基于兩輪中速全自動(dòng)滅火機(jī)器人的雙核伺服控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多軸機(jī)器人領(lǐng)域，特別是涉及一種基于兩輪中速全自動(dòng)滅火機(jī)器人的雙核伺服控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]滅火機(jī)器人是一中模擬現(xiàn)實(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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(zhǎng)度為60cm長(zhǎng)，高度在27-34cm。比賽場(chǎng)地地面是光滑的，場(chǎng)地的地板是黑色的。場(chǎng)地上的任意縫隙都刷成黑色。場(chǎng)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(chǎng)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(duì)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]一臺(tái)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。
[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(gè)房間格到達(dá)另外一格房間格的運(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。
[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(shí)，對(duì)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(shí)的消化和擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面都非常有幫助。國(guó)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(zhǎng)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(huì)遇到丟失脈沖造成電機(jī)失步現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致對(duì)位置的記憶出現(xiàn)錯(cuò)誤，滅火機(jī)器人無(wú)法尋求到火源，或者是滅火后機(jī)器人無(wú)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(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。
[0009](4)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](5)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(gè)功率管，使得控制電路相對(duì)比較復(fù)雜，并且增加了控制器價(jià)格。
[0011 ] ( 6 )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(chǎng)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(huì)接觸墻壁，導(dǎo)致尋找火源失敗。
[0012](9)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(wú)法滿足滅火機(jī)器人快速啟動(dòng)和停止的要求。
[0013](10)相對(duì)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(duì)都比較重。
[0014](11)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(huì)出現(xiàn)異常，引起滅火機(jī)器人失控，抗干擾能力較差。
[0015](12)對(duì)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PWM控制信號(hào)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(duì)于快速行走時(shí)情況更糟糕。
[0016](13)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(huì)無(wú)法熄滅火源。
[0017](14)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(wú)法有效的撲滅火源。
[0018](15)在實(shí)際滅火過程中，普通的光源探測(cè)傳感器會(huì)可能收到外界光源的干擾，導(dǎo)致滅火探尋失敗，無(wú)法完成任務(wù)。
[0019]因此，需要對(duì)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(jì)，尋求一種經(jīng)濟(jì)適用的能夠在現(xiàn)實(shí)中的使用中速兩輪滅火機(jī)器人伺服系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種基于兩輪中速全自動(dòng)滅火機(jī)器人的雙核伺服控制系統(tǒng)，具有可靠性能高、定位精確、轉(zhuǎn)位速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在多軸機(jī)器人的應(yīng)用及普及上有著廣泛的市場(chǎng)前景。
[0021]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:
提供一種基于兩輪中速全自動(dòng)滅火機(jī)器人的雙核伺服控制系統(tǒng)，其包括:微處理單元、鋰電池、探測(cè)傳感器單元、用于測(cè)量滅火機(jī)器人加速度的三軸加速度傳感器、用于測(cè)量滅火機(jī)器人角速度的陀螺儀、真空抽吸單元、火源采集單元和控制電機(jī)，
所述微處理單元包括對(duì)所述控制電機(jī)進(jìn)行伺服控制調(diào)節(jié)的主控芯片和用于處理主控芯片控制邏輯、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和信號(hào)存儲(chǔ)的STM32控制器，所述主控芯片采用了 MC58113芯片，所述STM32控制器采用了 STM32F407控制器，
所述控制電機(jī)包括微型直流電機(jī)、升降直流電機(jī)、第一電機(jī)和第二電機(jī)，所述微型直流電機(jī)與所述真空抽吸單元相連接，所述升降直流電機(jī)上連接有滅火裝置，所述第一電機(jī)連接有滅火機(jī)器人的X輪，所述第二電機(jī)連接有滅火機(jī)器人的Y輪，
所述微處理單元分別與所述探測(cè)傳感器單元、鋰電池、所述三軸加速度傳感器、所述陀螺儀、所述真空抽吸單元、所述火源采集單元和所述控制電機(jī)相連接。
[0022]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述微處理單元分別發(fā)出第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)、第三控制信號(hào)和第四控制信號(hào)。
[0023]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述第一控制信號(hào)、第二控制信號(hào)、第三控制信號(hào)和第四控制信號(hào)分別控制所述的第一電機(jī)、第二電機(jī)、微型直流電機(jī)、升降直流電機(jī)的信號(hào)合成并控制滅火機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
[0024]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述探測(cè)傳感器單元包括6個(gè)超聲波傳感器。
[0025]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述真空抽吸單元包括真空抽吸器和真空吸盤。
[0026]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述第一電機(jī)和所述第二電機(jī)均為直流無(wú)刷電機(jī)。
[0027]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述第一電機(jī)和所述第二電機(jī)均連接有光電編碼器。
[0028]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，所述火源采集單元包括光電采集裝置和圖像采集裝置。
[0029]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)程序模塊包括房間探索模塊、房間存儲(chǔ)模塊、路徑讀取模塊、人機(jī)界面模塊以及在線輸出模塊，所述運(yùn)動(dòng)控制程序模塊包括基于MC58113四軸同步混合直流混合伺服控制模塊、坐標(biāo)定位模塊、I/O控制模塊和圖像采集模塊，所述基于MC58113四軸同步混合直流混合伺服控制模塊包括基于兩軸直流無(wú)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和滅火器單軸升降伺服控制模塊。
[0030]在本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，還包括電壓傳感器、第一電流傳感器和所述第二電流傳感器，所述電壓傳感器、第一電流傳感器和所述第二電流傳感器均與所述微處理單元相連接。
[0031]本發(fā)明的有益效果是:提高了滅火機(jī)器人的靈活度和精確度，同時(shí)提高了運(yùn)算速度，另外，通過基于微型直流電機(jī)的吸附單元起到防滑的作用，保證滅火機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
【附圖說明】
[0032]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