一種基于stm32f407兩輪中低速滅火機器人伺服控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多軸機器人領(lǐng)域，具體涉及一種基于STM32F407兩輪中低速滅火機器人伺服控制器的兩輪滅火機器人自動控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]滅火機器人是一中模擬現(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器人。一般情況下，比賽型滅火機器人能夠在一間平面結(jié)構(gòu)房子模型里運動，在操作規(guī)則指導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)實家庭中機器人處理火警的過程。蠟燭代表家里燃起的火源，機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，滅火機器人將在64格房間里尋找火源并熄滅。在圖1的二維房間中，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，滅火機器人必須在沒有人的干預下自己控制導航，而非人工控制，為了考驗滅火機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]—臺完整的滅火機器人大致分為以下幾個部分:
O電機:執(zhí)行電機是滅火機器人的動力源，它根據(jù)微處理器的指令來執(zhí)行滅火機器人在房間二維平面上行走的相關(guān)動作。
[0005]2)算法:算法是滅火機器人的靈魂。滅火機器人必須采用一定的智能算法才能準確快速的從一個房間格到達另外一格房間格的運動，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:微處理器是滅火機器人的核心部分，是滅火機器人的大腦。滅火機器人所有的信息，包括房間墻壁信息，火源位置信息，和電機狀態(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]滅火機器人結(jié)合了多學科知識，對于提升在校學生的動手能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力，促進學生課堂知識的消化和擴展學生的知識面都非常有幫助。國內(nèi)研發(fā)此機器人的單位較多，但是研發(fā)的機器人比較落后，研發(fā)的滅火機器人結(jié)構(gòu)如圖2，長時間運行發(fā)現(xiàn)存在著很多安全問題，即:
(I)作為滅火機器人的執(zhí)行機構(gòu)采用的多是步進電機，經(jīng)常會遇到丟失脈沖造成電機失步現(xiàn)象發(fā)生，導致對位置的記憶出現(xiàn)錯誤，滅火機器人無法尋求到火源，或者是滅火后機器人無法回到起始點。
[0008](2)由于采用步進電機，使得機體發(fā)熱比較嚴重，有的時候需要進行加裝散熱裝置，使得機器人整體重量增加。
[0009](4)由于采用步進電機，使得系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的機械噪聲大大增加，不利于環(huán)境保護。
[0010](5)由于采用步進電機，其電機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雜，并且增加了控制器價格。
[0011 ] (6 )由于采用步進電機，使得系統(tǒng)一般不適合在速度較高的場合運行，高速運動時容易產(chǎn)生振動，有時候可能會接觸墻壁，導致尋找火源失敗。
[0012](7)由于滅火機器人要頻繁的剎車和啟動，加重了單片機的工作量，單一的單片機無法滿足滅火機器人快速啟動和停止的要求。
[0013](8)相對采用的都是一些體積比較大的插件元器件，使得滅火機器人控制系統(tǒng)占用較大的空間，重量相對都比較重。
[0014](9)由于受周圍環(huán)境不穩(wěn)定因素干擾，單片機控制器經(jīng)常會出現(xiàn)異常，引起滅火機器人失控，抗干擾能力較差。
[0015](10)對于兩輪滅火機器人尋找火源過程來說，一般要求其兩個電機的PWM控制信號要同步，由于受單片機計算能力的限制，單一單片機伺服系統(tǒng)很難滿足這一條件，使得滅火機器人行走導航很難控制，特別是對于快速行走時情況更糟糕。
[0016]因此，需要對現(xiàn)有的基于單片機控制的滅火機器人控制器進行重新設(shè)計，尋求一種經(jīng)濟適用的能夠在現(xiàn)實中的使用中低速兩輪滅火機器人伺服系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明的目的在于提供一種在基于STM32F407的控制器中引入真空吸附技術(shù)，同時引入三軸加速度計傳感器進行二次姿態(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STM32F407處理，充分發(fā)揮STM32F407數(shù)據(jù)處理速度相對較快的特點，從而快速實現(xiàn)滅火機器人人機界面、房間讀取、房間存儲、坐標定位、I/O控制、火源發(fā)現(xiàn)及滅火等功能的基于STM32F407兩輪中低速滅火機器人伺服控制器。
[0018]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于STM32F407兩輪中低速滅火機器人伺服控制器，包括電池、STM32F407、直流電機M、直流無刷電機X、直流無刷電機Y、信號處理器以及滅火機器人，所述STM32F407發(fā)出第三控制信號驅(qū)動所述直流電機M，所述STM32F407發(fā)出第二控制信號驅(qū)動所述直流無刷電機Y，所述STM32F407發(fā)出第一控制信號驅(qū)動所述直流無刷電機X，所述直流電機M、直流無刷電機X、直流無刷電機Y通過信號處理器處理后驅(qū)動所述滅火機器人。
[0019]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述兩輪中低速滅火機器人伺服控制器上還設(shè)置有第一超聲波傳感器、第二超聲波傳感器、第三超聲波傳感器、第四超聲波傳感器、第五超聲波傳感器、第六超聲波超聲波傳感器、光電傳感器、電壓傳感器、三軸加速度計傳感器、第一電流傳感器以及第二電流傳感器。
[0020]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述STM32F407包括上位機程序和運動控制程序，所述上位機程序包括房間探索模塊、房間存儲模塊、路徑讀取模塊、人機界面模塊及在線輸出模塊，所述運動控制程序包括三軸同步直流無刷和直流混合伺服控制模塊、坐標定位模塊及I/o控制模塊，所述三軸同步直流無刷和直流混合伺服控制模塊包括基于兩軸直流無刷電機滅火機器人搜尋伺服控制模塊和單軸真空吸盤吸附伺服控制模塊。
[0021]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述STM32F407上還連接設(shè)置有干冰滅火器電磁閥。
[0022]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述電池為鋰離子電池。
[0023]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述直流無刷電機X、直流無刷電機Y上還分別設(shè)置有光電編碼器。
[0024]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述單軸真空吸盤吸附伺服控制模塊中的真空吸盤通過直流電機M驅(qū)動。
[0025]在本發(fā)明一個較佳實施例中，所述真空吸盤與所述地面吸附對應(yīng)設(shè)置從而防止打滑。
[0026]本發(fā)明所述為一種基于STM32F407兩輪中低速滅火機器人伺服控制器，具有如下有益效果:
1、在運動過程中，充分考慮了電池在這個系統(tǒng)中的作用，基于STM32F407時刻都在對滅火機器人的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和運算，并且在電池提供電源的過程中，Cl、C2時刻對電池的電流進行觀測并送給控制器進行保護，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；
2、用直流無刷電機替代了步進電機，使得電機無機械摩擦，無磨損，無電火花，且免維護，而且直流無刷電機的效率高，功率和轉(zhuǎn)矩密度高，使得系統(tǒng)的效率更高；
3、由STM32F407處理滅火機器人的兩只直流無刷電機X和直流無刷電機Y、單軸吸附控制直流電機M的伺服控制，使得控制比較簡單，大大提高了運算速度，解決了單片機軟件運行較慢的瓶頸，縮短了開發(fā)周期短，并且程序可移植能力強；
4、本發(fā)明基本實現(xiàn)全貼片元器件材料，實現(xiàn)了單板控制，不僅節(jié)省了控制板占用空間，而且有利于滅火機器人體積和重量的減輕；
5、由于采用直流無刷電機，相對于直流電機使得調(diào)速范圍比較寬，調(diào)速比較平穩(wěn)；
6、由于本控制器采用STM32F407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；
7、在滅火機器人實際運動過程中，STM32F407可以根據(jù)機器人外圍運行情況適時調(diào)整內(nèi)部三閉環(huán)伺服控制的PID參數(shù)，實現(xiàn)分段P、H)、PID控制和非線性PID控制，使系統(tǒng)滿足中低速運行時速度的切換；
8、在此滅火機器人系統(tǒng)引入了三軸加速度計傳感器Al，通過積分和二次積分可以得到滅火機器人的角速度和角度信息，實現(xiàn)了滅火機器人在房間探索時的瞬時加速度、速度的檢測，并利用反饋實現(xiàn)全程導航和二次補償，有利于提高微微鼠的穩(wěn)定性和動態(tài)性能；
9、在滅火機器人運行過程中，控制器會對直流無刷電機X、直流無刷電機Y和直流電機M的轉(zhuǎn)矩進行在線辨識并利用電機力矩與電流的關(guān)系進行補償，減少了電機轉(zhuǎn)矩抖動對滅火機器人快速探尋火源的影響；
10、通過調(diào)節(jié)直流電機M可以有效調(diào)節(jié)真空吸盤