六輪雙核全自動(dòng)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)明涉多軸機(jī)器人的等領(lǐng)域，涉及一種六輪滅火機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)，尤其涉及一種六輪雙核全自動(dòng)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；
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；
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。
[0005]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(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(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)；
(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；
(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(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)，有時(shí)候可能會接觸墻壁，導(dǎo)致尋找火源失??；
(4)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；
(5)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；
(6)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；
(7)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；
(8)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)候在一些相對需求能量較低的狀態(tài)下造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象出現(xiàn)，不利于滅火機(jī)器人系統(tǒng)能源的節(jié)??；
(9)基于單核控制的滅火機(jī)器人，特別是對于多輪的滅火機(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)；
(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，運(yùn)算速度雖然得到了一定的提高，但是還不是很理想；
(11)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(gè)夾角，導(dǎo)致滅火消費(fèi)了大量的干冰，有時(shí)候可能會無法熄滅火源；
(12)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；
(13)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)。
[0006]因此，需要對現(xiàn)有的基于單片機(jī)控制的兩輪滅火機(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)中的使用的雙核六輪高速全自動(dòng)滅火機(jī)器人伺服系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種六輪雙核全自動(dòng)高速滅火機(jī)器人伺服控制器，能夠更好的提高滅火機(jī)器人對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力，本發(fā)明采用六輪結(jié)構(gòu)替代了原有的兩輪和四輪結(jié)構(gòu):為了兼顧兩輪中置轉(zhuǎn)向的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明采用前驅(qū)+中驅(qū)+后驅(qū)的六輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu):中置驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)直流無刷電機(jī)功率較大，前置和后置驅(qū)動(dòng)的四個(gè)直流無刷電機(jī)功率較小，只有在動(dòng)力需求較高時(shí)才啟動(dòng)，起到助力作用，由于采用六輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)，滅火機(jī)器人前后中輪都有動(dòng)力，可按探索地面和周圍環(huán)境狀態(tài)不同而將需求扭矩按不同比例分布在前后所有的輪子上，以提高滅火機(jī)器人的行駛能力。
[0008]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:提供了一種六輪雙核全自動(dòng)高速滅火機(jī)器人伺服控制器，包括電池、處理器、直流無刷電機(jī)X、直流無刷電機(jī)Y、直流無刷電機(jī)Z、直流電機(jī)M、直流無刷電機(jī)R、直流無刷電機(jī)U、直流無刷電機(jī)W、直流電機(jī)E以及滅火機(jī)器人，所述的電池單獨(dú)提供電流驅(qū)動(dòng)所述的處理器，所述的處理器分別發(fā)出第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號、第六控制信號和第七控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號、第六控制信號、第七控制信號和第八控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號、第六控制信號和第七控制信號，由所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號、第六控制信號、第七控制信號和第八控制信號分別控制所述的直流無刷電機(jī)X、直流無刷電機(jī)Y、直流無刷電機(jī)Z、直流電機(jī)M、直流無刷電機(jī)R、直流無刷電機(jī)U、直流無刷電機(jī)W和直流電機(jī)E的信號合成之后再控制滅火機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，還包括圖像采集單元，所述的處理器與圖像采集單元通訊連接，其中，所述的處理器采用雙核處理器，包括STM32F407和FPGA，所述的FPGA與STM32F407進(jìn)行通信連接。
[0009]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的電池采用鋰離子電池。
[0010]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的第一控制信號、第二控制信號、第三控制信號、第四控制信號、第五控制信號、第六控制信號、第七控制信號和第八控制信號均為PWM波控制信號。
[0011]在本發(fā)明一個(gè)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)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，所述的上位機(jī)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)界面模塊以及在線輸出模塊，所述的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括基于FPGA八軸同步混合伺服控制模塊、坐標(biāo)定位模塊、I/O控制模塊以及圖像采集模塊，其中，所述的基于FPGA八軸同步混合伺服控制模塊包括六軸直流無刷電機(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以及滅火器單軸升降伺服控制模塊。
[0012]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的六輪滅火機(jī)器人伺服控制器還包括超聲波傳感器、電流傳感器、光電傳感器、電壓傳感器、加速度計(jì)傳感器、陀螺儀以及方向傳感器，所述的超聲波傳感器、電流傳感器、光電傳感器、電壓傳感器、加速度計(jì)傳感器、陀螺儀以及方向傳感器均與處理器通訊連接。
[0013]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的超聲波傳感器的數(shù)量為6個(gè)、電流傳感器的數(shù)量為8個(gè)、光電傳感器、電壓傳感器、加速度計(jì)傳感器、陀螺儀以及方向傳感器的數(shù)量均為I個(gè)。
[0014]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述的六輪滅火機(jī)器人伺服控制器還包括光電編碼器，所述的光電編碼器分別安裝在直流無刷電機(jī)X、直流無刷電機(jī)Y、直流無刷電機(jī)Z、直流電機(jī)M、直流無刷電機(jī)R、直流無刷電機(jī)U、直流無刷電機(jī)W和直流電機(jī)E上。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的六輪雙核全自動(dòng)高速滅火機(jī)器人伺服控制器，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，進(jìn)一步提高滅火機(jī)器人行走的速度，舍棄了國產(chǎn)滅火機(jī)器人所采用的單一單片機(jī)工作模式，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的六輪雙核全新控制模式?？刂瓢逡訤PGA為處理核心，實(shí)現(xiàn)六軸直流無刷電機(jī)和兩軸直流電機(jī)的八軸伺服控制的數(shù)字信號實(shí)時(shí)處理，并響應(yīng)各種中斷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的實(shí)時(shí)存儲。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)房間信息讀取、房間存儲、I/O控制、圖像采集等簡單部分的信號處理，并響應(yīng)FPGA中斷，實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)通信和存儲實(shí)時(shí)信號。同時(shí)，真空吸附技術(shù)的引入徹底消除了機(jī)器人行走打滑現(xiàn)象的發(fā)生，有效提高了機(jī)器人位置的精確性；圖像采集技術(shù)和火源位置校正技術(shù)的加入可有效增加火源的判別以及滅火的可靠性。
【附圖說明】
[0016]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為滅火機(jī)器人房間示意圖；
圖2為基于單片機(jī)控制的兩輪滅火機(jī)器人原理圖；
圖3為基于STM32F407+FPGA六輪滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖；
圖4為基于STM32F407+FPGA六輪全自動(dòng)滅火機(jī)器人原理圖；
圖5為基于STM32F407+FPGA六輪全自動(dòng)滅火機(jī)器人伺服程序框圖；
圖6為滅火機(jī)器人運(yùn)行方向示意圖；
圖7為右轉(zhuǎn)不意圖；