一種單輪雙核中低速滅火機(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中低速滅火機(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:
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。
[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)確快速的從一個房間到達(dá)另外一個房間的運(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。
[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，對于提升在校學(xué)生的動手能力、團(tuán)隊協(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:
(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)。
[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](6)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](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，一般要求其兩個電機(jī)的PWM控制信號要同步，由于受單片機(jī)計算能力的限制，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。
[0016](10)對于通過兩個電機(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)器人都是由兩個驅(qū)動電機(jī)配合一個萬向輪來形成一個運(yùn)動平面，但是當(dāng)遇到運(yùn)動路面不平整時經(jīng)常碰到兩個萬向輪配合一個驅(qū)動輪運(yùn)轉(zhuǎn)的現(xiàn)象發(fā)生，這時就會發(fā)生小車失控現(xiàn)象，更為可怕的是，對于帶重載的滅火機(jī)器人，這種失控有時候會嚴(yán)重破壞周圍的物品。
[0017](11)在實際機(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，這個時候機(jī)器人就要模仿現(xiàn)實生活進(jìn)行倒車退出，但是這個時候又沒有傳感器對其進(jìn)行位置校正，容易發(fā)生危險。
[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，尋求一種經(jīng)濟(jì)適用的能夠在現(xiàn)實中使用的滅火機(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:如何提供一種加入了加速度傳感器來測量加速度，通過一次積分和二次積分可以得到伺服控制需要的速度和位置反饋參數(shù)，實現(xiàn)了滅火機(jī)器人的三閉環(huán)伺服控制，基于直流電機(jī)的真空吸附裝置能夠徹底消除機(jī)器人高速行走打滑現(xiàn)象的發(fā)生的單輪雙核中低速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)。
[0020]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的一個技術(shù)方案是:提供一種單輪雙核中低速滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)，包括:控制器STM32F407、若干判斷前方運(yùn)動環(huán)境的超聲波傳感器、電流傳感器、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；所述控制器STM32F407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，微控制器STM32F407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。
[0021]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，所述加速度傳感器與電機(jī)光電編碼器相結(jié)合并把實時信號傳輸至控制器STM32F407，所述控制器STM32F407根據(jù)實施信號的不同自動切換超聲波傳感器中的一個或多個。
[0022]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述電機(jī)包括直流無刷電機(jī)、直流電機(jī)和真空抽吸電機(jī)，所述電機(jī)光電編碼器位于直流無刷電機(jī)、直流電機(jī)和真空抽吸電機(jī)上，且所述直流無刷電機(jī)、直流電機(jī)和真空抽吸電機(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，第一位置脈沖信號、第二位置脈沖信號、第三位置脈沖信號與控制器STM32F407之間通信連接。
[0023]在本發(fā)明一個較佳實施例中，控制器STM32F407通過實時檢測并自動調(diào)節(jié)真空抽吸電機(jī)對地面的吸附能力，且存儲環(huán)境信息。
[0024]在本發(fā)明一個較佳實施例中，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，產(chǎn)生信號傳輸至控制器STM32F407，同時記錄直流無刷電機(jī)、直流電機(jī)和真空抽吸電機(jī)的絕對位置。
[0025]在本發(fā)明一個較佳實施例中，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。
[0026]所述運(yùn)動控制模塊包含坐標(biāo)定位單元、I/O控制單元、三軸同步直流無刷和直流混合伺服控制系統(tǒng)；所述三軸同步直流無刷和直流混合伺服控制系統(tǒng)包括直流無刷電機(jī)和直流電機(jī)兩軸混合滅火伺服模塊、單軸真空吸盤吸附伺服模塊，所述直流無刷電機(jī)和直流電機(jī)兩軸混合滅火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。
[0027]在本發(fā)明一個較佳實施例中，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STM32F407，所述單軸真空吸盤吸附伺服模塊與真空抽吸電機(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)、直流電機(jī)之間控制連接。
[0028]本發(fā)明的有益效果是:加入了加速度傳感器來測量加速度，通過一次積分和二次積分可以得到伺服控制需要的速度和位置反饋參數(shù)，實現(xiàn)了滅火機(jī)器人的三閉環(huán)伺服控制，基于直流電機(jī)的真空