一種基于stm32f407和fpga兩輪高速滅火機(jī)器人伺服控制器的制造方法
【專利說明】一種基于STM32F407和FPGA兩輪高速滅火機(jī)器人伺服控制
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技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及多軸機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種基于STM32F407和FPGA兩輪高速滅火機(jī)器人伺服控制器的兩輪滅火機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)。
【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圍的環(huán)境所決定。蠟燭將隨機(jī)地放在比賽場地的一個(gè)房間里，比賽開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(jī)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(jī)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(gè)機(jī)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(gè)比賽過程中都保持絕對黑色。一旦啟動(dòng)，滅火機(jī)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(yàn)滅火機(jī)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(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)房間格到達(dá)另外一格房間格的運(yùn)動(dòng)，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(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2，長時(shí)間運(yùn)行發(fā)現(xiàn)存在著很多安全問題，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)致對位置的記憶出現(xiàn)錯(cuò)誤，滅火機(jī)器人無法尋求到火源，或者是滅火后機(jī)器人無法回到起始點(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)，其電機(jī)本體一般都是多相結(jié)構(gòu)，控制電路需要采用多個(gè)功率管，使得控制電路相對比較復(fù)雜，并且增加了控制器價(jià)格。
[0011 ] (5 )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。
[0012](6)由于滅火機(jī)器人要頻繁的剎車和啟動(dòng)，加重了單片機(jī)的工作量，單一的單片機(jī)無法滿足滅火機(jī)器人快速啟動(dòng)和停止的要求。
[0013](7)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(jī)器人控制系統(tǒng)占用較大的空間，重量相對都比較重。
[0014](8)由于受周圍環(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。
[0015](9)對于兩輪滅火機(jī)器人尋找火源過程來說，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，特別是對于快速行走時(shí)情況更糟糕。
[0016](10)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用運(yùn)動(dòng)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，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，運(yùn)算速度雖然得到了一定的提高，但是還不是很理想。
[0017]因此，需要對現(xiàn)有的基于單片機(jī)控制的滅火機(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)中使用的雙核高速兩輪滅火機(jī)器人伺服系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明的目的在于提供一種在基于STM32F407的控制器中舍棄了專用精密運(yùn)動(dòng)控制專用芯片，而引入FPGA，形成基于STM32F407+FPGA的全新雙核控制器，雙核控制器同時(shí)引入真空吸附技術(shù)和三軸加速度計(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，此控制器充分考慮電池在這個(gè)系統(tǒng)的作用，把控制系統(tǒng)中工作量最大的三軸伺服系統(tǒng)交給FPGA處理，充分發(fā)揮FPGA數(shù)據(jù)處理速度相對較快的特點(diǎn)，把STM32F407從復(fù)雜的三軸伺服控制中解脫出來，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、房間讀取、房間存儲(chǔ)、坐標(biāo)定位等簡單功能的基于STM32F407和FPGA兩輪高速滅火機(jī)器人伺服控制器。
[0019]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于STM32F407和FPGA兩輪高速滅火機(jī)器人伺服控制器，包括電池、雙核控制器、直流電機(jī)M、直流無刷電機(jī)X、直流無刷電機(jī)Y、信號(hào)處理器以及滅火機(jī)器人，所述雙核控制器發(fā)出第三控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述直流電機(jī)M，所述雙核控制器發(fā)出第二控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述直流無刷電機(jī)Y，所述雙核控制器發(fā)出第一控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述直流無刷電機(jī)X，所述直流電機(jī)M、直流無刷電機(jī)X、直流無刷電機(jī)Y通過信號(hào)處理器處理后驅(qū)動(dòng)所述滅火機(jī)器人，所述雙核控制器為STM32F407和FPGA，F(xiàn)PGA通過I/O 口與STM32F407進(jìn)入實(shí)時(shí)通訊，所述第三控制信號(hào)、第二控制信號(hào)以及第一控制信號(hào)均為PWM波控制信號(hào)。
[0020]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述兩輪高速滅火機(jī)器人伺服控制器上還設(shè)置有第一超聲波傳感器、第二超聲波傳感器、第三超聲波傳感器、第四超聲波傳感器、第五超聲波傳感器、第六超聲波超聲波傳感器、光電傳感器、電壓傳感器、三軸加速度計(jì)傳感器、三軸陀螺儀、方向傳感器、第一電流傳感器以及第二電流傳感器。
[0021]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述雙核控制器包括上位機(jī)程序和運(yùn)動(dòng)控制程序，所述上位機(jī)程序包括房間探索模塊、房間存儲(chǔ)模塊、路徑讀取模塊、人機(jī)界面模塊及在線輸出模塊，所述運(yùn)動(dòng)控制程序包括基于FPGA三軸同步直流無刷和直流混合伺服控制模塊、坐標(biāo)定位模塊及I/O控制模塊，所述基于FPGA三軸同步直流無刷和直流混合伺服控制模塊包括基于兩軸直流無刷電機(jī)滅火機(jī)器人搜尋伺服控制模塊和單軸真空吸盤吸附伺服控制模塊。
[0022]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述雙核控制器上還連接設(shè)置有干冰滅火器電磁閥。
[0023]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述電池為鋰離子電池。
[0024]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述直流無刷電機(jī)X、直流無刷電機(jī)Y上還分別設(shè)置有光電編碼器。
[0025]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述單軸真空吸盤吸附伺服控制模塊中的真空吸盤通過直流電機(jī)M驅(qū)動(dòng)。
[0026]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述真空吸盤與所述地面吸附對應(yīng)設(shè)置從而防止打滑。
[0027]本發(fā)明所述為一種基于STM32F407和FPGA兩輪高速滅火機(jī)器人伺服控制器，具有如下有益效果:
1、在運(yùn)動(dòng)過程中，充分考慮了電池在這個(gè)系統(tǒng)中的作用，基于STM32F407+FPGA控制器時(shí)刻都在對滅火機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和運(yùn)算，并且在電池提供電源的過程中，Cl、C2時(shí)刻對電池的電流進(jìn)行觀測并送給控制器進(jìn)行保護(hù)，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、用直流無刷電機(jī)替代了步進(jìn)電機(jī)，使得電機(jī)無機(jī)械摩擦，無磨損，無電火花，且免維護(hù)，而且直流無刷電機(jī)的效率高，功率和轉(zhuǎn)矩密度高，使得系統(tǒng)的效率更高；
3、由FPGA處理滅火機(jī)器人的兩只直流無刷電機(jī)X和直流無刷電機(jī)Y、單軸吸附控制直流電機(jī)M的伺服控制，使得控制比較簡單，大大提高了運(yùn)算速度，解決了單片機(jī)軟件運(yùn)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(qiáng)；
4、本發(fā)明基本實(shí)現(xiàn)全貼片元器件材料，實(shí)現(xiàn)了單板控制，不僅節(jié)省了控制板占用空間，而且有利于滅火機(jī)器人體積和重量的減輕；