基于兩輪高速全自動滅火機(jī)器人的雙核伺服控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及多軸機(jī)器人領(lǐng)域，特別是涉及一種基于兩輪高速全自動滅火機(jī)器人的雙核伺服控制系統(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，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(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比賽過程中都保持絕對黑色。一旦啟動，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]—臺完整的滅火機(jī)器人大致分為以下幾個部分:
[0005]1)電機(jī):執(zhí)行電機(jī)是滅火機(jī)器人的動力源，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)動作。
[0006]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)確快速的從一個房間格到達(dá)另外一格房間格的運(yùn)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。
[0007]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。
[0008]滅火機(jī)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(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進(jìn)學(xué)生課堂知識的消化和擴(kuò)展學(xué)生的知識面都非常有幫助。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，長時間運(yùn)行發(fā)現(xiàn)存在著很多安全問題，即:
[0009](1)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)。
[0010](2)由于采用步進(jìn)電機(jī)，使得機(jī)體發(fā)熱比較嚴(yán)重，有的時候需要進(jìn)行加裝散熱裝置，使得機(jī)器人整體重量增加。
[0011 ] (3 )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。
[0012](4)由于滅火機(jī)器人要頻繁的剎車和啟動，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)器人快速啟動和停止的要求。
[0013](5)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)常會出現(xiàn)異常，引起滅火機(jī)器人失控，抗干擾能力較差。
[0014](6)對于兩輪滅火機(jī)器人尋找火源過程來說，一般要求其兩個電機(jī)的PWM控制信號要同步，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情況更糟糕。
[0015](7)在實(shí)際滅火過程中，火源未必處在房間格的中心，導(dǎo)致滅火機(jī)器人的行走方向與火源之間有一個夾角，導(dǎo)致滅火消費(fèi)了大量的干冰，有時候可能會無法熄滅火源。
[0016](8)在實(shí)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(shí)中的火源也非常相似，但是一般的滅火機(jī)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。
[0017](9)在實(shí)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)。
[0018]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)中的使用快速兩輪滅火機(jī)器人伺服系統(tǒng)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0019]本實(shí)用新型主要解決的技術(shù)問題是提供一種基于兩輪高速全自動滅火機(jī)器人的雙核伺服控制系統(tǒng)，具有可靠性能高、定位精確、轉(zhuǎn)位速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時在多軸機(jī)器人的應(yīng)用及普及上有著廣泛的市場前景。
[0020]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的一個技術(shù)方案是:
[0021]提供一種基于兩輪高速全自動滅火機(jī)器人的雙核伺服控制系統(tǒng)，其包括:雙核控制單元、電壓傳感器、電池、運(yùn)動電機(jī)、三軸加速度計(jì)傳感器、陀螺儀、方向傳感器、單軸吸附控制直流電機(jī)、升降直流電機(jī)、圖像采集器、單軸真空吸附裝置和6個超聲波傳感器單元，
[0022]所述雙核控制單元包括STM32F407控制器和FPGA控制器，所述STM32F407控制器與所述FPGA控制器相連接，
[0023]所述升降直流電機(jī)上設(shè)置有干冰滅火器，所述單軸吸附控制直流電機(jī)上連接有單軸真空吸附裝置，所述單軸真空吸附裝置上連接有用于防止滅火機(jī)器人打滑的真空吸盤，
[0024]所述超聲波傳感器單元包括前方探測單元、左方探測單元和右方探測單元，
[0025]所述雙核控制單元發(fā)送PWM波控制信號，所述運(yùn)動電機(jī)、所述單軸吸附控制直流電機(jī)和所述升降直流電機(jī)分別收到對應(yīng)的PWM波控制信號，
[0026]所述雙核控制單元分別與所述電池、所述電壓傳感器、所述運(yùn)動電機(jī)、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、所述單軸吸附控制直流電機(jī)、所述升降直流電機(jī)、所述圖像采集器、所述超聲波傳感器單元相連接。
[0027]在本實(shí)用新型一個較佳實(shí)施例中，所述的處理器的內(nèi)部還設(shè)置有上位機(jī)程序系統(tǒng)和運(yùn)動控制程序系統(tǒng)，所述上位機(jī)程序系統(tǒng)包括房間探索模塊、房間存儲模塊、路徑讀取模塊、人機(jī)界面模塊和在線輸出模塊，所述的運(yùn)動控制系統(tǒng)包括基于FPGA四軸同步直流混合伺服控制模塊、坐標(biāo)定位模塊、I/O控制模塊和圖像采集模塊，所述基于FPGA四軸同步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、單軸真空吸盤吸附伺服控制模塊和滅火器單軸升降伺服控制模塊。
[0028]在本實(shí)用新型一個較佳實(shí)施例中，還包括分別用于控制滅火機(jī)器人車輪的直流無刷電機(jī)X和直流無刷電機(jī)Y，所述直流無刷電機(jī)X和所述直流無刷電機(jī)Y分別接收所述雙核控制單元發(fā)出的2個對應(yīng)的PWM波控制信號。
[0029]在本實(shí)用新型一個較佳實(shí)施例中，滅火機(jī)器人的左輪與所述直流無刷電機(jī)X相連接，滅火機(jī)器人的右輪與所述直流無刷電機(jī)Y相連接。
[0030]在本實(shí)用新型一個較佳實(shí)施例中，還包括用于采集火源信息的光電采集器，所述光電采集器與所述雙核控制單元相連接。
[0031]在本實(shí)用新型一個較佳實(shí)施例中，所述前方探測單元包括第一傳感器和第六傳感器。
[0032]在本實(shí)用新型一個較佳實(shí)施例中，所述左方探測單元包括第二傳感器和第三傳感器。
[0033]在本實(shí)用新型一個較佳實(shí)施例中，所述右方探測單元包括第四傳感器和第五傳感器。
[0034]在本實(shí)用新型一個較佳實(shí)施例中，所述的電池采用鋰離子電池。
[0035]在本實(shí)用新型一個較佳實(shí)施例中，還包括第一電流傳感器和第二電流傳感器，所述雙核控制單元通過電機(jī)光電編碼器分別與所述第一電流傳感器和所述第二電流傳感器相連接。
[0036]本實(shí)用新型的有益效果是:通過使用STM32F407+FPGA雙核控制器，大大的提高了機(jī)器人的計(jì)算效率，而且利用單軸真空吸附裝置達(dá)到滅火機(jī)器人防滑效果，從而在提高滅火機(jī)器人動作的速度的同時又保證了精確性，使得滅火機(jī)器人的控制系統(tǒng)更加的可靠有效。
【附圖說明】
[0037]為了更清楚地說明本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)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實(shí)用新型的一些實(shí)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:
[0038]圖1為滅火機(jī)器人房間示意圖；
[0039]圖2為基于單片機(jī)控制的兩輪滅火機(jī)器人原理圖；
[0040]圖3為基于兩輪高速全自動滅火機(jī)器人的二維結(jié)構(gòu)圖；
[0041]圖4為基于STM32F407+FPGA兩輪全自動滅火機(jī)器人的原理圖；
[0042]圖5為基于兩輪高速全自動滅火機(jī)器人的雙核伺服控制系統(tǒng)框圖；
[0043]圖6為滅火機(jī)器人運(yùn)行方向示意圖；
[0044]圖7為滅火機(jī)器人右轉(zhuǎn)示意圖；
[0045]圖8為滅火機(jī)器人左轉(zhuǎn)示意圖。
【具體