CN105159322A - 基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，包括：机器人本体、车轮、电机、微处理器、真空抽吸装置、超声波传感器、加速度传感器、干冰灭火器、用于采集火源信息的光电采集装置和用于采集机器人周边环境信息的图像采集装置，电机包括微型直流电机、升降直流电机和用于驱动所述车轮的永磁直流无刷电机。本发明基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，采用STM32F407处理器，提高了两轮灭火机器人在寻找火源过程中行走导航的稳定性和机器人的信息处理能力，并且可以更加快速精确的找到并扑灭火源，而且基于微型直流电机的真空抽吸装置可以为灭火机器人提供防滑的功能，提高灭火机器人的稳定性。

Description

基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统

技术领域

本发明涉及多轴机器人领域，特别是涉及一种基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统。

背景技术

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1-2cm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。

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5mm。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。

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：

（1）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。

（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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

（6）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。

（12）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PWM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。

(8)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。

（9）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。

（10）在实际灭火过程中，普通的光源探测传感器会可能收到外界光源的干扰，导致灭火探寻失败，无法完成任务。

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全自动两轮灭火机器人伺服系统。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，具有可靠性能高、定位精确、转位速度快等优点，同时在多轴机器人的应用及普及上有着广泛的市场前景。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：

提供一种基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，其包括：车轮、电机、微处理器、真空抽吸装置、超声波传感器、加速度传感器、干冰灭火器、用于采集火源信息的光电采集装置和用于采集机器人周边环境信息的图像采集装置，

所述电机包括微型直流电机、用于驱动干冰灭火器上下移动的升降直流电机和用于驱动所述车轮的永磁直流无刷电机，

所述车轮包括设置于机器人本体左右两侧的左轮和右轮，所述永磁直流无刷电机包括用于控制左轮的左轮电机和用于控制右轮的右轮电机，

所述超声波传感器设置于所述机器人本体的头部，且所述超声波传感器包括用于配合判断前方障碍的第一传感器和第六传感器、用于配合判断左边障碍的第二传感器和第三传感器、以及用于判断右边障碍的第四传感器和第五传感器，

所述真空抽吸装置设置于所述机器人本体的底部，所述电机和所述加速度传感器设置于所述机器人本体内，所述光电采集装置和所述图像采集装置分别与所述机器人本体相连接，

所述微处理器采用了STM32F407处理器，所述微处理器发送第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号，上述四个信号分别控制微型直流电机、升降直流电机、左轮电机和右轮电机的信号合成并控制灭火机器人的运动，

所述微处理器分别与所述电机、所述超声波传感器、所述加速度传感器、所述干冰灭火器、所述光电采集装置和所述图像采集装置相连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述的第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号均为PWM波控制信号。

在本发明一个较佳实施例中，还包括第一电流传感器、第二电流传感器和电机光电编码器，所述微处理器通过所述电机光电编码器分别与所述第一电流传感器和所述第二电流传感器相连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述微型直流电机与所述真空抽吸装置相连接。

在本发明一个较佳实施例中，还包括电压传感器，所述电压传感器与所述微处理器相连接。

在本发明一个较佳实施例中，还包括电池单元，所述电池单元与所述微处理器相连接。

在本发明一个较佳实施例中，所述电池单元采用了锂电池。

在本发明一个较佳实施例中，所述的处理器的内部还设置有上位机系统和运动控制系统，所述的上位机程序模块包括房间探索模块、房间存储模块、路径读取模块、人机界面模块以及在线输出模块，所述运动控制程序模块包括基于四轴同步混合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。

在本发明一个较佳实施例中，所述四轴同步混合直流混合伺服控制模块包括基于两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。

在本发明一个较佳实施例中，光电采集装置、电压传感器和加速度计传感器的数量均为1个。

本发明的有益效果是：提高了两轮灭火机器人在寻找火源过程中行走导航的稳定性和机器人的信息处理能力，并且可以更加快速精确的找到并扑灭火源，而且基于微型直流电机的真空抽吸装置可以为灭火机器人提供防滑的功能，提高灭火机器人的稳定性。

附图说明

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为灭火机器人房间示意图；

图2为基于单片机控制的两轮灭火机器人的原理图；

图3为基于全自动两轮中低速灭火机器人二维结构图；

图4为基于全自动两轮中低速灭火机器人原理图；

图5为基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制程序框图；

图6为灭火机器人运行方向示意图；

图7为灭火机器人右转示意图；

图8为灭火机器人左转示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8，本发明实施例包括：

一种基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，其包括：机器人本体、车轮、电机、微处理器、真空抽吸装置、超声波传感器、加速度传感器A1、干冰灭火器、用于采集火源信息的光电采集装置和用于采集机器人周边环境信息的图像采集装置.

所述电机包括微型直流电机M、用于驱动干冰灭火器上下移动的升降直流电机E和用于驱动所述车轮的永磁直流无刷电机.

所述车轮包括设置于所述机器人本体左右两侧的左轮Y和右轮X，所述永磁直流无刷电机包括分别用于控制左轮Y和右轮X的左轮电机Y和右轮电机X。

在灭火机器人行走房间期间全程开启加速度计传感器A1，加速度计传感器A1用来测量灭火机器人三个前进方向的加速度。控制器根据测得的加速度计的加速度信号根据积分和二次积分得到其旋转角速度和角度。当灭火机器人的姿态发生变化超过设定阀值时，在一个新的采样周期控制器就立即对其位置补偿，避免灭火机器人远远偏离中心位置而出现撞墙现象的发生，提高了其快速行走导航的稳定性。

为了提高灭火机器人全数字伺服系统的稳定性，防止灭火机器人在高速行走时打滑导致灭火机器人房间信息错误，本发明在灭火机器人伺服硬件系统中加入了微型直流电机M，在灭火机器人运动过程中，电机M通过真空抽吸装置不停抽吸微型真空吸盘内的空气，使微型真空吸盘的内外压力不一样，产生一定的负压，使其对房间地面产生一定的吸附能力，即使房间地板受到了上一组选手的破坏产生了一定变化，灭火机器人也不会受到影响，有效防止了灭火机器人在高速行走时的地面打滑。

为了能够准确的采集火源信，为灭火机器人提供正确的火源信息号并熄灭火源，本发明在普通的光电采集基础上，加入了图像采集系统，如果普通光电传感器采集到了火源信号，控制器开启图像采集系统，然后控制器控制两个电机运动方向相反，原地旋转一个角度，使得图像采集系统能够精确的采集火源信息；火源信息确定后，控制器根据图像采集结果控制另外一台升降直流电机E工作，根据火源高度自动升高或降低干冰灭火器的高度，使干冰喷洒高度刚好对准火源中心。

所述超声波传感器设置于所述机器人本体的头部，且所述超声波传感器包括用于配合判断前方障碍的第一传感器S1和第六传感器S6、用于配合判断左边障碍的第二传感器S2和第三传感器S3、以及用于判断右边障碍的第四传感器S4和第五传感器S5，同时S2、S3、S4、S5合作为灭火机器人直线运动提供导航依据。

由于在比赛现场，太阳光有可能直射进来，这样红外传感器就不能在使用，本发明采用超声波传感器代替了红外传感器。在这种结构设置中，S2和S3可以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，S4和S5可以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，这个位置的传感器信号阶跃变化可以被控制器捕捉到，然后在此位置可以对灭火机器人进行精确补偿，这对于灭火机器人求解房间找到火源并返回到起点计算至关重要，如果没有此智能补偿的话，灭火机器人有可能在复杂房间中的累计误差足以使无法求解此地图，导致无法回到房间起点。

所述真空抽吸装置设置于所述机器人本体的底部，所述电机和所述加速度传感器设置于所述机器人本体内，所述光电采集装置和所述图像采集装置分别与所述机器人本体相连接，

所述微处理器采用了STM32F407处理器，所述微处理器分别与所述电机、所述超声波传感器、所述加速度传感器、所述干冰灭火器、所述光电采集装置和所述图像采集装置相连接。

STM32F4系列除引脚和软件兼容高性能的F2系列外，F4的主频(168MHz)高于F2系列(120MHz)，并支持单周期DSP指令和浮点单元、更大的SRAM容量(192KB，F2为128KB)、512KB-1MB的嵌入式闪存以及影像、网络接口和数据加密等更先进的外设。STM32F4系列基于最新的ARMCortexM4内核，在现有出色的STM32微控制器产品组合中新增了信号处理功能，并提高了运行速度；STM32F405x集成了定时器、3个ADC、2个DAC、串行接口、外存接口、实时时钟、CRC计算单元和模拟真随机数发生器在内的整套先进外设。STM32F407在STM32F405产品基础上增加了多个先进外设。这些性能使得F4系列可以较容易满足控制和信号处理功能混合的数字信号控制需求。高效的信号处理功能与Cortex-M4处理器系列的低能耗、低成本和易于使用的优点的组合，使得其可以为多轴电动机控制提供灵活解决方案。这些特点使得STM32F407特别适合多轴灭火机器人伺服系统的信号处理，即可以实现两轴直流无刷电机和两单轴直流电机的四轴直流无刷和直流伺服混合控制的数字信号实时处理，并响应各种中断，实现数据信号的实时存储。

为了提高运算速度，保证两轮灭火机器人系统的稳定性和可靠性，本发明在基于STM32F407的控制器中引入真空吸附技术，同时引入加速度计传感器进行二次姿态校正。此控制器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伺服系统交给STM32F407处理，充分发挥STM32F407数据处理速度相对较快的特点，从而快速实现灭火机器人人机界面、房间读取、房间存储、坐标定位、I/O控制、火源发现及灭火等功能。

还包括第一电流传感器、第二电流传感器和电机光电编码器，所述微处理器通过所述电机光电编码器分别与所述第一电流传感器和所述第二电流传感器相连接。

还包括电压传感器V1，所述电压传感器与所述微处理器相连接。

一种基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统的控制方法，其主要步骤包括：在电源打开状态下，灭火机器人进入自锁状态；灭火机器人通过第一传感器S1和第六传感器S6判断前方运动环境，同时实际导航环境被转化为环境参数传输给微处理器；微处理器把上述环境参数转化为灭火机器人在指定方向下右轮电机XX和左轮电机YY的运行参数，其中，运行参数包括距离、速度和加速度；微处理器根据第一电流传感器C1、第二电流传感器C2和电机光电编码器的反馈信息生成控制右轮电机XX和左轮电机YY的PWM控制信号；右轮电机XX和左轮电机YY在控制信号的驱动下向前运动，加速度传感器A1和光电编码器实时把测得的信号反馈给微处理器，由微处理器二次校正迷宫机器人的姿态。灭火机器人在运动过程中，控制器根据灭火机器人运动速度自动通过电机M调节真空装置对地面的吸附能力，增加有效摩擦，防止灭火机器人快速行走打滑，并实时储存迷宫信息。当控制器发现火源后，图像采集系统开启。控制器在图像采集帮助下，自动调整灭火器喷嘴与火源的角度，同时升降电机E自动调节灭火器的高度，然后自动开启干冰灭火器电磁阀，通过喷洒干冰灭火，灭火完毕后控制器立即调出灭火机器人已经储存的迷宫信息，通过洪水算法找出返程最短路径，开启加速模式并调整电机M的伺服控制加大地面摩擦系数，灭火机器人迅速沿着最佳路径回到起点，等待一下条寻求火源命令。

具体的功能实现如下：

1）打开电源瞬间，STM32F407会对电池电压进行检测，如果低压的话，STM32F407将封锁直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM波控制信号，电机不能启动，同时电压传感器V1将工作，并发出报警信号。如果系统电压正常，STM32F407首先使能真空抽吸电机M的PWM波输出开启真空抽吸电机M，通过抽吸装置先对微型真空吸盘抽吸，使真空吸盘对地面具有一定的吸附力，控制器并实时检测，如果地面不干净，系统会自动调节电机M加大真空吸盘对地面的吸附力。

2）在灭火机器人未接到探索命令之前，它一般会在起点坐标（0，0）等待控制器发出的探索命令，一旦接到任务后，会沿着起点开始为了寻找火源进行全宫探索。

3）灭火机器人放在起点坐标（0，0），一般情况下，灭火机器人按照图6中北的方向（计算机编程代码为0）放置，接到任务后其前方的传感器S1、S6和会对前方的环境进行判断，确定有没有挡墙进入运动范围，如存在挡墙将向STM32F407发出存储命令，STM32F407会对中断做第一时间响应，然后控制直流无刷电机X正转，直流无刷电机Y反转，灭火机器人在加速度传感器A1的控制下向右旋转90度，灭火机器人首先沿着X轴正向（东的方向，计算机编程代码为2）搜寻火源。

4）在灭火机器人运动过程中，装在直流无刷电机X和直流无刷电机Y上的光电编码器会输出其位置信号A和位置信号B，这些信号被反馈给STM32F407，当光电编码器的位置信号A脉冲和B脉冲逻辑状态每变化一次，STM32F407的位置寄存器会根据直流无刷电机X和直流无刷电机Y的运行方向加1或者是减1；

5）在灭火机器人运动过程中，装在直流无刷电机X和直流无刷电机Y上的光电编码器的位置信号A脉冲和B脉冲和Z脉冲同时为低电平时，就产生一个INDEX信号给STM32F407寄存器，记录电机的绝对位置，然后换算成灭火机器人在房间中的具体位置。

6）为了能够实现灭火机器人准确的坐标计算功能，灭火机器人左右的传感器S2、S3和S4、S5会时刻对运动方向左右的房间挡墙和柱子进行探测，如果S2、S3或者S4、S5发现传感器信号发生了跃变，则说明灭火机器人进入了从有房间挡墙到无房间挡墙（或者是从无房间挡墙到有房间挡墙）状态的变化，STM32F407会根据灭火机器人当前运行状态精确补偿，彻底消除灭火机器人在复杂房间中探寻火源时已经累计的误差。

7）在灭火机器人沿着任何一个方向向前运动，在任何一个方格的中心如果确定没有挡墙进入前方的运动范围，则灭火机器人将存储其坐标（X,Y），并把向前运动一格的位置参数送给STM32F407，由STM32F407根据搜寻控制器速度和加速度要求以及光电编码器的反馈，生成速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的一格距离。STM32F407根据这个梯形图生成驱动两轴直流无刷电机的PWM波，然后STM32F407使能驱动芯片驱动两个独立直流无刷电机X和电机Y向前运动。在沿着当前房间格向前探索过程中，传感器S2、S3和S4、S5会对左右的挡墙进行判断，并记录储存当前搜寻房间挡墙信息，灭火机器人根据前进方向左右挡墙的房间信息进入单墙导航模式或者是双墙导航模式，然后再结合设定的左右挡墙导航阀值，加速度计A1记录灭火机器人实时的加速度信号并送给控制器，控制器分别通过积分和二次积分得到瞬时角速度和角度，记录灭火机器人的瞬时加速度、速度和位置信息，当灭火机器人快速探索脱离了设定中心位置时，微处理器根据离开中心位置的偏差借助加速计传感器A1开始进行实时补偿，微调电机的PWM波输入，通过此方式可以精确调整灭火机器人的姿态，使其重新回到设定中心位置。当灭火机器人在陀螺仪的控制下运动一格距离到达新地址时，微处理器将更新其坐标。

如果在坐标（X,Y）时的方向为北，则更新其坐标为（X,Y+1），新坐标方向依旧为北；如果在坐标（X,Y）时的方向为东，则更新其坐标为（X+1,Y），新坐标方向依旧为东；如果在坐标（X,Y）时的方向为南，则更新其坐标为（X,Y-1），新坐标方向依旧为南；如果在坐标（X,Y）时的方向为西，则更新其坐标为（X-1,Y），新坐标方向依旧为西；

8）在灭火机器人沿着当前方向向前运动过程中如果传感器S1和S6判断前方有挡墙进入运动范围，并且此时传感器S2、S3、S4、S5分别判断左右都有挡墙时，灭火机器人将存储此时坐标（X,Y），根据传感器S1和S6的反馈计算出向前运动停车的位置参数YS1，由STM32F407根据探索控制器速度和加速度要求生成速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是灭火机器人两个直流无刷电机要停车的距离Y1。STM32F407根据这个梯形图再结合光电编码器和电机电流反馈生成驱动两轴直流无刷电机的PWM波，然后STM32F407使能驱动芯片驱动两个独立直流无刷电机X和电机Y向前运动，在向前停车过程中，传感器S2、S3、S4、S5实时对左右的挡墙进行判断，并反馈当前房间挡墙信息，灭火机器人进入双墙导航模式，然后再结合设定的左右挡墙导航阀值，加速度计A1记录灭火机器人实时的加速度信号并送给控制器，控制器分别通过积分和二次积分得到瞬时角速度和角度，记录灭火机器人的瞬时加速度、速度和位置信息，当灭火机器人快速探索脱离了设定中心位置时，微处理器根据离开中心位置的偏差借助加速计传感器A1开始进行实时补偿，微调直流无刷电机的PWM波输入，通过此方式可以精确调整灭火机器人的姿态，使其重新回到设定中心位置。灭火机器人实现在设置停车点停车。STM32F407调整灭火机器人两个电机的PWM波输出，使得两个永磁直流无刷电机运动方向相反，灭火机器人原地在加速计传感器A1的控制下实现精确的原地180度转向，然后灭火机器人沿着原先相反的方向运动。

如果在坐标（X,Y）时的方向为北，则更新其坐标为（X,Y），新坐标方向为南；如果在坐标（X,Y）时的方向为东，则更新其坐标为（X1,Y），新坐标方向为西；如果在坐标（X,Y）时的方向为南，则更新其坐标为（X,Y），新坐标方向为北；如果在坐标（X,Y）时的方向为西，则更新其坐标为（X,Y），新坐标方向为东；

9）在灭火机器人沿着当前方向向前运动过程中如果有挡墙进入前方的运动范围，并且此时左右的传感器S2和S3判断左边有挡墙，而S4、S5判断右方没有挡墙时，灭火机器人将存储此时坐标（X,Y），然后灭火机器人将按照图7的曲线行走；

在右转弯时，STM32F407首先把行走直线很短的距离R90_Leading按照控制器不同搜寻速度和加速度要求生成速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是灭火机器人两个直流无刷电机X和电机Y要运动的距离。STM32F407根据这个梯形图再结合光电编码器和电机电流反馈生成驱动两轴直流无刷电机的PWM波，然后STM32F407使能驱动芯片驱动两个独立直流无刷电机X和电机Y向前运动，在向前运动过程中，传感器S2、S3、S4、S5实时对左右的挡墙进行判断，并反馈当前房间挡墙信息，灭火机器人进入单左墙导航模式，然后再结合设定的左挡墙导航阀值，加速度计A1记录灭火机器人实时的加速度信号并送给控制器，控制器分别通过积分和二次积分得到瞬时角速度和角度，记录灭火机器人的瞬时加速度、速度和位置信息，当灭火机器人快速探索脱离了设定中心位置时，微处理器根据离开中心位置的偏差借助加速计传感器A1开始进行实时补偿，微调直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM波输入，通过此方式可以精确调整灭火机器人的姿态，使其重新回到设定中心位置。

当到达既定目标时，传感器参考值R90_FrontWallRef开始工作，防止外界干扰开始做误差补偿。误差补偿结束后开始调整直流无刷电机X和直流无刷电机Y速度使其完成弧度ARC的运动曲线，STM32F407首先把弧度ARC按照控制器不同搜寻速度和加速度要求生成速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是灭火机器人两个直流无刷电机要运动的距离。然后STM32F407再结合光电编码器以及电流传感器C1、C2的反馈生成驱动直流无刷电机X和直流无刷电机Y运动的PWM波，PWM波通过驱动桥放大后推动灭火机器人完成转弯搜寻。在灭火机器人转弯搜寻过程中，传感器S2、S3、S4、S5无法为系统提供位置参考，系统依靠加速度计A1进行位置修正。在灭火机器人快速搜寻转弯过程中加速度计A1实时记录其瞬时加速度，控制器然后通过积分和二次积分得到其速度和位置信息，并通过与设定位置的速度和角度对比，当灭火机器人快速搜寻脱离了设定位置时，在新的采样周期内，系统按照偏差大小微调直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM波输入，两轴伺服系统开始进行实时补偿来调整灭火机器人的姿态，使其完成弧度ARC；

当到达既定目标后，系统依靠传感器S2、S3开始导航，控制器把直线行走很短的距离R90_Passing按照不同控制器搜寻速度和加速度要求生成速度-时间运动梯形图，这个梯形包含的面积就是灭火机器人两个直流无刷电机要运动的距离。STM32F407根据这个梯形图再结合光电编码器和电机电流反馈生成驱动直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM波，然后STM32F407使能驱动芯片驱动两个独立直流无刷电机X和电机Y向前运动，在向前加速过程中，传感器S2、S3实时对左挡墙进行判断，并反馈当前房间挡墙信息，灭火机器人进入单左墙导航模式，然后再结合设定的左挡墙导航阀值，加速度计A1记录灭火机器人实时的加速度信号并送给控制器，控制器分别通过积分和二次积分得到瞬时角速度和角度，记录灭火机器人的瞬时加速度、速度和位置信息，当灭火机器人快速探索脱离了设定中心位置时，微处理器根据离开中心位置的偏差借助加速计传感器A1开始进行实时补偿，微调直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM波输入，通过此方式可以精确调整灭火机器人的姿态，使其重新回到设定中心位置。当到达既定目标后完成整个右转弯的轨迹曲线运动，然后控制其开始更新其坐标和方向。

如果在坐标（X,Y）时的方向为北，则更新其坐标为（X+1,Y），新坐标方向为东；如果在坐标（X,Y）时的方向为东，则更新其坐标为（X,Y-1），新坐标方向为南；如果在坐标（X,Y）时的方向为南，则更新其坐标为（X-1,Y），新坐标方向为西；如果在坐标（X,Y）时的方向为西，则更新其坐标为（X,Y+1），新坐标方向为北；

10）在灭火机器人沿着当前方向向前运动过程中如果有挡墙进入前方的运动范围，并且此时左右的传感器S2和S3判断左边无挡墙，而S4、S5判断右方有挡墙时，灭火机器人将存储此时坐标（X,Y），然后灭火机器人将按照图8的曲线行走；

在左转弯时，控制器控制电机行走规律与右转类似。当通过三段法到达既定目标后完成整个左转弯的轨迹曲线运动，然后控制器开始更新其坐标和方向。

如果在坐标（X,Y）时的方向为北，则更新其坐标为（X-1,Y），新坐标方向为西；如果在坐标（X,Y）时的方向为东，则更新其坐标为（X,Y+1），新坐标方向为北；如果在坐标（X,Y）时的方向为南，则更新其坐标为（X+1,Y），新坐标方向为东；如果在坐标（X,Y）时的方向为西，则更新其坐标为（X,Y-1），新坐标方向为南；

11）当灭火机器人到达一个新的房间格后，光电传感器S7开始工作，对新坐标下的光源进行判断，如果光电传感器捕捉到信号将通知STM32F407发现目标，STM32F407会开启图像采集系统进行光源分析，经确定火源无误后，图像采集系统再次工作：首先控制器根据图像采集系统确定干冰灭火器喷嘴与蜡烛之间的角度，STM32F407按照旋转角度、角加速度要求，把此角度转化为电机的角度、角速度、角加速度指令值，然后再结合电机电流C1、C2和光电编码器的反馈，自动调整直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM波控制信号，使得直流无刷电机X正转，直流无刷电机Y反转，在加速度计A1控制下灭火机器人开始原地旋转调整喷嘴与蜡烛之间的角度，当到达设定角度后，控制器使得灭火机器人原地自锁；

STM32F407根据图像采集系统确定喷嘴与火源之间的高度差，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，然后再结合电机E的电和光电编码器的反馈，自动调整直流电机E的PWM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A1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；

12）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。

13）在灭火机器人房间搜寻过程中，STM32F407会对高速直流无刷电机X、无刷直流电机Y、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，STM32F407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。

14）当灭火机器人完成整个返程过程回到起始点（0，0），STM32F407将控制灭火机器人中心点停车，并重新调整驱动功率桥的电平，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A1的控制下，原地旋转180度，原地自锁，等待下一个搜寻命令。

本发明基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统的有益效果是：

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~C2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、用无刷直流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，而且无刷直流电机的效率高，功率和转矩密度高，使得系统的效率更高；

3：由STM32F407处理灭火机器人的两只直流无刷电机X和直流无刷电机Y、单轴吸附控制直流电机M、灭火器升级电机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：由于采用直流无刷电机替代了直流电机和步进电机驱动灭火机器人行走，使得调速范围比较宽，调速比较平稳。

5：由于本控制器采用STM32F407处理四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；

6：在灭火机器人实际运动过程中，STM32F407可以根据机器人外围运行情况适时调整内部三闭环伺服控制的PID参数，实现分段P、PD、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；

7、在此灭火机器人系统引入了三轴加速度计A1，通过积分和二次积分可以得到灭火机器人的角速度和角度信息，实现了灭火机器人在房间探索时的瞬时加速度、速度的检测，并利用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；

8：在灭火机器人运行过程中，控制器会对高速直流无刷电机X、无刷直流电机Y、直流电机M、直流电机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；

9：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；

10：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；

11：调节直流无刷电机X和直流无刷电机Y的运动方向相反，通过积分加速度计A1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；

12：通过调整电机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。

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。

Claims (10)

1.一种基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，其特征在于，包括：车轮、电机、微处理器、真空抽吸装置、超声波传感器、加速度传感器、干冰灭火器、用于采集火源信息的光电采集装置和用于采集机器人周边环境信息的图像采集装置，

所述电机包括微型直流电机、用于驱动干冰灭火器上下移动的升降直流电机和用于驱动所述车轮的永磁直流无刷电机，

所述车轮包括设置于机器人本体左右两侧的左轮和右轮，所述永磁直流无刷电机包括用于控制左轮的左轮电机和用于控制右轮的右轮电机，

所述超声波传感器设置于所述机器人本体的头部，且所述超声波传感器包括用于配合判断前方障碍的第一传感器和第六传感器、用于配合判断左边障碍的第二传感器和第三传感器、以及用于判断右边障碍的第四传感器和第五传感器，

所述真空抽吸装置设置于所述机器人本体的底部，所述电机和所述加速度传感器设置于所述机器人本体内，所述光电采集装置和所述图像采集装置分别与所述机器人本体相连接，

所述微处理器采用了STM32F407处理器，所述微处理器发送第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号，上述四个信号分别控制微型直流电机、升降直流电机、左轮电机和右轮电机的信号合成并控制灭火机器人的运动，

所述微处理器分别与所述电机、所述超声波传感器、所述加速度传感器、所述干冰灭火器、所述光电采集装置和所述图像采集装置相连接。

2.根据权利要求1所述的基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，其特征在于，所述的第一控制信号、第二控制信号、第三控制信号和第四控制信号均为PWM波控制信号。

3.根据权利要求1所述的基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，其特征在于，还包括第一电流传感器、第二电流传感器和电机光电编码器，所述微处理器通过所述电机光电编码器分别与所述第一电流传感器和所述第二电流传感器相连接。

4.根据权利要求1所述的基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，其特征在于，所述微型直流电机与所述真空抽吸装置相连接。

5.根据权利要求1所述的基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，其特征在于，还包括电压传感器，所述电压传感器与所述微处理器相连接。

6.根据权利要求1所述的基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，其特征在于，还包括电池单元，所述电池单元与所述微处理器相连接。

7.根据权利要求1所述的基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，其特征在于，所述电池单元采用了锂电池。

8.根据权利要求1所述的基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，其特征在于，所述的处理器的内部还设置有上位机系统和运动控制系统，所述的上位机程序模块包括房间探索模块、房间存储模块、路径读取模块、人机界面模块以及在线输出模块，所述运动控制程序模块包括基于四轴同步混合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。

9.根据权利要求8所述的基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，其特征在于，所述四轴同步混合直流混合伺服控制模块包括基于两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。

10.根据权利要求1所述的基于全自动两轮中低速灭火机器人的伺服控制系统，其特征在于，光电采集装置、电压传感器和加速度计传感器的数量均为1个。