CN105159325A - 一种基于stm32f407和fpga两轮高速灭火机器人伺服控制器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器，双核控制器发出第三控制信号、第二控制信号、第一控制信号分别驱动直流电机M、直流无刷电机Y及直流无刷电机X，直流电机M、直流无刷电机X、直流无刷电机Y通过信号处理器处理后驱动所述灭火机器人。本发明基于全新双核控制器，提高行走时的稳定性和精准性，基于直流电机M的真空吸盘防滑技术有效解决了灭火机器人高速行走打滑问题，充分考虑电池在这个系统的作用，由FPGA处理三轴伺服控制，充分发挥FPGA数据处理速度，而STM32F407实现人机界面、房间读取、房间存储、坐标定位等简单功能。

Description

一种基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器

技术领域

本发明涉及多轴机器人领域，具体涉及一种基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器的两轮灭火机器人自动控制系统。

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。

一台完整的灭火机器人大致分为以下几个部分：

1）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。

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格房间格的运动，然后发现火源，并开启自身携带的干冰控制器，扑灭火源。

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。

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，使得系统运转的机械噪声大大增加，不利于环境保护。

（4）由于采用步进电机，其电机本体一般都是多相结构，控制电路需要采用多个功率管，使得控制电路相对比较复杂，并且增加了控制器价格。

（5）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。

（6）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。

（7）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。

（8）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。

（9）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。

（10）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，以及数据传输的影响，运算速度虽然得到了一定的提高，但是还不是很理想。

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双核高速两轮灭火机器人伺服系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在基于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，双核控制器同时引入真空吸附技术和三轴加速度计传感器，进一步提高其行走时的稳定性和精准性，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三轴伺服系统交给FPGA处理，充分发挥FPGA数据处理速度相对较快的特点，把STM32F407从复杂的三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的基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器。

本发明的技术方案是，一种基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器，包括电池、双核控制器、直流电机M、直流无刷电机X、直流无刷电机Y、信号处理器以及灭火机器人，所述双核控制器发出第三控制信号驱动所述直流电机M，所述双核控制器发出第二控制信号驱动所述直流无刷电机Y，所述双核控制器发出第一控制信号驱动所述直流无刷电机X，所述直流电机M、直流无刷电机X、直流无刷电机Y通过信号处理器处理后驱动所述灭火机器人，所述双核控制器为STM32F407和FPGA，FPGA通过I/O口与STM32F407进入实时通讯，所述第三控制信号、第二控制信号以及第一控制信号均为PWM波控制信号。

在本发明一个较佳实施例中，所述两轮高速灭火机器人伺服控制器上还设置有第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第四超声波传感器、第五超声波传感器、第六超声波超声波传感器、光电传感器、电压传感器、三轴加速度计传感器、三轴陀螺仪、方向传感器、第一电流传感器以及第二电流传感器。

在本发明一个较佳实施例中，所述双核控制器包括上位机程序和运动控制程序，所述上位机程序包括房间探索模块、房间存储模块、路径读取模块、人机界面模块及在线输出模块，所述运动控制程序包括基于FPGA三轴同步直流无刷和直流混合伺服控制模块、坐标定位模块及I/O控制模块，所述基于FPGA三轴同步直流无刷和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和单轴真空吸盘吸附伺服控制模块。

在本发明一个较佳实施例中，所述双核控制器上还连接设置有干冰灭火器电磁阀。

在本发明一个较佳实施例中，所述电池为锂离子电池。

在本发明一个较佳实施例中，所述直流无刷电机X、直流无刷电机Y上还分别设置有光电编码器。

在本发明一个较佳实施例中，所述单轴真空吸盘吸附伺服控制模块中的真空吸盘通过直流电机M驱动。

在本发明一个较佳实施例中，所述真空吸盘与所述地面吸附对应设置从而防止打滑。

本发明所述为一种基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器，具有如下有益效果：

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，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处理三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、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；

8、在此灭火机器人系统引入了三轴加速度计传感器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；

9、在灭火机器人运行过程中，FPGA会对高速直流无刷电机X、直流无刷电机Y和直流电机M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，消除了两轮灭火机器人在高速探寻火源时打滑现象的发生；

11、由FPGA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。

附图说明

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原理图；

图3为基于STM32F407两轮灭火机器人二维结构图；

图4为基于STM32F407+FPGA两轮灭火机器人原理图；

图5为基于STM32F407+FPGA两轮灭火机器人伺服程序框图；

图6为灭火机器人运行方向示意图；

图7为右转示意图；

图8为左转示意图。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

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。

FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：

1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片；

2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片；

3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚；

4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；

5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

上述特点使得用户可以根据自己的设计需要，通过特定的布局布线工具对其内部进行重新组合连接，在最短的时间内设计出自己的专用集成电路，这样就减小成本、缩短开发周期。由于FPGA采用软件化的设计思想实现硬件电路的设计，这样就使得基于FPGA设计的系统具有良好的可复用和修改性。这种全新的设计思想已经逐渐应用在高性能的直流电机和交流电机驱动控制上，并快速发展。

本发明包括电池、双核控制器、直流电机M、直流无刷电机X、直流无刷电机Y、信号处理器以及灭火机器人，所述双核控制器发出第三控制信号驱动所述直流电机M，所述双核控制器发出第二控制信号驱动所述直流无刷电机Y，所述双核控制器发出第一控制信号驱动所述直流无刷电机X，所述直流电机M、直流无刷电机X、直流无刷电机Y通过信号处理器处理后驱动所述灭火机器人，所述双核控制器为STM32F407和FPGA，FPGA通过I/O口与STM32F407进入实时通讯，所述第三控制信号、第二控制信号以及第一控制信号均为PWM波控制信号。

所述两轮高速灭火机器人伺服控制器上还设置有第一超声波传感器S1、第二超声波传感器S2、第三超声波传感器S3、第四超声波传感器S4、第五超声波传感器S5、第六超声波超声波传感器S6、光电传感器S7、电压传感器V1、三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1、方向传感器D1、第一电流传感器C1以及第二电流传感器C2。

所述双核控制器包括上位机程序和运动控制程序，所述上位机程序包括房间探索模块、房间存储模块、路径读取模块、人机界面模块及在线输出模块，所述运动控制程序包括基于FPGA三轴同步直流无刷和直流混合伺服控制模块、坐标定位模块及I/O控制模块，所述基于FPGA三轴同步直流无刷和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和单轴真空吸盘吸附伺服控制模块。

所述双核控制器上还连接设置有干冰灭火器电磁阀。

所述电池为锂离子电池。

所述直流无刷电机X、直流无刷电机Y上还分别设置有光电编码器。

所述单轴真空吸盘吸附伺服控制模块中的真空吸盘通过直流电机M驱动。

为了能够精确探寻房间并寻找到火源，本发明采用六组传感器探测房间模式，所发明的灭火机器人二维结构如图3所示：S1、S6共同作用判断前方挡墙，S2和S3共同合作判断其左边挡墙的存在，S4和S5共同合作判断其右边挡墙的存在，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其无法求解迷宫，导致无法回到房间起点。

为了提高两轮灭火机器人在寻找火源过程中行走导航的稳定性，本发明在灭火机器人伺服硬件系统中加入了三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1。在灭火机器人行走房间期间全程开启三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1，三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1分别用来测量灭火机器人三个前进方向的加速度、速度和角度。控制器实时记录并储存测得的加速度、速度和角度信号。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，直流电机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。

本发明为克服单片机不能满足两轴灭火机器人行走的稳定性，进一步提高灭火机器人行走的速度，舍弃了国产灭火机器人所采用的单一单片机工作模式，在吸收国外先进控制思想的前提下，自主发明了基于STM32F407+FPGA的两轮双核全新控制模式。控制板以FPGA为处理核心，实现两轴直流无刷电机和单轴直流电机的三轴伺服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。双核控制器把STM32F407从复杂的工作当中解脱出来，实现房间信息读取、房间存储、I/O控制等简单部分的信号处理，并响应FPGA中断，实现二者之间的数据通信和存储实时信号。

本次设计的控制器原理图如图4，其控制框图如图5。

参照图5，具体实施步骤是：

对于本文设计的STM32F407+FPGA控制器，在电源打开状态下，灭火机器人先进入自锁状态。控制器首先开启真空抽吸直流电机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能力。灭火机器人通过S1、S6判断前方运动环境，实际导航环境被转化为控制参数传输给FPGA，FPGA把这些环境参数转化为灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的位置、速度和加速度指令值，FPGA再结合C1、C2和电机光电编码器的反馈生成控制直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM控制信号，控制信号经驱动桥放大后驱动直流无刷电机X、直流无刷电机Y向前运动，三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1、方向传感器D1和光电编码器实时把测得的信号反馈给FPGA，由FPGA二次校正灭火机器人的姿态。灭火机器人在运动过程中，FPGA根据灭火机器人运动速度自动通过直流电机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，STM32F407实时储存房间信息。当控制器发现火源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STM32F407立即调出灭火机器人已经储存的房间信息，通过洪水算法找出返程最短路径，并开启加速模式迅速回到起点等待一下条寻求火源命令。

参照图4、图5，图6、图7、图8，其具体的功能实现如下：

1）为了能够驱动两轮灭火机器人运动并解决高速探寻房间打滑问题，本控制系统引入了FPGA，由其产生三路控制直流无刷电机和直流电机的PWM波控制信号，FPGA通过I/O口与STM32F407进入实时通讯，由STM32F407控制其开通和关断。

2）打开电源瞬间，STM32F407会对电池电压进行检测，如果低压的话，FPGA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，FPGA将开启真空抽吸直流电机M的PWM波控制信号，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能力，满足灭火机器人探寻火源的速度要求。

3）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而进行全宫探索。

4）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，然后通过调整FPGA的输出控制直流无刷电机X正转，直流无刷电机Y反转，灭火机器人在三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1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。

5）在灭火机器人运动过程中，装在直流无刷电机X、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，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，FPGA的位置寄存器会根据直流无刷电机X、直流无刷电机Y的运行方向加1或者是减1；

6）在灭火机器人运动过程中，装在直流无刷电机X、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FPGA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。

7）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。

8）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FPGA，FPGA把向前一格参数转化为灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的位置、速度和加速度指令值，然后再结合C1、C2和电机光电编码器的反馈生成控制直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM控制信号，控制信号经驱动桥放大后驱动直流无刷电机X、直流无刷电机Y向前运动。在灭火机器人沿着当前房间格向前探索过程中，S2、S3和S4、S5会对左右的挡墙进行判断，STM32F407实时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，三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1实时记录灭火机器人的加速度、速度和位置信号并送给FPGA，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由FPGA转化为灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的新的位置、速度和加速度指令值，然后再结合C1、C2、电机光电编码器、三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1的反馈，微调直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM控制信号，控制信号经驱动桥放大后驱动直流无刷电机X和直流无刷电机Y向前运动。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。当灭火机器人在三轴加速度计传感器A1的控制下精确运动一格到达新地址时，微处理器将更新其坐标。

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

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控制器发现目标，控制器会让光电传感器禁止工作2秒工作，2秒后重新开启光电传感器，如果再次捕捉到光电信号，控制器会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，然后STM32F407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；

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；

9）在灭火机器人沿着当前方向向前运动过程中如果S1和S6判断前方有挡墙进入运动范围，并且此时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S1和S6的反馈计算出向前运动停车的位置参数YS1，由FPGA根据探索控制器速度和加速度把向前停车距离参数转化为灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的位置、速度和加速度指令值，然后FPGA再结合C1、C2和电机光电编码器的反馈生成控制直流无刷电机X、直流无刷电机Y的PWM控制信号，控制信号经驱动桥放大后驱动直流无刷电机X、直流无刷电机Y向前运动。在灭火机器人沿着当前房间格向前探索过程中，S2、S3和S4、S5对左右挡墙进行判断，STM32F407实时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双墙导航模式，然后再结合设定的左右挡墙导航阀值，三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1实时记录灭火机器人的加速度、速度和位置信号并送给FPGA，当灭火机器人快速停车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由FPGA转化为灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的新的位置、速度和加速度指令值，然后FPGA再结合C1、C2、电机光电编码器、三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1的反馈，微调直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM控制信号，控制信号经驱动桥放大后驱动直流无刷电机X、直流无刷电机Y向前运动。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通过FPGA重新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，灭火机器人原地在三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1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；

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。为了充分发挥FPGA的快速处理数据能力，舍弃了基于LM629和MC58113的三段法转入法，为了使转弯更逼近于实际情况，本发明采用五段法完成转弯：转入前直线校正R90_Leading，转入弧度校正ARC11，转入弧度ARC12，转出弧度校正ARC13，转出直线校正R90_Passing。

在右转弯时，FPGA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灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的位置、速度和加速度指令值，然后FPGA再结合C1、C2和电机光电编码器的反馈生成控制直流无刷电机X、直流无刷电机Y的PWM控制信号，控制信号经驱动桥放大后驱动直流无刷电机X和直流无刷电机Y向前运动。在灭火机器人沿着当前房间格向前探索过程中，S2、S3会对左挡墙进行判断，STM32F407实时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挡墙的房间信息进入单左墙导航模式，然后再结合设定的左挡墙导航阀值，三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1实时记录灭火机器人的加速度、速度和位置信号并送给FPGA，当灭火机器人快速探索脱离了设定中心位置时，FPGA根据离开中心位置的偏差转化为灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的新的位置、速度和加速度指令值，FPGA通讯再结合C1、C2、电机光电编码器、三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1的反馈，微调直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM控制信号，控制信号经驱动桥放大后驱动直流无刷电机X和直流无刷电机Y向前运动。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。FPGA首先把弧度ARC11按照控制器不同搜寻速度和加速度要求转化为灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的位置、速度和加速度指令值，然后FPGA再结合C1、C2和电机光电编码器的反馈生成控制直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM控制信号，PWM波控制信号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，S2、S3、S4、S5无法为系统提供位置参考，系统依靠方向传感器D1进行位置修正。在灭火机器人快速搜寻转弯过程中方向传感器实时记录其位置信息，并通过与设定位置角度对比，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，FPGA把偏差大小转化为灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的新的位置、速度和加速度指令值，然后FPGA再结合C1、C2、电机光电编码器、三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1的反馈，微调直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM控制信号，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ARC11；

当完成ARC11转入前校正后，FPGA把弧度ARC12按照控制器不同搜寻速度和加速度要求转化为灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的位置、速度和加速度指令值，FPGA再结合C1、C2和电机光电编码器的反馈生成控制直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM控制信号，PWM波控制信号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，系统依靠方向传感器D1进行位置修正。在灭火机器人快速搜寻转弯过程中方向传感器D1实时记录其瞬时位置信息，并通过与设定位置的角度对比，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，FPGA把偏差大小转化为灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的新的位置、速度和加速度指令值，FPGA再结合C1、C2、电机光电编码器、三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1的反馈，微调直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM控制信号，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ARC12；

当完成弧度ARC12转弯后，灭火机器人为弧度转出做准备。FPGA把弧度ARC13按照控制器不同搜寻速度和加速度要求转化为灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的位置、速度和加速度指令值，FPGA再结合C1、C2和电机光电编码器的反馈生成控制直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM控制信号，PWM波控制信号通过驱动桥放大后推动灭火机器人完成转弯搜寻。在灭火机器人转弯转出过程中，系统依靠方向传感器D1进行位置修正。在灭火机器人快速转弯转出过程中方向传感器D1实时记录其瞬时位置信息，并通过与设定位置的角度对比，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，FPGA把偏差大小转化为灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的新的位置、速度和加速度指令值，FPGA再结合C1、C2、电机光电编码器、三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1的反馈，微调直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM控制信号，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ARC13；

当到达既定目标后，系统依靠S2、S3开始导航，FPGA把直线行走很短的距离R90_Passing按照控制器不同搜寻速度和加速度要求生成灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的位置、速度和加速度指令值，FPGA再结合C1、C2和电机光电编码器的反馈生成控制直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM控制信号，控制信号经驱动桥放大后驱动直流无刷电机X和直流无刷电机Y向前运动。在灭火机器人沿着当前房间格向前探索过程中，S2、S3会对左挡墙进行判断，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挡墙的房间信息进入单左墙导航模式，然后再结合设定的左挡墙导航阀值，三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1实时记录灭火机器人的加速度、速度和位置信号并送给FPGA，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由FPGA转化为灭火机器人直流无刷电机X和直流无刷电机Y要运行的新的位置、速度和加速度指令值，FPGA再结合C1、C2、电机光电编码器、三轴加速度计传感器A1、三轴陀螺仪G1和方向传感器D1的反馈，微调直流无刷电机X和直流无刷电机Y的PWM控制信号，控制信号经驱动桥放大后驱动直流无刷电机X和直流无刷电机Y向前运动。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；

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控制器发现目标，控制器会让光电传感器禁止工作2秒工作，2秒后重新开启光电传感器S7，如果再次捕捉到光电信号，控制器会开启携带的干冰容器的电磁阀，开始对蜡烛进行喷洒干冰直至光源消失；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；

11）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。为了充分发挥FPGA的快速处理数据能力，舍弃了基于LM629的三段法转入法，为了使转弯更逼近于实际情况，本发明采用五段法完成转弯：转入前直线校正L90_Leading，转入弧度校正ARC21，转入弧度ARC22，转出弧度校正ARC23，转出直线校正L90_Passing。

在左转弯时，控制器控制电机行走规律与右转类似。当通过五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；

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控制器发现目标，控制器会让光电传感器禁止工作2秒工作，2秒后重新开启光电传感器S7，如果再次捕捉到光电信号，控制器会开启携带的干冰容器的电磁阀，开始对蜡烛进行喷洒干冰直至光源消失；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）在灭火机器人行走过程中，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直流电机M加大真空吸盘对地面的吸附能力。

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

15）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使得灭火机器人中心点停车，并重新调整FPGA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，灭火机器人在三轴加速度计传感器A1的控制下，原地旋转180度，原地自锁，等待下一个搜寻命令。

本发明所述为一种基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器，具有如下有益效果：

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，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处理三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、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；

8、在此灭火机器人系统引入了三轴加速度计传感器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；

9、在灭火机器人运行过程中，FPGA会对高速直流无刷电机X、直流无刷电机Y和直流电机M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，消除了两轮灭火机器人在高速探寻火源时打滑现象的发生；

11、由FPGA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。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于：包括电池、双核控制器、直流电机M、直流无刷电机X、直流无刷电机Y、信号处理器以及灭火机器人，所述双核控制器发出第三控制信号驱动所述直流电机M，所述双核控制器发出第二控制信号驱动所述直流无刷电机Y，所述双核控制器发出第一控制信号驱动所述直流无刷电机X，所述直流电机M、直流无刷电机X、直流无刷电机Y通过信号处理器处理后驱动所述灭火机器人，所述双核控制器为STM32F407和FPGA，FPGA通过I/O口与STM32F407进入实时通讯，所述第三控制信号、第二控制信号以及第一控制信号均为PWM波控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于：所述两轮高速灭火机器人伺服控制器上还设置有第一超声波传感器、第二超声波传感器、第三超声波传感器、第四超声波传感器、第五超声波传感器、第六超声波超声波传感器、光电传感器、电压传感器、三轴加速度计传感器、三轴陀螺仪、方向传感器、第一电流传感器以及第二电流传感器。

3.根据权利要求1所述的基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于：所述双核控制器包括上位机程序和运动控制程序，所述上位机程序包括房间探索模块、房间存储模块、路径读取模块、人机界面模块及在线输出模块，所述运动控制程序包括基于FPGA三轴同步直流无刷和直流混合伺服控制模块、坐标定位模块及I/O控制模块，所述基于FPGA三轴同步直流无刷和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和单轴真空吸盘吸附伺服控制模块。

4.根据权利要求1所述的基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于：所述双核控制器上还连接设置有干冰灭火器电磁阀。

5.根据权利要求1所述的基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于：所述电池为锂离子电池。

6.根据权利要求1所述的基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于：所述直流无刷电机X、直流无刷电机Y上还分别设置有光电编码器。

7.根据权利要求3所述的基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于：所述单轴真空吸盘吸附伺服控制模块中的真空吸盘通过直流电机M驱动。

8.根据权利要求7所述的基于STM32F407和FPGA两轮高速灭火机器人伺服控制器，其特征在于：所述真空吸盘与所述地面吸附对应设置从而防止打滑。