周兆匡 湖南省岳陽市第一中學(xué) 414000任勝兵 中南大學(xué)軟件學(xué)院 410075

基于門口檢測(cè)策略的滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)

周兆匡 湖南省岳陽市第一中學(xué) 414000任勝兵 中南大學(xué)軟件學(xué)院 410075

依據(jù)機(jī)器人滅火比賽規(guī)則，本文設(shè)計(jì)基于門口檢測(cè)策略的滅火機(jī)器人，在已有機(jī)器人的基礎(chǔ)上對(duì)各種傳感器進(jìn)行科學(xué)布局，實(shí)現(xiàn)火源門口檢測(cè)功能。主要實(shí)現(xiàn)了避障、尋火、滅火和回家四個(gè)模塊。實(shí)驗(yàn)表明本文的滅火策略的滅火時(shí)間大大縮短。

引言

隨著信息科技的迅速發(fā)展，使得人們生活工作發(fā)生天翻地覆的變化。為了拉近中小學(xué)生與現(xiàn)代信息科技技術(shù)的距離，國(guó)家頒布了普通中小學(xué)校信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)。在從事現(xiàn)代信息科技技術(shù)教育的過程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人教育涉及了信息技術(shù)幾乎所有的內(nèi)容，不僅讓學(xué)生接觸到最新的信息技術(shù)，而且讓學(xué)生充分發(fā)揮想象力來開發(fā)新的智能機(jī)器人，從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)信息技術(shù)的開發(fā)及創(chuàng)新能力。為了推動(dòng)中小學(xué)機(jī)器人教育的發(fā)展，國(guó)內(nèi)推出了大量不同類型的機(jī)器人比賽。機(jī)器人滅火是中小學(xué)機(jī)器人比賽中最引人注目的項(xiàng)目之一，不僅可以提高中小學(xué)生的機(jī)器人組裝能力，還可以提高中小學(xué)生的編程能力及創(chuàng)新能力。

由于中小學(xué)生的設(shè)計(jì)能力有限，目前主要采用國(guó)內(nèi)機(jī)器人廠商開發(fā)的機(jī)器人參加機(jī)器人滅火比賽。在比賽中取得了一些成績(jī)，但是成績(jī)的好壞取決于廠商開發(fā)的機(jī)器人的水平。為了在機(jī)器人滅火比賽中獲取更好的成績(jī)，本文在現(xiàn)有的機(jī)器人基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，采用門口探測(cè)的滅火策略，大大提高了機(jī)器人滅火的效率。

1 機(jī)器人滅火比賽規(guī)則

目前國(guó)內(nèi)中小學(xué)生機(jī)器人滅火比賽規(guī)則完全采用國(guó)際比賽規(guī)則，模仿現(xiàn)實(shí)生活中的消防隊(duì)員滅火的情景，讓機(jī)器人在有4間平面結(jié)構(gòu)的模型房子中，自主尋找任意放置的蠟燭，并將其熄滅[1]。 機(jī)器人滅火比賽場(chǎng)地平面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中的比賽場(chǎng)地的墻壁高33cm，厚2cm，由木板做成的且為白色。比賽場(chǎng)地的地板均被刷為黑色的光滑的木質(zhì)表面。機(jī)器人將從一個(gè)標(biāo)有“H”的起始位置的圓圈開始，而且必須在圓圈中啟動(dòng)。場(chǎng)地中所有的走廊和每個(gè)房間的門口都是46cm寬，門檻上沒有門。而且房間的入口用2. 5cm寬的白線表示。機(jī)器人的整體外形尺寸在出發(fā)前和任務(wù)完成后都應(yīng)該在標(biāo)有“H”的正方形區(qū)域。有效的滅火范圍也是用白色的圓圈表示。

按照國(guó)際機(jī)器人滅火比賽的標(biāo)準(zhǔn)，得分越低，成績(jī)?cè)胶?。目前?種運(yùn)行模式可供選擇。不同模式的得分系數(shù)也各不相同，標(biāo)準(zhǔn)模式得分系數(shù)為1.0；聲音啟動(dòng)模式的得分系數(shù)是0.95；回家模式的得分系數(shù)為0.80；家具模式的得分系數(shù)為0.75；滅火模式，使用風(fēng)扇吹風(fēng)滅火的得分系數(shù)為1.0，不使用吹風(fēng)滅火的方式將火滅掉系數(shù)為0.85；搜索房間數(shù)目越多，系數(shù)越少，得分越低。最終的實(shí)際得分=實(shí)際時(shí)間×啟動(dòng)模式系數(shù)×房間系數(shù)×搜救系數(shù)×回家系數(shù)。

2 基于門口探測(cè)策略的滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)

為了滿足機(jī)器人滅火比賽的功能要求，本文采用了門口探測(cè)策略來設(shè)計(jì)滅火機(jī)器人，即如果房間無火則不進(jìn)房間搜索的方法。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)原理，將滅火機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)劃分為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。硬件設(shè)計(jì)部分主要完成機(jī)器人探測(cè)火焰、防碰撞任務(wù)所需的傳感器配置工作。軟件設(shè)計(jì)部分完成機(jī)器人滅火探測(cè)策略。

2.1 滅火機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的滅火機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)由微控制器、傳感器模塊、電源模塊、系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模塊、滅火裝置及聲控模塊等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 滅火機(jī)器人硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2描述了滅火機(jī)器人硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為了盡可能地節(jié)約開發(fā)成本，以學(xué)校目前已有的某滅火器機(jī)器人控制器、驅(qū)動(dòng)模塊、滅火裝置為基礎(chǔ)，添加合理的傳感器組合及聲控模塊來完成機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)。

傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境信息，描述機(jī)器人與環(huán)境的相互關(guān)系[2]。根據(jù)比賽規(guī)則，機(jī)器人主要使用紅外傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、灰度傳感器、溫度傳感器及相?yīng)的信號(hào)處理電路。聲控模塊主要是啟動(dòng)機(jī)器人，微控制器模塊將從傳感器獲取的信息進(jìn)行分析，來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)模塊，以避免碰撞或前進(jìn)等。當(dāng)探測(cè)到火焰后，控制器啟動(dòng)滅火設(shè)備滅火，然后回到起始位置。

紅外傳感器主要是用來檢測(cè)障礙物，避免碰到墻壁以及尋找房間的門，也稱距離傳感器(PSD傳感器)。紅外傳感器可以檢測(cè)的范圍為10cm～80cm。通過發(fā)射紅外線和接受發(fā)射回來的紅外線來確定離障礙物的距離。

火焰?zhèn)鞲衅饔脕硖綔y(cè)和追蹤火源，在滅火比賽中主要用于尋找火源。當(dāng)測(cè)不到火焰時(shí)，輸出電壓約等于0，當(dāng)傳感器測(cè)到火焰時(shí)，輸出電壓為0.5～2.5V。通過控制器信息處理來實(shí)現(xiàn)火焰檢測(cè)。對(duì)可見光和紅外光的有效探測(cè)距離可達(dá)2m，探測(cè)角度為60度，線性度精確。因此越靠近熱源，讀數(shù)越小[3]。

灰度傳感器屬于光敏傳感器，根據(jù)不同顏色的地面對(duì)光的反射程度的不同，通過比較電壓來檢測(cè)場(chǎng)地內(nèi)的路標(biāo)，以便準(zhǔn)確找到房間門入口、火焰范圍及終點(diǎn)處。

非接觸式紅外溫度傳感器用來尋找火源。通過周圍環(huán)境與火焰溫度的對(duì)比來判斷火源位置。由于其反應(yīng)速度快，價(jià)格低，因此采用火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鲗?duì)火源進(jìn)行定位。為了便于實(shí)施門口檢測(cè)策略，滅火機(jī)器人傳感器分布如圖3所示。

圖3 滅火機(jī)器人傳感器分布圖

在圖3中，左紅外傳感器接數(shù)字14口，左45度角紅外傳感器接數(shù)字8口，右紅外傳感器接數(shù)字15口，左右45度角紅外傳感器接數(shù)字10口，前紅外傳感器接數(shù)字9口，聲控傳感器接模擬3口，左、右火焰?zhèn)鞲衅鞣謩e接模擬4、5口，前、后灰度傳感器分別接模擬6、7口，前、后溫度傳感器接模擬1、2口。

2.2 基于門口檢測(cè)策略的滅火機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人的硬件配置決定了滅火機(jī)器人的最大的潛力，需要設(shè)計(jì)優(yōu)秀的策略來充分開發(fā)這些潛能。為了在滅火比賽中節(jié)省時(shí)間，減少碰撞次數(shù)，提高比賽成績(jī)，本文采用了門口檢測(cè)策略。滅火比賽項(xiàng)目由避障、找火、滅火和回家四部分組成。該策略利用距離紅外傳感器，實(shí)現(xiàn)無碰撞行走；在找火階段中，機(jī)器人通過灰度傳感器檢測(cè)每個(gè)房間入口的白線，然后利用火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅骺焖賹ふ一鹪矗绻业交鹪?，則啟動(dòng)滅火模塊，如果沒有找到火源則查找其他房間即無火不進(jìn)房間；如果進(jìn)入滅火階段，則需快速精確定位火源，完成對(duì)火操作，滅火動(dòng)作，最后返回到出發(fā)位置。其總體算法如圖4所示。

圖4 總體算法流程圖

2.2.1 機(jī)器人避撞階級(jí)分析

滅火機(jī)器人主要通過獲取多個(gè)距離紅外傳感器信號(hào)，判斷周圍障礙物的情況，從而控制機(jī)器人無碰撞行走。門口檢測(cè)策略綜合應(yīng)用了左手、右手法則以及固定線路法來規(guī)避障礙物。以沿左墻走為例說明無碰撞行走算法。沿左墻行進(jìn)示意圖如圖5所示。

圖5 沿左墻行進(jìn)示意圖

圖5對(duì)應(yīng)的沿左墻行走規(guī)則如表1所示，其中PSD1為左45度角紅外傳感器，PSD2為左紅外傳感器。

表1 沿左墻行進(jìn)規(guī)則

從表1可見，通過設(shè)置多個(gè)條件判斷，可以準(zhǔn)確決定出機(jī)器人下一步運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)精確控制機(jī)器人行走，以避免與障礙物發(fā)生碰撞。右手行走法則情況與左手行走法則類似。

2.2.2 機(jī)器人尋找火源階段分析

由于本文采用門口檢測(cè)策略，需要在每個(gè)房間的門口探測(cè)是否存在火源，所以就必須確定房間的入口，也就是檢測(cè)代表房間門口的白線。另外需要綜合使用火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鱽硖綔y(cè)火源的存在。本文使用前、后兩個(gè)灰度傳感器來檢測(cè)白線。通過大量的實(shí)驗(yàn)得知白線的灰度值為85，地面灰度的長(zhǎng)度為125。房間門口白線檢測(cè)的條件判斷語句如下:

即如果機(jī)器人前、后兩個(gè)灰度傳感器檢測(cè)的灰度結(jié)果不同時(shí)，則說明機(jī)器人到了房間的門口處。

在到達(dá)房間門口處后，需要使用左、右火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鱽頇z測(cè)火源。首先需要確定機(jī)器人感應(yīng)火源的火光的臨界值，機(jī)器人滅火位置的臨界值。通過大量的實(shí)驗(yàn)得知找到火光的臨界值為989，蠟燭熄滅臨界值為1000?；鹧鏅z測(cè)的條件判斷語句如下：

即在房間門口將接收的灰度信息與臨界值對(duì)比，以及判斷前、后溫度傳感器值是否相同來判斷該房間是否存在火源。

2.2.3 機(jī)器人滅火階段分析

當(dāng)找到存在火源的房間后，則進(jìn)入滅火階段。進(jìn)行滅火之前，需要完成找到滅火的合適位置、滅火方向的校正兩個(gè)任務(wù)。

為了有效地完成滅火任務(wù)，需要找到合適的滅火位置。另外不允許碰到蠟燭，機(jī)器人需要在蠟燭外圍的白線處停止。則尋找合適滅火位置的條件判斷語句如下:

到達(dá)了合適的滅火位置后，對(duì)滅火方向進(jìn)行校正，需要根據(jù)左右火焰?zhèn)鞲衅鞯闹颠M(jìn)行校正。如果左邊火焰強(qiáng)，像左多搖動(dòng)一點(diǎn)；如果右邊火焰強(qiáng)，向右多搖動(dòng)一點(diǎn)；正對(duì)火焰，則啟動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行滅火，吹滅蠟燭。

2.2.4 機(jī)器人回家模式分析

在對(duì)火源進(jìn)行滅火后，需返回且停在終止位置。如果在1號(hào)房間發(fā)現(xiàn)火源，則滅火后走右手法則回家；如果在4號(hào)房間發(fā)現(xiàn)火源，則滅火后走右手法則回家；如果在3號(hào)房間發(fā)現(xiàn)火源，則滅火后走左手法則回家；如果在2號(hào)房間發(fā)現(xiàn)火源，則滅火后先走左手法則，然后走固定直線線路返回到終止位置。則檢測(cè)終止位置的條件判斷語句如下：

如果機(jī)器人前后皆為白色且前面有墻壁，則停車。

2.2.5 機(jī)器人路徑規(guī)劃

在機(jī)器人滅火的四個(gè)階段中，路徑規(guī)劃自始至終貫穿其間。滅火機(jī)器人在不同環(huán)境中需走出合適的路徑(也就是控制轉(zhuǎn)向問題)。為了實(shí)現(xiàn)門口檢測(cè)策略，本文采用了左右手規(guī)則相結(jié)合的方法來走完全程。機(jī)器人滅火路徑規(guī)劃如圖6所示。

圖6 滅火機(jī)器人路徑規(guī)劃

機(jī)器人最終按照?qǐng)D6中路徑規(guī)劃來依次實(shí)現(xiàn)避障、尋火及滅火操作，最終完成滅火任務(wù)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

滅火比賽的任務(wù)是滅火機(jī)器人以最短時(shí)間找到火源，并將其撲滅。成功滅火并且用時(shí)最短者獲勝。影響用時(shí)長(zhǎng)短的因素包括直線調(diào)整次數(shù)、碰撞次數(shù)、正確轉(zhuǎn)換次數(shù)、找準(zhǔn)火源次數(shù)及成功滅火次數(shù)等。直線調(diào)整次數(shù)越少，碰撞次數(shù)越少，正確轉(zhuǎn)換次數(shù)越多，找準(zhǔn)火源次數(shù)越多，成功滅火次數(shù)越多，則滅火所用的時(shí)間越短[4]。在測(cè)試機(jī)器人過程中，進(jìn)行大量的調(diào)試包括程序的修改和傳感器位置的調(diào)整。

為了測(cè)試本文的策略方法，分別對(duì)4個(gè)房間進(jìn)行3次滅火實(shí)驗(yàn)。記錄并統(tǒng)計(jì)10組數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實(shí)際滅火時(shí)間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表2可見，滅火機(jī)器人遍歷4個(gè)房間后，熄滅4號(hào)房間的火源，實(shí)際滅火時(shí)間大約為8s左右，接近于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，其余房間實(shí)際滅火時(shí)間均在6.9s以下。實(shí)驗(yàn)表明采用門口檢測(cè)策略的滅火機(jī)器人較采用其他一般算法的機(jī)器人滅火時(shí)間大大縮短，而且性能穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

依據(jù)國(guó)際滅火比賽的規(guī)則，設(shè)計(jì)了基于門口檢測(cè)策略的滅火機(jī)器人。在已有機(jī)器人上對(duì)各種傳感器進(jìn)行合理、科學(xué)的分布，實(shí)現(xiàn)火源的門口檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)快速避障、尋火、滅火及回家操作。實(shí)驗(yàn)表明采用門口檢測(cè)策略的機(jī)器人滅火速度快，大大提高了滅火成績(jī)。

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According to the race rules for fire-fighting robot, this paper designs a fire-fighting robot based on door-detection strategy, and achieves door-detection function by distributing scientifically various different sensors based on existing robot in our school. It mainly realizes four modules such as obstacleavoidance, fire-searching, fire-extinguishing and back-home. Experiments show that this fireextinguishing strategy has shorter fire-extinguishing time.

機(jī)器人；滅火比賽；門口檢測(cè)

robot; fire-fighting race; door-detection

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.079