)地的地板是黑色的。場(chǎng)地上的任意縫隙都刷成黑色。場(chǎng)地的縫隙不超過(guò)5_。一些機(jī)器人可能用泡沫，粉末或者其他的物質(zhì)來(lái)熄滅蠟燭的火焰。由于每一個(gè)機(jī)器人比賽后清洗場(chǎng)地的好壞直接影響到地面情況，故地面不保證在整個(gè)比賽過(guò)程中都保持絕對(duì)黑色。一旦啟動(dòng)，滅火機(jī)器人必須在沒(méi)有人的干預(yù)下自己控制導(dǎo)航，而非人工控制，為了考驗(yàn)滅火機(jī)器人在搜尋火源過(guò)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(tái)完整的滅火機(jī)器人大致分為以下幾個(gè)部分:
O電機(jī):執(zhí)行電機(jī)是滅火機(jī)器人的動(dòng)力源，它根據(jù)微處理器的指令來(lái)執(zhí)行滅火機(jī)器人在二維平面上行走的相關(guān)動(dòng)作。
[0005]2)算法:算法是滅火機(jī)器人的靈魂。滅火機(jī)器人必須采用一定的智能算法才能準(zhǔn)確快速的從一個(gè)房間到達(dá)另外一格房間的運(yùn)動(dòng)，然后發(fā)現(xiàn)火源，并開(kāi)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(jī)器人的核心部分，是滅火機(jī)器人的大腦。滅火機(jī)器人所有的信息，包括房間墻壁信息，火源位置信息，和電機(jī)狀態(tài)信息等都需要經(jīng)過(guò)微處理器處理并做出相應(yīng)的判斷。
[0007]滅火機(jī)器人結(jié)合了多學(xué)科知識(shí)，對(duì)于提升在校學(xué)生的動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生課堂知識(shí)的消化和擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面都非常有幫助。國(guó)內(nèi)研發(fā)此機(jī)器人的單位較多，但是研發(fā)的機(jī)器人比較落后，研發(fā)的滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行發(fā)現(xiàn)存在著很多安全問(wèn)題，即:
(I)作為滅火機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的多是步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)常會(huì)遇到丟失脈沖造成電機(jī)失步現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致對(duì)位置的記憶出現(xiàn)錯(cuò)誤，滅火機(jī)器人無(wú)法尋求到火源，或者是滅火后機(jī)器人無(wú)法回到起始點(diǎn)。
[0008](2)由于采用步進(jìn)電機(jī)，使得機(jī)體發(fā)熱比較嚴(yán)重，有的時(shí)候需要進(jìn)行加裝散熱裝置，使得機(jī)器人整體重量增加。
[0009](3)由于采用步進(jìn)電機(jī)，使得系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械噪聲大大增加，不利于環(huán)境保護(hù)。
[0010](4 )由于采用步進(jìn)電機(jī)，使得系統(tǒng)一般不適合在速度較高的場(chǎng)合運(yùn)行，高速運(yùn)動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)，有時(shí)候可能會(huì)接觸墻壁，導(dǎo)致尋找火源失敗。
[0011](5)由于滅火機(jī)器人要頻繁的剎車(chē)和啟動(dòng)，加重了單片機(jī)的工作量，單一的單片機(jī)無(wú)法滿足滅火機(jī)器人快速啟動(dòng)和停止的要求。
[0012](6)相對(duì)采用的都是一些體積比較大的插件元器件，使得滅火機(jī)器人控制系統(tǒng)占用較大的空間，重量相對(duì)都比較重。
[0013](7)由于受周?chē)h(huán)境不穩(wěn)定因素干擾，單片機(jī)控制器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)異常，引起滅火機(jī)器人失控，抗干擾能力較差。
[0014](8)對(duì)于兩輪滅火機(jī)器人尋找火源過(guò)程來(lái)說(shuō)，一般要求其兩個(gè)電機(jī)的PffM控制信號(hào)要同步，由于受單片機(jī)計(jì)算能力的限制，單一單片機(jī)伺服系統(tǒng)很難滿足這一條件，使得滅火機(jī)器人行走導(dǎo)航很難控制，特別是對(duì)于快速行走時(shí)情況更糟糕。
[0015](9)由于采用兩個(gè)動(dòng)力輪驅(qū)動(dòng)，為了滿足快速搜尋火源時(shí)的加速和減速，使得單個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率較大，不僅占用的空間較大，而且有時(shí)候在一些相對(duì)需求能量較低的狀態(tài)下造成“大馬拉小車(chē)”的現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于滅火機(jī)器人系統(tǒng)能源的節(jié)省。
[0016](10)基于單核控制的滅火機(jī)器人，特別是對(duì)于多輪的滅火機(jī)器人，由于處理器處理的算法較多，運(yùn)算速度不是很快，不利于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0017](11)在有些條件下，為了增加運(yùn)算速度，在單核控制器中引入專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)芯片處理部分伺服控制算法，但是受到專(zhuān)用芯片本身能力的影響，運(yùn)算速度雖然得到了一定的提高，但是還不是很理想。
[0018]相對(duì)于兩輪承載結(jié)構(gòu)，四輪結(jié)構(gòu)具有承載能力更強(qiáng)、移動(dòng)速度快、控制性能優(yōu)異、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。為了能夠更好的提高滅火機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，可用四輪結(jié)構(gòu)替代原有的兩輪結(jié)構(gòu)，因此，需要對(duì)現(xiàn)有的基于單核控制器+專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)芯片的兩輪滅火機(jī)器人控制器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，尋求一種經(jīng)濟(jì)適用的能夠在現(xiàn)實(shí)中的使用高速雙核四輪滅火機(jī)器人伺服系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種四輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制器，在基于STM32F407的控制器中舍棄了專(zhuān)用精密運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)用芯片，而引入FPGA，形成基于STM32F407+FPGA的全新雙核控制器，同時(shí)引入真空吸附技術(shù)和加速度計(jì)傳感器，進(jìn)一步提高其行走時(shí)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性，充分考慮電池在這個(gè)系統(tǒng)的作用，把控制系統(tǒng)中工作量最大的四軸直流無(wú)刷伺服和單軸直流伺服組成的五軸混合伺服控制交給FPGA處理，充分發(fā)揮FPGA數(shù)據(jù)處理速度相對(duì)較快的特點(diǎn)，把STM32F407從復(fù)雜的五軸伺服控制中解脫出來(lái)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、房間讀取、房間存儲(chǔ)、坐標(biāo)定位等簡(jiǎn)單功能，在四輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制器的普及上有著廣泛的市場(chǎng)前景。
[0020]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種四輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制器，包括:供電裝置、STM32F407芯片、FPGA芯片、傳感組件、三軸加速度計(jì)傳感器、陀螺儀、方向傳感器和電機(jī)組件，
所述供電裝置電性連接所述STM32F407芯片和所述FPGA芯片，所述STM32F407芯片通訊連接所述FPGA芯片且使能所述FPGA芯片，所述傳感組件、所述三軸加速度計(jì)傳感器、所述陀螺儀和所述方向傳感器均通訊連接所述FPGA芯片，所述三軸加速度計(jì)傳感器、所述陀螺儀和所述方向傳感器為所述四輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制器實(shí)時(shí)提供滅火機(jī)器人的位置、速度和加速度反饋以便進(jìn)行位置補(bǔ)償，所述FPGA芯片的輸出端通訊連接并驅(qū)動(dòng)控制所述電機(jī)組件，所述電機(jī)組件包括微型電機(jī)，所述微型電機(jī)連接有真空抽吸裝置和微型真空吸盤(pán)，所述微型電機(jī)通過(guò)所述真空抽吸裝置抽吸所述微型真空吸盤(pán)內(nèi)的空氣，使所述微型真空吸盤(pán)產(chǎn)生內(nèi)外壓力差形成負(fù)壓，以增加吸附能力、防止打滑。
[0021 ] 在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所所述供電裝置為鋰電池。
[0022]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所所述傳感組件包括第一傳感器、第二傳感器、第三傳感器、第四傳感器、第五傳感器、第六傳感器和光電傳感器，所述第一傳感器、第二傳感器、第三傳感器、第四傳感器、第五傳感器、第六傳感器均為超聲波傳感器。
[0023]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所所述第一傳感器與所述第六傳感器配合使用感應(yīng)判斷前方的障礙，所述第二傳感器與所述第三傳感器配合使用感應(yīng)判斷左方的障礙，所述第四傳感器與所述第五傳感器配合使用感應(yīng)判斷右方的障礙，所述第二傳感器與所述第三傳感器在不同位置精確測(cè)量到房間左側(cè)從有擋墻到無(wú)擋墻或者無(wú)擋墻到有擋墻的變化，所述第四傳感器與所述第五傳感器在不同位置精確測(cè)量到房間右側(cè)從有擋墻到無(wú)擋墻或者無(wú)擋墻到有擋墻的變化，并將所述信號(hào)傳送至所述FPGA芯片進(jìn)行精確補(bǔ)償。
[0024]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所所述電機(jī)組件還包括前左輪電機(jī)、前右輪電機(jī)、后左輪電機(jī)和后右輪電機(jī)，所述前左輪電機(jī)、前右輪電機(jī)、后左輪電機(jī)和后右輪電機(jī)分別連接控制所述滅火機(jī)器人的前左輪、前右輪、后左輪和后右輪的運(yùn)動(dòng)。
[0025]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所所述前左輪電機(jī)、前右輪電機(jī)、后左輪電機(jī)、后右輪電機(jī)和微型電機(jī)均為直流無(wú)刷電機(jī)，所述前左輪電機(jī)和所述前右輪電機(jī)的功率大于所述后左輪電機(jī)和所述后右輪電機(jī)，所述前左輪電機(jī)和所述前右輪電機(jī)獨(dú)立工作或者所述前左輪電機(jī)、所述前右輪電機(jī)、所述后左輪電機(jī)和所述后右輪電機(jī)共同工作。
[0026]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所還包括光電編碼器，所述光電編碼器分別設(shè)置在所述前左輪電機(jī)、前右輪電機(jī)、后左輪電機(jī)、后右輪電機(jī)和微型電機(jī)上。
[0027]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所所述電機(jī)組件與所述FPGA芯片之間設(shè)置有信號(hào)放大裝置。
[0028]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所所述FPGA芯片驅(qū)動(dòng)所述電機(jī)組件的信號(hào)均為PffM
波控制信號(hào)。
[0029]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所所述FPGA芯片的內(nèi)部還設(shè)置有上位機(jī)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，所述上位機(jī)系統(tǒng)包括房間探索模塊、房間存儲(chǔ)模塊、路徑讀取模塊、人機(jī)界面模塊和在線輸出模塊，所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括基于FPGA五軸同步直流無(wú)刷和直流混合伺服控制模塊、坐標(biāo)定位模塊和I/O控制模塊，其中，所述基于FPGA五軸同步直流無(wú)刷和直流混合伺服控制模塊包括基于四軸直流無(wú)刷電機(jī)滅火機(jī)器人搜尋伺服控制模塊和單軸真空吸盤(pán)吸附伺服控制模塊，所述基于四軸直流無(wú)刷電機(jī)滅火機(jī)器人搜尋伺服控制模塊驅(qū)動(dòng)控制所述單軸真空吸盤(pán)吸附伺服控制模塊。
[0030]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明四輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制器具有結(jié)構(gòu)新穎、控制簡(jiǎn)單、速度提升、節(jié)省空間、調(diào)速平穩(wěn)、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在四輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制器的普及上有著廣泛的市場(chǎng)前景。
【附圖說(shuō)明】
[0031]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)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)基于單片機(jī)控制的兩輪滅火機(jī)器人的原理圖；
圖2是本發(fā)明的四輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制器一較佳實(shí)施例的房間示意圖；
圖3是本發(fā)明的四輪雙核高速滅火機(jī)器人一較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明的四輪雙核高速滅火機(jī)器人一較佳實(shí)施例的原理圖；
圖5是本發(fā)明的四輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制器一較佳實(shí)施例的程序圖；<