一种单轮全自动中低速灭火机器人伺服控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种灭火机器人伺服控制系统，特别是涉及一种单轮全自动中低速灭火机器人伺服控制系统。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]—台完整的灭火机器人大致分为以下几个部分:
O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。
[0005]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个房间格的运动，然后发现火源，并开启自身携带的干冰控制器，扑灭火源。
[0006]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。
[0007]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:
(I)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。
[0008](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。
[0009](3)由于采用步进电机，使得系统运转的机械噪声大大增加，不利于环境保护。
[0010](4 )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。
[0011](5)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。
[0012](6)相对采用的都是一些体积比较大的插件元器件，使得灭火机器人控制系统占用较大的空间，重量相对都比较重。
[0013](7)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。
[0014](8)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PffM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。
[0015](9)对于通过两个电机差速行驶调节其在二维平面上位置的灭火机器人来说，理想状态下这种机器人都是由两个驱动电机配合一个万向轮来形成一个运动平面，但是当遇到运动路面不平整时经常碰到两个万向轮配合一个驱动轮运转的现象发生，这时就会发生小车失控现象，更为可怕的是，对于带重载的灭火机器人，这种失控有时候会严重破坏周围的物品。
[0016](10)在实际机器人灭火过程中，灭火机器人可能进入一条狭长的巷子，由于受场地的影响，基于两轮差速原地旋转的方式可能行不通，这个时候机器人就要模仿现实生活进行倒车退出，但是这个时候又没有传感器对其进行位置校正，容易发生危险。
[0017](11)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。
[0018](12)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。
[0019](13)在实际灭火过程中，普通的光源探测传感器会可能受到外界光源的干扰，导致灭火探寻失败，无法完成任务。
[0020]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使用的灭火机器人就成为了必要。
【发明内容】
[0021]本发明主要解决的技术问题是:如何提供一种图像采集可以有效捕捉火源，减少外界干扰对机器人的误操作，调节直流无刷电机和直流电机的运动可以使机器人反向运动，真空抽吸电机具有良好的防滑效果，三轴加速度计传感器能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，有效熄灭火源，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的单轮全自动中低速灭火机器人伺服控制系统。
[0022]为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种单轮全自动中低速灭火机器人伺服控制系统，包括:若干判断环境并发送环境信号的超声波传感器、微控制器STM32F407、第一电流传感器、第二电流传感器、直流无刷电机、直流电机、电机光电编码器、三轴加速度计传感器。微控制器STM32F407与超声波传感器、电机光电编码器、直流无刷电机和直流电机之间通信连接，所述直流无刷电机、直流电机产生PWM波控制信号。所述微控制器STM32F407与三轴加速度计传感器、电机光电编码器之间通信连接，三轴加速度计传感器、电机光电编码器之间通信连接，且实时信号传输至控微控制器STM32F407。
[0023]所述单轮全自动高速灭火机器人伺服控制系统中还包括用于调节对地面的吸附能力的真空抽吸电机、升降电机和校正电机，所述微控制器STM32F407分别与真空抽吸电机、升降电机、校正电机之间控制连接。
[0024]所述单轮全自动高速灭火机器人伺服控制系统还包括图像采集装置、灭火器、灭火器喷嘴，所述校正电机与图像采集装置、灭火器喷嘴之间控制连接，所述升降电机与灭火器之间控制连接。
[0025]所述微控制器STM32F407中包含有电压检测装置，所述电压检测装置能封锁PWM波控制信号，并发出报警信号。
[0026]在本发明一个较佳实施例中，所述电机光电编码器位于直流无刷电机、直流电机、真空抽吸电机、升降电机、校正电机上，且电机光电编码器产生位置信号第一脉冲、第二脉冲和第三脉冲，所述第一脉冲、第二脉冲和第三脉冲与微控制器STM32F407之间通信连接，所述第一脉冲、第二脉冲和第三脉冲会产生变化，且第一脉冲、第二脉冲和第三脉冲每变化一次，所述微控制器STM32F407控制直流无刷电机、直流电机、真空抽吸电机、升降电机、校正电机发生变化。
[0027]在本发明一个较佳实施例中，所述第一脉冲、第二脉冲和第三脉冲为低电平，电机光电编码器产生脉冲控制信号，并将脉冲控制信号传输至微控制器STM32F407，所述微控制器STM32F407记录直流无刷电机、直流电机、真空抽吸电机、升降电机、校正电机的绝对位置。
[0028]在本发明一个较佳实施例中，所述单轮全自动高速灭火机器人伺服控制系统还包括上位机模块和运动控制模块，所述上位机模块中包含有房间探索单元、房间存储单元、路径读取单元、人机界面单元和在线输出单元，所述房间探索单元、房间存储单元、路径读取单元、人机界面单元、在线输出单元均与上位机模块分别控制连接。
[0029]所述运动控制模块包含坐标定位单元、I/O控制单元、五轴同步混合伺服系统和图像采集单元。
[0030]在本发明一个较佳实施例中，所述五轴同步混合伺服系统包括直流无刷电机、直流电机两轴混合伺服模块、单轴真空吸盘吸附伺服模块和火源对准校正两轴直流伺服模块。
[0031]所述直流无刷电机、直流电机两轴混合伺服模块与单轴真空吸盘吸附伺服模块之间相连接，且将信号传输至单轴