吳秉慧++徐嘉歡++高超禹++朱斐

摘要：隨著現(xiàn)代化建設進程的加速發(fā)展，城市化進程也在快速發(fā)展，但是也帶來了安全隱患，大量的建筑在使用過程中稍不注意就會引發(fā)火災。本文將以智能小車為基礎，在智能小車基礎上研究自動滅火機器人功能，主要目標是建立一個自動的探索火源并進行滅火的自動滅火的機器人系統(tǒng)，使安裝的傳感器能夠檢測到障礙物，從而自動避障，然后進行火源定位滅火。根據(jù)設計要求，確定采用目前流行的開源硬件產品Arduino做控制板，加裝舵機、超聲波等感應器，由Arduino進行處理，實現(xiàn)小車避障，對智能小車的控制與開發(fā)進行了有效的嘗試。以后還要對小車進行自動滅火。

關鍵詞：Arduino；超聲波感應器；舵機；直流電機驅動板；溫度傳感器

中圖分類號：TP202

文獻標識碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.11.015

0 引言

機器人技術是綜合了計算機、信息傳感技術、控制技術、機械制造等多個學科形成的一門高新技術學科，在當代的研究領域十分活躍。如今，機器人的研究應用情況，標志著一個國家的自動化發(fā)展水平。近年來，由于許多高樓、倉庫、地下建筑等建筑材料的特殊性，極易發(fā)生火災，且一旦發(fā)生火災，給參與救火的消防人員的人身安全帶來極大的威脅。智能滅火機器人就給消防人員在參與救援帶來了極大的幫助，尤其是在危險性極大以及消防人員不易接近的地方，智能滅火機器人就起到了很大的作用。

超聲波作為智能車避障的一種重要手段，以其避障實現(xiàn)方便，計算簡單，易于做到實時控制，測量精度也能達到實用的要求，在未來汽車智能化進程中必將得到廣泛應用。我國作為一個世界大國，在高科技領域也必須占據(jù)一席之地，未來汽車的智能化是汽車產業(yè)發(fā)展必然的，在這種情況下研究超聲波在智能車避障上的應用具有深遠意義，這將對我國未來智能汽車的研究在世界高科技領域占據(jù)領先地位具有重要作用。

1 總體設計

智能小車采用四輪驅動，每個輪子配備一個電機驅動。將超聲波感應器和舵機裝在車頭部分。舵機旋轉0-180度，默認前方是90度。當超聲波感應器探測到前方障礙物，控制4個車輪做出相應的動作。系統(tǒng)主要包括5個模塊：單片機控制模塊、舵機模塊、電源模塊、避障模塊、電機驅動模塊。系統(tǒng)功能如圖1所示。

1.1 主控模塊

這里采用Arduino單片機來做主控模塊，其核心是ATmega328P芯片。此單片機主要負責傳感器的狀態(tài)并控制4輪的直流電機和舵機，同時完成對4輪電機的PWM調速任務以及舵機的轉動角度。在所編寫的程序基礎上，給予電機與舵機控制信號，根據(jù)道路情況自動調整轉速與方向。

Arduino是一個能夠用來感應和控制現(xiàn)實物理世界的一套工具。它由一個基于單片機并且開放源碼的硬件平臺，和一套為Arduino板編寫程序的開發(fā)環(huán)境組成。Arduino可以用來開發(fā)交互產品，比如它可以讀取大量的開關和傳感器信號，并且可以控制各式各樣的電燈、電機和其他物理設備。Arduino項目可以是單獨的，也可以在運行時和你電腦中運行的程序（例如：Flash，Processing）進行通訊。Arduino板你可以選擇自己去手動組裝或是購買已經組裝好的；Arduino開源的IDE可以免費下載得到。Arduino的編程語言就像似在對一個類似于物理的計算平臺進行相應的連線，它基于處理多媒體的編程環(huán)境。

1.2 驅動模塊

智能車前進的動力是通過直流電機來驅動的。這里直接用單片機的PWM驅動直流電機，電流太小。所以采用L293D擴展板驅動模塊。通過單片機給予L293D芯片PWM信號來控制小車的速度，起步，停止。PWM控制電機速度是通過：高速地開關三極管實現(xiàn)電機控制占空比（打開時間：關閉時間）決定輸出給電機的能量份額

L293D是一款常用的直流電機驅動模塊，采用293D芯片小電流直流電機驅動芯片。管腳被做成了Arduino兼容的，也方便了愛好者快速的基于Arduino的開發(fā)。

2個SV伺服電機端口聯(lián)接到Arduino的高解析高精度的定時器。

多達4個雙向DC電機各自帶有8位速度選擇（大約0.5%的解析度）

多達2個步進電機（單極或雙極）單線圈，雙線圈，交錯或微步。

4路H-橋：L293D芯片每路橋提供_06A（峰值1.2A）電流并且?guī)в袩釘嚯姳Ｗo，4.5V to 36V。

端口定義：

數(shù)字端口11：直流電機#1/步進#l（PWM）

數(shù)字端口3：直流電機#2/步進#1（PWM）

數(shù)字端口5：直流電機#3/步進#2（PWM）

數(shù)字端口6：直流電機#4/步進#2（PWM）

當使用任何直流或者步進電機時數(shù)字端口4，7，8和12被占用，通過74HC595（串轉并）鎖存器來控制直流或者步進電機。

數(shù)字端口9：舵機控制#1

數(shù)字端口10：舵機控制#2

L293D驅動芯片管腳介紹，如圖4。

速度控制，使用Arduino模擬輸出引腳，將產生PWM信號連接到L293D的使能引腳。

方向控制，使用Arduino的數(shù)字輸出引腳，將產生的數(shù)字信號連接到L293D的A/B兩個方向引腳。

正轉：A為高，B為低反轉：A為低，B為高制動：AB同時為高或者低

1.3 L293D控制板以及庫安裝使用方法

這里使用MSMotorShield庫進行控制，安裝庫文件方法：將庫文件解壓到Arduino安裝目的的libraries目錄下。例如：D：＼Program Files＼arduino-0022＼libraries然后重新打開Arduino IDE就可以使用了。

首先include頭文件，使用DCMotor（motor#，frequency）創(chuàng)建DCMotor對象，構造函數(shù)帶偶兩個參數(shù)。第一個為要連接的電機的端口1，2，3，4。Frequency是速度控制信號的值。對于電機1和2你可以選擇MOTOR12_64KHZ，MOTOR12_8KHZ， MOTOR12_2KHZ，或者MOTOR12_1KHZ。一個高頻率像64KHz將不會發(fā)出聲音但是一個低頻率想1KHz的將更省電。電機3和4只能運行在1KHz的頻率下，將會忽略給定的任何頻率設置。然后可以通過setSpeed（ speed）函數(shù)來設置電機的速度，speed的范圍為從0（停止）到255（全速）?？梢噪S便設置你想要的速度。打開電機通過調用run（ direction） direction是FORWARD， BACKWARD or RELEASE。當然Arduino實際上并不知道電機正轉還是反轉。所以如果想改變你認為的正轉的方向，只需要交換電機引線即可。

2 舵機模塊

舵機（英文叫Servo）：它由直流電機、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動控制系統(tǒng)。通過發(fā)送信號，指定輸出軸旋轉角度。本設計中使用輝創(chuàng)公司的SG90。

型號：SG90

尺寸：21.5mmX11.8mmX22.7mm

重量：9克

無負載速度：0.12秒/60度（4.8V）

堵轉扭矩：1.2-1.4公斤，厘米（4.8V）

使用溫度：-30～+60攝氏度

死區(qū)設定：7微秒

工作電壓：4.8V-6V

舵機只有3個PIN正極，負極，和信號。三個線分別用不同顏色，

橙紅褐橙——信號

紅——正極

褐——負極

2.1 舵機原理以及構造

下圖是一個普通模擬舵機的分解圖，其組成部分主要有齒輪組、電機、電位器、電機控制板、殼體這幾大部分。詳細如圖6。

電機控制板主要是用來驅動電機和接受電位器反饋回來的信息。電機是動力的來源。電位器這里的作用主要是通過其旋轉后產生的電阻的變化，把信號發(fā)送回電機控制板，使其判斷輸出軸角度是否輸出正確。齒輪組的作用主要是力量的放大，使小功率電機產生大扭矩。下圖是舵機工作原理圖，如圖7。

2.2 超聲波模塊及工作原理介紹

超聲波傳感器（Ultrasonic Sensor），它是測距常用模塊。普通的超聲波傳感器測距范圍大約是2cm到3-5m。傳感器模塊的工作原理大致是這樣的，如

模塊收到10us以上的高電平脈沖觸發(fā)信號；模塊自動發(fā)送8個40KHz的方波并檢測回波；若有回波信號返回，通過10輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間.測試距離=（高電平時間*聲速（340m/s））/2。具體時序如圖9。

常見的超聲波傳感器有3腳的，4腳和5腳的：3腳的比如Parallax的PING））），三腳分別是5v電源腳（5V），I/O信號端（SIG），地端（GND）。4腳的比如HC-SR04，四個腳分別是5v電源腳（Vcc），觸發(fā)控制端（Trig），接收端（Echo），地端（GND）。

5腳的比4腳的多出一個OUT腳，是防盜模塊時的開關量輸出腳，測距模塊不用此腳。

我們這里采用HC-SR04四角的模塊。

2.3 電源模塊

電源模塊為系統(tǒng)其他各個模塊提供可靠的工作電壓，設計中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等?；緟?shù)之外，還要在電源轉換效率、降低噪聲、防止干擾等方面進行優(yōu)化?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€硬件電路穩(wěn)定可靠運行的基礎。7.2V 2000mAh Ni-Cd蓄電池，其中7.2V供驅動電機使用，6V供舵機使用，5V供控制芯片和速度傳感器使用，3V供超聲波感器使用。各種所需電源均從7.2V經電源轉換芯片轉換得到。系統(tǒng)各模塊電路結構如圖13所示。

3 模塊集成調試

將超聲波模塊，舵機模塊結合起來。先從Arduino開發(fā)板測試，成功后將對應pin移植到L293D驅動板上。以上硬件部分已經完全橋接并測試成功，如系統(tǒng)框圖14。

自動滅火機器人模型的運行效果如圖15所示。