基于两轮高速全自动灭火机器人的双核伺服控制系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于两轮高速全自动灭火机器人的双核伺服控制系统，包括：双核控制单元、电压传感器、电池、运动电机、三轴加速度计传感器、陀螺仪和方向传感器、单轴吸附控制直流电机、升降直流电机、图像采集器和超声波传感器单元。通过上述方式，本实用新型专利技术基于两轮高速全自动灭火机器人的双核伺服控制系统，通过使用STM32F407+FPGA双核控制器，大大的提高了机器人的计算效率，而且利用单轴真空吸附装置达到灭火机器人防滑效果，从而在提高灭火机器人动作的速度的同时又保证了精确性，使得灭火机器人的控制系统更加的可靠有效。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及多轴机器人领域，特别是涉及一种基于两轮高速全自动灭火机器人的双核伺服控制系统。
技术介绍
灭火机器人是一中模拟现实生活中人类发现有害火源并能够自动熄灭火源的一种新型智能机器人。一般情况下，比赛型灭火机器人能够在一间平面结构房子模型里运动，在操作规则指导下以最短的时间找到代表火源的一根蜡烛并将它熄灭。模拟现实家庭中机器人处理火警的过程。蜡烛代表家里燃起的火源，机器人必须找到并熄灭火源。蜡烛火焰的底部将离地面15?20cm高。蜡烛是直径l-2cm的白蜡烛。蜡烛火焰的确切高度和尺寸是不确定的、变化的，而且由蜡烛条件和周围的环境所决定。蜡烛将随机地放在比赛场地的一个房间里，比赛开始后不管火焰具体是什么尺寸，都要求机器人能发现蜡烛。在真正的比赛中，为了加大比赛难度，比赛场地被分为n*n格的标准模式，最常采用的是8*8格的均匀模式，其比赛场地二维结构如图1所示，灭火机器人将在64格房间里寻找火源并熄灭。在图1的二维搜寻火源地图中，墙的材料是木质一般且可以反光，每块挡墙的长度为60cm长，高度在27-34cm。比赛场地地面是光滑的，场地的地板是黑色的。场地上的任意缝隙都刷成黑色。场地的缝隙不超过5_。一些机器人可能用泡沫，粉末或者其他的物质来熄灭蜡烛的火焰。由于每一个机器人比赛后清洗场地的好坏直接影响到地面情况，故地面不保证在整个比赛过程中都保持绝对黑色。一旦启动，灭火机器人必须在没有人的干预下自己控制导航，而非人工控制，为了考验灭火机器人在搜寻火源过程中的稳定性，其不可以碰撞或接触墙壁，否则将被受到处罚。—台完整的灭火机器人大致分为以下几个部分:1)电机:执行电机是灭火机器人的动力源，它根据微处理器的指令来执行灭火机器人在二维平面上行走的相关动作。2)算法:算法是灭火机器人的灵魂。灭火机器人必须采用一定的智能算法才能准确快速的从一个房间格到达另外一格房间格的运动，然后发现火源，并开启自身携带的干冰控制器，扑灭火源。3)微处理器:微处理器是灭火机器人的核心部分，是灭火机器人的大脑。灭火机器人所有的信息，包括房间墙壁信息，火源位置信息，和电机状态信息等都需要经过微处理器处理并做出相应的判断。灭火机器人结合了多学科知识，对于提升在校学生的动手能力、团队协作能力和创新能力，促进学生课堂知识的消化和扩展学生的知识面都非常有帮助。国内研发此机器人的单位较多，但是研发的机器人比较落后，研发的灭火机器人结构如图2，长时间运行发现存在着很多安全问题，即:(1)作为灭火机器人的执行机构采用的多是步进电机，经常会遇到丢失脉冲造成电机失步现象发生，导致对位置的记忆出现错误，灭火机器人无法寻求到火源，或者是灭火后机器人无法回到起始点。(2)由于采用步进电机，使得机体发热比较严重，有的时候需要进行加装散热装置，使得机器人整体重量增加。 (3 )由于采用步进电机，使得系统一般不适合在速度较高的场合运行，高速运动时容易产生振动，有时候可能会接触墙壁，导致寻找火源失败。(4)由于灭火机器人要频繁的刹车和启动，加重了单片机的工作量，单一的单片机无法满足灭火机器人快速启动和停止的要求。(5)由于受周围环境不稳定因素干扰，单片机控制器经常会出现异常，引起灭火机器人失控，抗干扰能力较差。(6)对于两轮灭火机器人寻找火源过程来说，一般要求其两个电机的PWM控制信号要同步，由于受单片机计算能力的限制，单一单片机伺服系统很难满足这一条件，使得灭火机器人行走导航很难控制，特别是对于快速行走时情况更糟糕。(7)在实际灭火过程中，火源未必处在房间格的中心，导致灭火机器人的行走方向与火源之间有一个夹角，导致灭火消费了大量的干冰，有时候可能会无法熄灭火源。(8)在实际灭火过程中，由于蜡烛的燃烧，其高度也在发生变化，这与现实中的火源也非常相似，但是一般的灭火机器人携带的干冰灭火器的喷嘴高度是固定的，导致无法有效的扑灭火源。(9)在实际灭火过程中，普通的光源探测传感器会可能收到外界光源的干扰，导致灭火探寻失败，无法完成任务。因此，需要对现有的基于单片机控制的灭火机器人控制器进行重新设计，寻求一种经济适用的能够在现实中的使用快速两轮灭火机器人伺服系统。
技术实现思路
本技术主要解决的技术问题是提供一种基于两轮高速全自动灭火机器人的双核伺服控制系统，具有可靠性能高、定位精确、转位速度快等优点，同时在多轴机器人的应用及普及上有着广泛的市场前景。为解决上述技术问题，本技术采用的一个技术方案是:提供一种基于两轮高速全自动灭火机器人的双核伺服控制系统，其包括:双核控制单元、电压传感器、电池、运动电机、三轴加速度计传感器、陀螺仪、方向传感器、单轴吸附控制直流电机、升降直流电机、图像采集器、单轴真空吸附装置和6个超声波传感器单元，所述双核控制单元包括STM32F407控制器和FPGA控制器，所述STM32F407控制器与所述FPGA控制器相连接，所述升降直流电机上设置有干冰灭火器，所述单轴吸附控制直流电机上连接有单轴真空吸附装置，所述单轴真空吸附装置上连接有用于防止灭火机器人打滑的真空吸盘，所述超声波传感器单元包括前方探测单元、左方探测单元和右方探测单元，所述双核控制单元发送PWM波控制信号，所述运动电机、所述单轴吸附控制直流电机和所述升降直流电机分别收到对应的PWM波控制信号，所述双核控制单元分别与所述电池、所述电压传感器、所述运动电机、所述三轴加速度计传感器、所述陀螺仪和所述方向传感器、所述单轴吸附控制直流电机、所述升降直流电机、所述图像采集器、所述超声波传感器单元相连接。在本技术一个较佳实施例中，所述的处理器的内部还设置有上位机程序系统和运动控制程序系统，所述上位机程序系统包括房间探索模块、房间存储模块、路径读取模块、人机界面模块和在线输出模块，所述的运动控制系统包括基于FPGA四轴同步直流混合伺服控制模块、坐标定位模块、I/O控制模块和图像采集模块，所述基于FPGA四轴同步直流混合伺服控制模块包括基于两轴直流无刷电机灭火机器人搜寻伺服控制模块、单轴真空吸盘吸附伺服控制模块和灭火器单轴升降伺服控制模块。在本技术一个较佳实施例中，还包括分别用于控制灭火机器人车轮的直流无刷电机X和直流无刷电机Y，所述直流无刷电机X和所述直流无刷电机Y分别接收所述双核控制单元发出的2个对应的PWM波控制信号。在本技术一个较佳实施例中，灭火机器人的左轮与所述直流无刷电机X相连接，灭火机器人的右轮与所述直流无刷电机Y相连接。在本技术一个较佳实施例中，还包括用于采集火源信息的光电采集器，所述光电采集器与所述双核控制单元相连接。在本技术一个较佳实施例中，所述前方探测单元包括第一传感器和第六传感器。在本技术一个较佳实施例中，所述左方探测单元包括第二传感器和第三传感器。在本技术一个较佳实施例中，所述右方探测单元包括第四传感器和第五传感器。在本技术一个较佳实施例中，所述的电池采用锂离子电池。在本技术一个较佳实施例中，还包括第一电流传感器和第二电流传感器，所述双核控制单元通过电机光电编码器分别与所述第一电流传感器和所述第二电流传感器相连接。本技术的有益效果是:通过使用STM32F407+FPGA双核控制器，大大的提高了机器人的计算效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于两轮高速全自动灭火机器人的双核伺服控制系统，其特征在于，包括：双核控制单元、电压传感器、电池、运动电机、三轴加速度计传感器、陀螺仪、方向传感器、单轴吸附控制直流电机、升降直流电机、图像采集器、单轴真空吸附装置和6个超声波传感器单元，所述双核控制单元包括STM32F407控制器和FPGA控制器，所述STM32F407控制器与所述FPGA控制器相连接，所述升降直流电机上设置有干冰灭火器，所述单轴吸附控制直流电机上连接有单轴真空吸附装置，所述单轴真空吸附装置上连接有用于防止灭火机器人打滑的真空吸盘，所述超声波传感器单元包括前方探测单元、左方探测单元和右方探测单元，所述双核控制单元发送PWM波控制信号，所述运动电机、所述单轴吸附控制直流电机和所述升降直流电机分别收到一一对应的PWM波控制信号，所述双核控制单元分别与所述电池、所述电压传感器、所述运动电机、所述三轴加速度计传感器、所述陀螺仪和所述方向传感器、所述单轴吸附控制直流电机、所述升降直流电机、所述图像采集器、所述超声波传感器单元相连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张好明，杨锐敏，
申请(专利权)人：铜陵学院，
类型：新型
国别省市：安徽;34