差，STM32F407按照距离、速度、加速度要求，把此高度差转化为位置、速度、加速度指令值，然后与FPGA芯片通讯，FPGA芯片结合电机E的电和光电编码器的反馈，自动调整直流电机E的PffM波控制信号，然后驱动直流电机E工作，使得灭火器的喷嘴高度与蜡烛火源高度一致，控制器开启携带的干冰灭火器的电磁阀，开始对蜡烛进行喷洒干冰直至光源消失，图像采集系统二次判断火源，确定灭火完成后，控制器关闭图像采集系统；STM32F407通过FPGA芯片自动调整直流无刷电机X和电机Y的PWM波控制信号，使得电机X反转，电机Y正转，在加速度计Al、陀螺仪Gl和方向传感器Dl控制下灭火机器人开始原地旋转，并恢复到刚入宫的位置；
如果光电传感器S7没有捕捉到新坐标下的光源，灭火机器人将离开目前房间格，将继续搜寻并更新其坐标；
13)当灭火机器人搜到光源，并喷洒干冰完成灭火后，灭火机器人会停在目标点，然后控制器调出灭火机器人已经搜索的路径，并舍弃未搜寻的目标，通过洪水算法找出已经搜寻过房间的最佳路径，然后灭火机器人按照此路径快速回到搜寻起点；
14)在灭火机器人行走过程总，，控制器并实时检测灭火机器人的行走速度，并根据地面情况系统会自动调节电机M加大真空吸盘对地面的吸附能力。
[0062]15)在灭火机器人房间搜寻过程中，FPGA芯片会对高速直流无刷电机X、直流无刷电机Y、直流电机Z、之路电机R、直流电机M、直流电机E的转矩进行在线辨识，由于系统采用的是三闭环伺服控制，如果转矩出现脉动，控制器会利用直流电机力矩与电流的关系对干扰进行线性补偿，有效减少了电机转矩抖动对灭火机器人快速探索时导航的影响，增加了其抗干扰能力。
[0063]16)当灭火机器人完成整个返程过程回到起始点(0，0)，STM32F407将控制FPGA芯片使得灭火机器人中心点停车，并重新调整FPGA芯片驱动信号，使得直流无刷电机X和直流无刷电机Y以相反的方向运动，灭火机器人加速度计传感器Al的控制下，原地旋转180度，原地自锁，等待下一个搜寻命令。
[0064]本发明全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器的有益效果是:
1、在运动过程中，充分考虑了电池在这个系统中的作用，基于STM32F407+FPGA芯片控制器时刻都在对灭火机器人的运行状态进行监测和运算，并且在电池提供电源的过程中，电流传感器C1~C6时刻对电池的电流进行观测并送给控制器进行保护，避免了大电流的产生，所以从根本上解决了大电流对锂离子电池的冲击，避免了由于大电流放电而引起的锂离子电池过度老化现象的发生；
2、用直流无刷电机替代了步进电机，使得电机无机械摩擦，无磨损，无电火花，且免维护，而且直流无刷电机的效率高，功率和转矩密度高，使得系统的效率更高；
3、由FPGA芯片处理灭火机器人的直流无刷电机X、直流无刷电机Y、直流无刷电机Z、直流无刷电机R和两轴直流电机M和直流电机E的伺服控制，使得控制比较简单，大大提高了运算速度，解决了单片机软件运行较慢的瓶颈，缩短了开发周期短，并且程序可移植能力强；
4、本发明基本实现全贴片元器件材料，实现了单板控制，不仅节省了控制板占用空间，而且有利于灭火机器人体积和重量的减轻；
5、由于采用直流无刷电机，使得系统带载能力更强，调速范围比较宽，调速比较平稳；
6、由于本控制器采用FPGA芯片处理六轴伺服大量的数据与算法，有效地防止了程序的“跑飞”，抗干扰能力大大增强； 7、在灭火机器人实际运动过程中，FPGA芯片可以根据机器人外围运行情况适时调整其内部伺服控制的PID参数，实现分段P、H)、PID控制和非线性PID控制，使系统满足中低速运行时速度的切换；
8、在此四轮灭火机器人系统引入了三轴加速度计Al、陀螺仪Gl和方向传感器D1，可以准确得到灭火机器人的加速度、速度和位置信息，实现了灭火机器人在房间探索时的瞬时加速度、速度和位置的直接检测，并利用直接反馈实现全程导航和二次补偿，有利于提高灭火机器人的稳定性和动态性能；
9、在灭火机器人运行过程中，FPGA芯片会对直流无刷电机X、直流无刷电机Y、直流无刷电机Z、直流无刷电机R、单轴吸附控制直流电机M和灭火器升降电机E的转矩进行在线辨识并利用电机力矩与电流的关系进行补偿，减少了电机转矩抖动对灭火机器人快速探寻火源的影响；
10、通过调节直流电机M可以有效调节真空吸盘对地面的吸附力，消除了灭火机器人在高速探寻火源时打滑现象的发生；
11、由FPGA芯片根据探索火源的速度、加速度要求把外界偏差转化为各个电机控制的位置、速度和加速度给定，再结合光电编码器和电流传感器的反馈输出PWM调制信号和方向信号，通过驱动电路可以直接驱动电机，极大的提高了运算速度；
12、图像采集的加入可以有效捕捉火源，减少外界干扰对机器人的误操作；
13、调节直流无刷电机X和直流无刷电机Y的运动方向相反，通过方向传感器Dl可以得到灭火机器人旋转的角度，使得机器人携带的灭火器与火源处于一条直线上，可以有效熄灭火源；
14、通过调整直流电机E的伺服控制可以调整灭火器的高度，使得灭火器喷嘴与火源中心高度一致，有利于有效扑灭火源。
[0065]以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于，包括:供电装置、STM32F407芯片、FPGA芯片、传感组件、图像采集组件、三轴加速度计传感器、陀螺仪、方向传感器和电机组件， 所述供电装置电性连接所述STM32F407芯片和所述FPGA芯片，所述STM32F407芯片通讯连接所述FPGA芯片且使能所述FPGA芯片，所述传感组件、所述图像采集组件、所述三轴加速度计传感器、所述陀螺仪和所述方向传感器均通讯连接所述FPGA芯片，所述FPGA芯片通过所述三轴加速度计传感器、所述陀螺仪和所述方向传感器反馈的灭火机器人的加速度、速度和角度信息得出偏差以便进行位置补偿，所述FPGA芯片的输出端通讯连接并驱动控制所述电机组件，所述电机组件包括微型电机和升降电机，所述微型电机连接有真空抽吸装置和微型真空吸盘，所述微型电机通过所述真空抽吸装置抽吸所述微型真空吸盘内的空气，使所述微型真空吸盘产生内外压力差形成负压，以增加吸附能力、防止打滑，所述升降电机连接有灭火装置， 所述传感组件包括光电传感器，所述图像采集模块通讯连接所述光电传感器的输出端，当所述光电传感器感应到火源信号后触发开启所述图像采集模块。2.根据权利要求1所述的全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于，所述供电装置为锂电池。3.根据权利要求1所述的全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于，所述传感组件还包括第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器和第六传感器，所述第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器、第六传感器均为超声波传感器。4.根据权利要求3所述的全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于，所述第一传感器与所述第六传感器配合使用感应判断前方的障碍，所述第二传感器与所述第三传感器配合使用感应判断左方的障碍，所述第四传感器与所述第五传感器配合使用感应判断右方的障碍，所述第二传感器与所述第三传感器在不同位置精确测量到房间左侧从有挡墙到无挡墙或者无挡墙到有挡墙的变化，所述第四传感器与所述第五传感器在不同位置精确测量到房间右侧从有挡墙到无挡墙或者无挡墙到有挡墙的变化，并将所述信号传送至所述FPGA芯片进行精确补偿。5.根据权利要求1所述的全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于，所述电机组件还包括前左轮电机、前右轮电机、后左轮电机和后右轮电机，所述前左轮电机、前右轮电机、后左轮电机和后右轮电机分别连接控制所述灭火机器人的前左轮、前右轮、后左轮和后右轮的运动。6.根据权利要求5所述的全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于，所述前左轮电机、前右轮电机、后左轮电机、后右轮电机、微型电机和升降电机均为直流无刷电机。7.根据权利要求5所述的全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于，还包括光电编码器，所述光电编码器分别设置在所述前左轮电机、前右轮电机、后左轮电机、后右轮电机、微型电机和升降电机上。8.根据权利要求1所述的全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于，所述电机组件与所述FPGA芯片之间设置有信号放大装置。9.根据权利要求1所述的全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于，所述FPGA芯片驱动所述电机组件的信号均为PffM波控制信号。10.根据权利要求1所述的全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于，所述FPGA芯片的内部还设置有上位机系统和运动控制系统，所述上位机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，所述运动控制系统包括基于FPGA六轴同步直流无刷和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，其中，所述基于FPGA六轴同步直流无刷和直流混合伺服控制模块包括基于四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。
【专利摘要】本发明公开了一种全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器，包括：供电装置、STM32F407芯片、FPGA芯片、传感组件、图像采集组件、三轴加速度计传感器、陀螺仪、方向传感器和电机组件，所述供电装置电性连接所述STM32F407芯片和所述FPGA芯片，所述STM32F407芯片通讯连接所述FPGA芯片且使能所述FPGA芯片。通过上述方式，本发明全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器通过STM32F407芯片和FPGA芯片形成全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器，且通过真空吸附装置对地面形成一定的吸附能力，彻底解决灭火机器人行走打滑，结构新颖、控制简单、速度提升、节省空间、调速平稳、抗干扰能力强、稳定性高，在全自动四轮双核高速灭火机器人伺服控制器的普及上有着广泛的市场前景。
【IPC分类】G05D1/12, G05B19/042
【公开号】CN105005249
【申请号】CN201510519612
【发明人】张好明, 刘增量
【申请人】铜陵学院
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2015年8月24日