生一定的吸附能力，即使房間地板受到了上一組選手的破壞產(chǎn)生了一定變化，滅火機(jī)器人也不會受到影響，有效防止了滅火機(jī)器人在高速行走時的地面打滑。
[0076]本發(fā)明為克服單片機(jī)不能滿足兩軸滅火機(jī)器人行走的穩(wěn)定性和快速性的要求，舍棄了國產(chǎn)自動滅火機(jī)器人所采用的單片機(jī)工作模式和兩輪差速行駛驅(qū)動模式，在吸收國外先進(jìn)控制思想的前提下，自主發(fā)明了基于STM32F407+FPGA的全新單輪驅(qū)動控制模式?？刂瓢逡訤PGA為處理核心，實(shí)現(xiàn)單軸直流無刷電機(jī)和兩軸直流電機(jī)的三軸混合伺服控制的數(shù)字信號實(shí)時處理。雙核控制器把STM32F407從復(fù)雜的工作當(dāng)中解脫出來，實(shí)現(xiàn)部分的信號處理算法和FPGA各路PffM波控制信號的控制邏輯，并響應(yīng)中斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和存儲實(shí)時信號。
[0077]為達(dá)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案，為了提高滅火機(jī)器人搜尋速度，保證滅火機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本發(fā)明在基于STM32F407的控制器中引入真空吸附技術(shù)，同時引入單輪驅(qū)動技術(shù)使得滅火機(jī)器人的速度和運(yùn)動方向?qū)崿F(xiàn)解耦，并引入方向傳感器、速度傳感器、加速度計傳感器進(jìn)行二次姿態(tài)校正。此控制器充分考慮電池在這個系統(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伺服調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)以及STM32F407數(shù)據(jù)處理速度相對較快的特點(diǎn)，從而快速實(shí)現(xiàn)滅火機(jī)器人人機(jī)界面、房間讀取、房間存儲、坐標(biāo)定位、I/O控制、火源發(fā)現(xiàn)及滅火等功能。
[0078]本發(fā)明的有益效果是:
(I)在運(yùn)動過程中，充分考慮了電池在這個系統(tǒng)中的作用，基于STM32F407+FPGA控制器時刻都在對滅火機(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，電流傳感器Cl、C2時刻對電池的電流進(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。
[0079]( 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。
[0080](3)由FPGA處理滅火機(jī)器人的單軸直流無刷電機(jī)X和負(fù)責(zé)行走方向的直流電機(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)。
[0081](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。
[0082](5)由于采用直流無刷電機(jī)，使得調(diào)速范圍比較寬，調(diào)速比較平穩(wěn)。
[0083](6)由于本控制器采用FPGA處理三軸伺服大量的數(shù)據(jù)與算法，有效地防止了程序的“跑飛”，抗干擾能力大大增強(qiáng)。
[0084](7)在滅火機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動過程中，F(xiàn)PGA可以根據(jù)機(jī)器人外圍運(yùn)行情況適時調(diào)整內(nèi)部三環(huán)伺服控制的PID參數(shù)，實(shí)現(xiàn)分段P、ro、PID控制和非線性PID控制，使系統(tǒng)滿足中低速運(yùn)行時速度的切換。
[0085](8)在此雙核滅火機(jī)器人系統(tǒng)引入了三軸加速度計Al、陀螺儀Gl和方向傳感器Dl, FPGA通過積分和二次積分可以得到滅火機(jī)器人的角速度和角度信息，實(shí)現(xiàn)了滅火機(jī)器人在房間探索時的瞬時加速度、速度的直接檢測，并利用反饋實(shí)現(xiàn)全程導(dǎo)航和二次補(bǔ)償，有利于提尚滅火機(jī)器人的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。
[0086](9)在滅火機(jī)器人運(yùn)行過程中，F(xiàn)PGA會對高速直流無刷電機(jī)X、直流電機(jī)Y和直流電機(jī)M的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行在線辨識并利用電機(jī)力矩與電流的關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償，減少了電機(jī)轉(zhuǎn)矩抖動對滅火機(jī)器人快速探尋火源的影響。
[0087](10) FPGA通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)M的伺服控制可以有效調(diào)節(jié)真空吸盤對地面的吸附力，消除了滅火機(jī)器人在高速探尋火源時打滑現(xiàn)象的發(fā)生。
[0088](11)由于只有一個動力驅(qū)動輪，使得電機(jī)與兩個從動輪永遠(yuǎn)在一個平面上，使得滅火機(jī)器人永遠(yuǎn)不會因?yàn)轵?qū)動問題而失控；
(12)由于采用速度大小和方向的獨(dú)立控制，使得控制滅火機(jī)器人運(yùn)行方向的電機(jī)功率大大減少，這樣有利于減少能量的消耗。
[0089](13)由于采用的是速度大小和方向的獨(dú)立控制，使得滅火機(jī)器人更容易實(shí)現(xiàn)反向倒車，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中只要加多一套方向判別傳感器，就可以實(shí)現(xiàn)滅火機(jī)器人的倒車功能，而不需要旋轉(zhuǎn)180度，減少了場地對此滅火機(jī)器人的影響。
[0090](H)FPGA結(jié)合超聲波傳感器的反饋、電機(jī)光電編碼器反饋以及電機(jī)電流的反饋等輸出PffM調(diào)制信號和方向信號，通過驅(qū)動電路可以直接驅(qū)動電機(jī)，極大提高了系統(tǒng)的運(yùn)算速度。
[0091]以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，包括:雙核控制器、若干判斷前方運(yùn)動環(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、電機(jī)光電編碼器生成若干控制電機(jī)的PWM控制信號并驅(qū)動電機(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)合并把信號傳輸至雙核控制器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，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)時通訊。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器FPGA通過結(jié)合電流傳感器信號、電機(jī)光電編碼器生成若干控制電機(jī)的PffM控制信號，所述微控制器STM32F407與PffM控制信號之間通信，且驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，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； 所述運(yùn)動控制模塊包含坐標(biāo)定位單元、I/O控制單元、三軸同步伺服系統(tǒng)； 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，且將信號傳輸至單軸真空吸盤吸附伺服模塊。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，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、第二位置脈沖信號、第三位置脈沖信號，所述電機(jī)光電編碼器輸出第一位置脈沖信號、第二位置脈沖信號至控制器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。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第一位置脈沖信號、第二位置脈沖信號、第三位置脈沖信號同時為低電平時，產(chǎn)生信號傳輸至控制器FPGA，同時記錄直流無刷電機(jī)、第一直流電機(jī)和第二直流電機(jī)的絕對位置。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單輪雙核高速速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，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3個、光電傳感器、三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀、方向傳感器數(shù)量均為I個。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，其特征在于，所述單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)中還包含有電池，所述的電池采用鋰離子電池。
【專利摘要】本發(fā)明公開了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)合并把信號傳輸至雙核控制器。通過上述方式，本發(fā)明能夠提供一種單輪雙核高速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，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。
【IPC分類】G05D1/12, G05D1/02
【公開號】CN105068558
【申請?zhí)枴緾N201510520213
【發(fā)明人】張好明, 楊銳敏
【申請人】銅陵學(xué)院
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年8月24日