一种四轮双核高速灭火机器人伺服控制器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人控制器领域，特别是涉及一种四轮双核高速灭火机器人伺服控制器。
【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2所示，灭火机器人将在64格房间里寻找火源并熄灭。在图2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到达另外一格房间的运动，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1，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)由于采用两个动力轮驱动，为了满足快速搜寻火源时的加速和减速，使得单个驱动电机的功率较大，不仅占用的空间较大，而且有时候在一些相对需求能量较低的状态下造成“大马拉小车”的现象出现，不利于灭火机器人系统能源的节省。
[0016](10)基于单核控制的灭火机器人，特别是对于多轮的灭火机器人，由于处理器处理的算法较多，运算速度不是很快，不利于高速运转。
[0017](11)在有些条件下，为了增加运算速度，在单核控制器中引入专用运动芯片处理部分伺服控制算法，但是受到专用芯片本身能力的影响，运算速度虽然得到了一定的提高，但是还不是很理想。
[0018]相对于两轮承载结构，四轮结构具有承载能力更强、移动速度快、控制性能优异、工作效率高等优点。为了能够更好的提高灭火机器人对复杂环境的适应能力，可用四轮结构替代原有的两轮结构，因此，需要对现有的基于单核控制器+专用运动芯片的两轮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高速双核四轮灭火机器人伺服系统。
【发明内容】
[0019]本发明主要解决的技术问题是提供一种四轮双核高速灭火机器人伺服控制器，在基于STM32F407的控制器中舍弃了专用精密运动控制专用芯片，而引入FPGA，形成基于STM32F407+FPGA的全新双核控制器，同时引入真空吸附技术和加速度计传感器，进一步提高其行走时的稳定性和精准性，充分考虑电池在这个系统的作用，把控制系统中工作量最大的四轴直流无刷伺服和单轴直流伺服组成的五轴混合伺服控制交给FPGA处理，充分发挥FPGA数据处理速度相对较快的特点，把STM32F407从复杂的五轴伺服控制中解脱出来，实现人机界面、房间读取、房间存储、坐标定位等简单功能，在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。
[0020]为解决上述技术问题，本发明提供一种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、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，所述三轴加速度计传感器、所述陀螺仪和所述方向传感器为所述四轮双核高速灭火机器人伺服控制器实时提供灭火机器人的位置、速度和加速度反馈以便进行位置补偿，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，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。
[0021 ] 在本发明一个较佳实施例中，所所述供电装置为锂电池。
[0022]在本发明一个较佳实施例中，所所述传感组件包括第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器、第五传感器、第六传感器和光电传感器，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。
[0023]在本发明一个较佳实施例中，所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。
[0024]在本发明一个较佳实施例中，所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。
[0025]在本发明一个较佳实施例中，所所述前左轮电机、前右轮电机、后左轮电机、后右轮电机和微型电机均为直流无刷电机，所述前左轮电机和所述前右轮电机的功率大于所述后左轮电机和所述后右轮电机，所述前左轮电机和所述前右轮电机独立工作或者所述前左轮电机、所述前右轮电机、所述后左轮电机和所述后右轮电机共同工作。
[0026]在本发明一个较佳实施例中，所还包括光电编码器，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、后右轮电机和微型电机上。
[0027]在本发明一个较佳实施例中，所所述电机组件与所述FPGA芯片之间设置有信号放大装置。
[0028]在本发明一个较佳实施例中，所所述FPGA芯片驱动所述电机组件的信号均为PffM
波控制信号。
[0029]在本发明一个较佳实施例中，所所述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五轴同步直流无刷和直流混合伺服控制模块、坐标定位模块和I/O控制模块，其中，所述基于FPGA五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和单轴真空吸盘吸附伺服控制模块，所述基于四轴直流无刷电机灭火机器人搜寻伺服控制模块驱动控制所述单轴真空吸盘吸附伺服控制模块。
[0030]本发明的有益效果是:本发明四轮双核高速灭火机器人伺服控制器具有结构新颖、控制简单、速度提升、节省空间、调速平稳、抗干扰能力强、稳定性高等优点，在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。
【附图说明】
[0031]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中:
图1是现有技术基于单片机控制的两轮灭火机器人的原理图；
图2是本发明的四轮双核高速灭火机器人伺服控制器一较佳实施例的房间示意图；
图3是本发明的四轮双核高速灭火机器人一较佳实施例的结构示意图；
图4是本发明的四轮双核高速灭火机器人一较佳实施例的原理图；
图5是本发明的四轮双核高速灭火机器人伺服控制器一较佳实施例的程序图；<