姚蘊珍

【摘要】 本文以滅火機器人為研究對象，對該機器人的設(shè)計原理、主要思路以及實現(xiàn)方案做了詳盡說明。滅火機器人要求能夠在一間平面結(jié)構(gòu)房子模型里運動，找到一根蠟燭并盡快將其熄滅。機器人主要由STM32F103微控制器、聲音接收模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、避障傳感器模塊、滅火模塊、電機及電機驅(qū)動板組成，利用傳感器組采集環(huán)境信號控制機器人的行動。機械結(jié)構(gòu)為一個三輪小車，其中有兩個較大的主動輪和一個較小的從動輪。兩個主動輪所用的步進電機由TB6560電機驅(qū)動板控制帶動。滅火算法由火焰?zhèn)鞲衅骱捅苷蟼鞲衅魉袘降男盘柵袛噙\動方向和火焰位置，尋找到火源后利用風扇滅火。實驗表明，該機器人行動靈活快速，具有很高的準確性和穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】 智能車 滅火 嵌入式

一、背景介紹

現(xiàn)在社會各種危險場所火災頻繁發(fā)生，火災及時補救已成為亟待解決的問題。由于消防員在時間和人身安全方面存在的一些局限性，滅火機器人的理念應運而生。本文針對基于STM32的滅火機器人系統(tǒng)進行設(shè)計，以STM32F103嵌入式芯片為核心，完成滅火機器人的軟、硬件設(shè)計。

二、總體思路

總體上，在機器人的設(shè)計中遵循穩(wěn)中求快的基本原則。滅火機器人采用聲音啟動方式，車頂部裝有一個聲音接收模塊，將接收到的固定頻率的聲音信號輸送給主控芯片，控制小車啟動。小車采用后輪驅(qū)動，車前方中間有一個萬向輪從動。左右后輪各用一個直流步進電機驅(qū)動，通過控制兩個輪子的轉(zhuǎn)速達到前進和轉(zhuǎn)向的目的。車體前側(cè)半周裝有紅外避障傳感器可以避免碰撞墻壁。車體前部兩側(cè)裝有兩組火焰?zhèn)鞲衅?，通過火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火焰信號輸送給主控芯片來控制小車的前進方向，自動尋找火源；當接近火源時，小車前側(cè)底部的灰度傳感器將信號傳送給主控芯片以啟動滅火程序。小車采用風扇滅火，滅火完成后執(zhí)行回家程序。小車運動的控制是通過初始化PWM輸出，更改自動重裝值來控制PWM周期，從而設(shè)定步進電機的旋轉(zhuǎn)速度。

三、硬件系統(tǒng)設(shè)計

整個系統(tǒng)以STM32F103為核心，設(shè)計了聲音接收模塊、避障傳感器模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、灰度傳感器模塊、電機驅(qū)動模塊，同時輔助于一定的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，使整個有機地結(jié)合在一起。

1、芯片。設(shè)計采用的主控芯片為 STM32。其特點：具有128K字節(jié)的可編程 Flash、 20K字節(jié)的片內(nèi)SRAM 數(shù)據(jù)存儲器、1024 個字節(jié)的片內(nèi)在線可編程 E2PROM 數(shù)據(jù)存儲器（含 JTAG 接口）、2 個分別獨立可設(shè)置預分頻器的 8 位定時器/計數(shù)器、一個 16 位定時器/計數(shù)器、4 個通道的 PWM輸出、2 路 24 位 ADC、64 個可編程的 I/O 口（低功耗、最高工作頻率為 16MHz）。

2、電源模塊。驅(qū)動電路板中的電源模塊為系統(tǒng)其它各個模塊提供所需要的電源。設(shè)計中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡單等方面進行優(yōu)化。本次采用外接線的方式，通過開關(guān)電源為系統(tǒng)提供12V 電壓，避免了在調(diào)試過程中鋰電池電壓不足的情況。其中，直流減速電機采用12V 電壓供電，對于單片機系統(tǒng)及傳感器所需要的 5V 電壓，采用集成 LM2596DC-DC 穩(wěn)壓芯片將 12V 電壓降至 5V 以滿足其供電要求。電源管理如圖所示：

3、傳感器模塊。機器人能否順利檢查每個房間火源情況，準確找到火源并熄滅，關(guān)鍵取決于傳感器。因此該系統(tǒng)設(shè)計選用紅外避障傳感器，遠紅外火焰?zhèn)鞲衅骱偷孛婊叶葌鞲衅?，來實現(xiàn)傳感器模塊設(shè)計。采用 E18-D80NK 紅外避障傳感器，它是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收頭對反射光進行解調(diào)輸出，有效避免了可見光的干擾。通過調(diào)節(jié)尾部的電位器旋鈕，該傳感器可以檢測前方 3～80cm 的障礙物。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點。廣泛應用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。此外，本設(shè)計還用到了灰度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

四、軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編程，主要包括主程序、電機模塊、時鐘模塊、聲音模塊、避障模塊、灰度模塊、尋房模塊、檢火模塊、滅火模塊和回家模塊等部分。主要用到的算法有右手法則沿墻走算法和趨光走算法。首先，機器人通過避障傳感器模塊獲取環(huán)境情況，利用右手法則找到第一個房間。通過PWM輸出的電脈沖信號控制步進電機的角位移來控制小車的速度。而后，小車通過灰度傳感器檢測到房間入口，而后利用火焰?zhèn)鞲衅髂K對房間進行火焰檢測。如果未檢測到火焰，則掉頭繼續(xù)尋找下一個房間；如果檢測到火焰，則進入房間探測火焰位置，靠近火焰，灰度傳感器檢測到白線時，啟動滅火模塊進行滅火，滅火時小車左右搖擺確?；鹧婺軗錅?。滅火后利用火焰?zhèn)鞲衅鬟M行火焰檢查，確認火焰完全熄滅后退房，最后，小車按照火焰所在的特定房間的回家路線回家。

五、問題與總結(jié)

在設(shè)計過程中可以發(fā)現(xiàn)，步進電機的速度與直流電機相比更難提高速度，需要單獨設(shè)計程序來控制，否則很難達到與直流電機相比理想的行進速度。為此提出如下解決方案：（1）提高PWM的輸出頻率來提高步進電機的速度。（2）重新在電機驅(qū)動模塊加入轉(zhuǎn)彎、旋轉(zhuǎn)較小角度的程序，來提高小車行進的準確性，如旋轉(zhuǎn)45度、30度等。

參 考 文 獻

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