一種單輪雙核高速滅火機(jī)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(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，特別是涉及一種單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(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(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(chǎng)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(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(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(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]一臺(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)另外一個(gè)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(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(duì)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](4)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](5)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(duì)比較復(fù)雜，并且增加了控制器價(jià)格。
[0011 ] ( 6 )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。
[0012](9)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](10)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。
[0014](11)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](12)對(duì)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PWM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。
[0016](13)對(duì)于通過兩個(gè)電機(jī)差速行駛調(diào)節(jié)其在二維平面上位置的滅火機(jī)器人來說，理想狀態(tài)下這種機(jī)器人都是由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)配合一個(gè)萬向輪來形成一個(gè)運(yùn)動(dòng)平面，但是當(dāng)遇到運(yùn)動(dòng)路面不平整時(shí)經(jīng)常碰到兩個(gè)萬向輪配合一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象發(fā)生，這時(shí)就會(huì)發(fā)生小車失控現(xiàn)象，更為可怕的是，對(duì)于帶重載的滅火機(jī)器人，這種失控有時(shí)候會(huì)嚴(yán)重破壞周圍的物品。
[0017](14)在實(shí)際機(jī)器人滅火過程中，滅火機(jī)器人可能進(jìn)入一條狹長的巷子，由于受場(chǎng)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(gè)時(shí)候機(jī)器人就要模仿現(xiàn)實(shí)生活進(jìn)行倒車退出，但是這個(gè)時(shí)候又沒有傳感器對(duì)其進(jìn)行位置校正，容易發(fā)生危險(xiǎn)。
[0018]有時(shí)候，為了提高單核控制的計(jì)算能力，在基于單核控制的基礎(chǔ)上引入專用運(yùn)動(dòng)控制芯片，雖然計(jì)算速度有所提升，但是處理器與專用運(yùn)動(dòng)控制芯片之間的通訊大大減緩了這種效果，需要對(duì)現(xiàn)有的基于專用運(yùn)動(dòng)控制芯片的雙核滅火機(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)中使用的速度更高的滅火機(jī)器人就成為了必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是:如何提供一種利用加速度與陀螺儀與方向傳感器相結(jié)合的方式，精確測(cè)量加速度、角速度、角度，令三者比較精確，且更加精確的控制使用了此控制系統(tǒng)的滅火機(jī)器人的單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)。
[0020]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是:提供一種單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，包括:雙核控制器、若干判斷前方運(yùn)動(dòng)環(huán)境的超聲波傳感器、電流傳感器、方向傳感器、電機(jī)、電機(jī)光電編碼器、控制參數(shù)轉(zhuǎn)化模塊和環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，所述雙核控制器與所述的電流傳感器、電機(jī)光電編碼器、控制參數(shù)轉(zhuǎn)化模塊、環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)換模塊之間相連接，所述雙核控制器通過結(jié)合電流傳感器信號(hào)、電機(jī)光電編碼器生成若干控制電機(jī)的PffM控制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，所述單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)還包括加速度傳感器、陀螺儀，所述加速度傳感器、陀螺儀、方向傳感器、電機(jī)光電編碼器相結(jié)合并把信號(hào)傳輸至雙核控制器。
[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微控制器STM32F407和控制器FPGA，所述控制器FPGA與微控制器STM32F407之間通過I/O接口進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。
[0022]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述控制器FPGA通過結(jié)合電流傳感器信號(hào)、電機(jī)光電編碼器生成若干控制電機(jī)的PWM控制信號(hào)，所述微控制器STM32F407與PffM控制信號(hào)之間通信，且驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0023]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)還包括上位機(jī)模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊，所述上位機(jī)模塊中包含有房間探索單元、房間存儲(chǔ)單元、路徑讀取單元、人機(jī)界面單元和在線輸出單元，所述房間探索單元、房間存儲(chǔ)單元、路徑讀取單元、人機(jī)界面單元、在線輸出單元均與上位機(jī)模塊分別控制連接。
[0024]所述運(yùn)動(dòng)控制模塊包含坐標(biāo)定位單元、I/O控制單元、三軸同步伺服系統(tǒng)。
[0025]所述三軸同步伺服系統(tǒng)包括直流無刷電機(jī)、直流電機(jī)兩軸混合伺服模塊和單軸真空吸盤吸附伺服模塊，所述直流無刷電機(jī)、直流電機(jī)兩軸混合伺服模塊與單軸真空吸盤吸附伺服模塊相連接，且將信號(hào)傳輸至單軸真空吸盤吸附伺服模塊。
[0026]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述電機(jī)包括直流無刷電機(jī)、第一直流電機(jī)和第二直流電機(jī)，所述電機(jī)光電編碼器位于直流無刷電機(jī)、第一直流電機(jī)和第二直流電機(jī)上，所述直流無刷電機(jī)、第一直流電機(jī)、第二直流電機(jī)分別產(chǎn)生第一位置脈沖信號(hào)、第二位置脈沖信號(hào)、第三位置脈沖信號(hào)，所述電機(jī)光電編碼器輸出第一位置脈沖信號(hào)、第二位置脈沖信號(hào)至控制器FPGA，所述單軸真空吸盤吸附伺服模塊與第二直流電機(jī)之間控制連接，直流無刷電機(jī)、直流電機(jī)兩軸混合伺服模塊分別與直流無刷電機(jī)、第一直流電機(jī)之間控制連接。
[0027]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述第一位置脈沖信號(hào)、第二位置脈沖信號(hào)、第三位置脈沖信號(hào)同時(shí)為低電平時(shí)，產(chǎn)生信號(hào)傳輸至控制器FPGA，同時(shí)記錄直流無刷電機(jī)、第一直流電機(jī)和第二直流電機(jī)的絕對(duì)位置。
[0028]本發(fā)明的有益效果是:加速度與陀螺儀與方向傳感器相結(jié)合的方式，精確測(cè)量加速度、角速度、角度，令三者比較精確，且更加精確的控制使用了此控制系統(tǒng)的滅火機(jī)器人的。
【附圖說明】
[0029]為了更清楚地說明本發(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(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，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為本發(fā)明的一種單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)一較佳實(shí)施例的滅火機(jī)器人房間示意圖；
圖2為本發(fā)明的一種單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)一