黃睿　汪斌

摘 要： 以室內(nèi)環(huán)境為研究對象，設(shè)計(jì)了一個(gè)自主行走的滅火機(jī)器人。系統(tǒng)以ARM單片機(jī)為核心控制單元，結(jié)合避障傳感器、紅外傳感器和灰度傳感器等實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自主行走并滅火。根據(jù)環(huán)境參數(shù)要求，對機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了合理的選擇和分析，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人穩(wěn)定、快速、精確消滅火源。通過實(shí)例驗(yàn)證，設(shè)計(jì)方案穩(wěn)定可靠，機(jī)器人可在10秒內(nèi)完成尋找火源并滅火。

關(guān)鍵詞： PWM電路； 測障傳感器； 火焰?zhèn)鞲衅鳎?直流電機(jī)

中圖分類號：TP312 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）01-11-03

0 引言

目前很多高等院校和研究院所從事各類機(jī)器人的研究工作，已經(jīng)在機(jī)器人的感覺識別、操作、移動(dòng)技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、智能化技術(shù)等方面取得了可喜的成就。這些成就為滅火機(jī)器人的研制創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件。本文針對滅火機(jī)器人的硬件條件和滅火比賽的具體功能要求，進(jìn)行了智能滅火機(jī)器人精確控制研究，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人快速穩(wěn)定地滅火。

1 研究任務(wù)

本研究是針對家庭環(huán)境下的滅火機(jī)器人，讓機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境內(nèi)自主完成火源的查找并消滅火源，以火源查找與滅火的精確性和快速性為設(shè)計(jì)要求。以蠟燭模擬火源，隨機(jī)分布在場地中，模擬滅火場地如圖1所示。

2 系統(tǒng)工作原理及功能簡介

本系統(tǒng)采用32位ARM內(nèi)核單片機(jī)作為主機(jī)控制模塊。采用紅外避障傳感器來識別墻壁和障礙物，用火焰?zhèn)鞲衅鱽頇z測火源。單片機(jī)對傳感器識別到的信號加以分析和判斷，通過對直流電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)和滅火的任務(wù)。系統(tǒng)工作原理框圖如圖2所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 紅外避障電路

紅外避障傳感器是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，根據(jù)高頻調(diào)制的紅外線在待測距離上往返產(chǎn)生的相位移推算出光束度越時(shí)間Δt，從而根據(jù)DCΔt/2計(jì)算出里待測物體的距離。這里選擇納英特公司的紅外避障傳感器，數(shù)字量輸出，不需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，可直接連接單片機(jī)的IO口。該傳感器具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，額定工作電壓為5V，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場合。

如圖3所示，本紅外避障傳感器引出三條接口線，分別對應(yīng)VCC、GND、OUT。它的輸出狀態(tài)是0、1。即遇到障礙物時(shí)為低電平，沒有遇到障礙物時(shí)為高電平。

3.2 火焰檢測電路

火焰?zhèn)鞲衅魇菣C(jī)器人專門用來搜尋火源的傳感器。為了對火焰實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，我們采用多通道火焰?zhèn)鞲衅鳎褂枚鄠€(gè)火焰?zhèn)鞲衅鲄f(xié)同感知的辦法，來判斷火源相對于機(jī)器人的位置。在安裝時(shí)考慮檢測的角度，將傳感器安放在與火焰同高的水平面上。這些火焰?zhèn)鞲衅鞣植荚跈C(jī)器人的傳感器板的正前，正左，正右?；鹪磦鞲衅髂軌蛱綔y到波長在700納米-1000納米范圍內(nèi)的紅外光，其中紅外光波長在880納米附近時(shí)的靈敏度達(dá)到最大。

在設(shè)計(jì)時(shí)首先設(shè)定一個(gè)閥值，開機(jī)默認(rèn)閥值為100，可通過機(jī)器人單片機(jī)的程序來更改閥值，范圍在20～200。機(jī)器人在行進(jìn)過程中，如果測到的最大值小于閥值，則表示沒有火焰，此時(shí)傳感器采用折半查找的方法來尋找最大值，每次采集6個(gè)通道并找出最大值，保存好最大值以及其通道號，檢測一次大概需要216uS，傳感器上的指示燈呈流水燈狀態(tài)。如果測到的最大值大于閥值，則表示有火焰，此時(shí)傳感器采用追蹤法來尋找最大值，每次只檢測當(dāng)前最大值所在通道以及其左右兩邊的通道，再比較這三個(gè)通道的數(shù)據(jù)，保存好其中最大值以及其所在通道號，將此次最大值的通道號作為下一次檢測時(shí)的最大值通道?；鹧?zhèn)鞲衅髟韴D如圖4所示。

3.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用H型PWM電路。用單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路，使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。電路中，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括四個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。當(dāng)IO2口為低電平，IO1口為高電平，此時(shí)Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止，電動(dòng)機(jī)正常工作。改變IO2口的高電平周期，即改變PWM調(diào)制脈沖占空比，電流可能會從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。直流電機(jī)控制電路圖如圖5所示。

3.4 控制主板設(shè)計(jì)

本滅火機(jī)器人的主機(jī)控制模塊采用32位ARM內(nèi)核的單片機(jī)，該控制器存儲容量大、運(yùn)行速度快、外圍接口豐富、穩(wěn)定可靠，支持C語言編程，方便編程。滿足設(shè)計(jì)所需的AD轉(zhuǎn)換、LCD液晶顯示、電機(jī)控制、按鈕控制等要求。該控制器采用3.3V供電，工作電流在20mA以下，可謂是低功耗節(jié)能的控制器。為了精確定位機(jī)器人的行走方位，在設(shè)計(jì)時(shí)還安裝了指南針傳感器，方便機(jī)器人方位的確定。主機(jī)控制模塊原理圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)

4.1 家用滅火機(jī)器人系統(tǒng)總體流程

此部分是小車運(yùn)行的核心部分，控制小車所有運(yùn)行狀況。系統(tǒng)總體流程是：小車啟動(dòng)后，由入口進(jìn)入場地，能夠避開障礙物前進(jìn)，一旦檢測到有火源，就由單片機(jī)控制啟動(dòng)風(fēng)扇，進(jìn)行滅火。滅火完成后，返回原地。然后繼續(xù)前進(jìn)，重復(fù)剛才的過程，直到小車達(dá)到出口處才表示結(jié)束本次任務(wù)。在此過程中，各個(gè)模塊彼此配合，完成各自的任務(wù)。主程序控制流程圖如圖7所示。

4.2 小車滅火的主程序軟件流程圖

如圖8所示，首先對小車進(jìn)行初始化，接著小車前進(jìn)，前進(jìn)的同時(shí)能夠避開墻壁，通過過道，并能夠檢測到火源，如果檢測到火源的存在，則停止前進(jìn)，調(diào)整車頭方位，啟動(dòng)風(fēng)扇滅火，接著判斷是否將火滅掉，如果火已經(jīng)熄滅，則小車?yán)^續(xù)前進(jìn)尋找下一個(gè)火源，如果沒有熄滅則風(fēng)扇繼續(xù)開啟。主程序流程圖如圖8所示。

4.3 小車避障前進(jìn)程序流程圖

避障前進(jìn)程序首先采集紅外避障傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前小車周圍是否有墻壁或障礙物，然后再執(zhí)行操作，指揮小車在不與墻壁或障礙物相撞的情況行走。避障前進(jìn)程序流程圖如圖9所示。

4.4 火源模塊程序流程圖

如果火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘栵@示火焰在小車的前方，則小車?yán)^續(xù)前進(jìn)一段距離，到合適位置，啟動(dòng)風(fēng)扇滅火；如果檢測到火焰在小車的左側(cè)，則小車左轉(zhuǎn)一定角度，在正對火源方向啟動(dòng)風(fēng)扇滅火；如果檢測到火焰在小車的右側(cè)，則小車右轉(zhuǎn)一定角度，在正對火源方向啟動(dòng)風(fēng)扇滅火；若沒有檢測到火源則繼續(xù)前進(jìn)。火源模塊程序流程圖如圖10所示。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)是基于實(shí)際比賽要求而設(shè)計(jì)的，并參加了比賽，取得了良好的成績。各部分的設(shè)計(jì)以及各傳感器的使用都是經(jīng)過多次比較和多次試驗(yàn)而確定的。機(jī)器人歷時(shí)10s內(nèi)完成滅火任務(wù)。設(shè)計(jì)中采用了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，大大提高了機(jī)器人處理信號的能力，采用了PWM信號控制大功率直流電機(jī)，在速度和精度方面有了很大的改進(jìn)。多通道外火焰?zhèn)鞲衅?，很好地完成了對火源的精確定位任務(wù)，提高了滅火可靠性和快速性。

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