張 欽

(淮安生物工程高等職業(yè)學校，江蘇 淮安 223200)

消防機器人具有智能化、靈活性特點，尤其在火災撲救中采用智能化消防機器人技術，可有效消除安全隱患。結合消防滅火需求，設計了基于STM32單片機的智能消防機器人。

1 基于STM32單片機的智能消防機器人設計

1.1 設計思路

基于STM32單片機的智能化消防機器人主要由人機互動界面、感知平臺、運動平臺、傳感器檢測設備、車體組成，如圖1所示。

圖1 智能消防機器人的設計Fig.1 Design of intelligent fire fighting robot

將主芯片進行多種任務處理，在機器人外部設置溫度傳感器、氣體和水壓傳感器、超聲波傳感器、陀螺儀設備等，可準確采集火災現場與周圍的數據信息。同時設計了數字通信模塊，以提高數據傳輸效果。車體內部配置了前后攝像頭、高清攝像頭、熱成像攝像頭，可有效進行各類視頻的切換、傳輸處理，并利用高清高亮HDMI接口顯示出來，通過高清圖像模塊進行無線圖像傳輸，在后臺使用遙控器進行攝像頭控制，實時、清晰地將視頻和圖像顯示出來。車體外部設計了自動化火災噴淋系統(tǒng)進行車體的自主降溫，避免火災事故中車體零部件受到損害[1]。

1.2 軟硬件設計

1.2.1 硬件設計

系統(tǒng)硬件由以STM32單片機為核心的下位機和上位機組成，其中STM32單片機芯片是核心控制板，可確保所有功能的實現。

上位機設計。設計目的是準確進行霍爾手柄、操作臺中各個功能控制信號的讀取，利用A/D轉換模式對信號進行轉換，使用數據傳輸模塊將信息數據發(fā)送到下位機的主控制器內，獲取操作手柄在坐標系中的實際位置。

下位機設計。為有效進行車體控制需進行運動邏輯分析，如果左側與右側電機正轉速度相同，可控制車輛向前行駛；如果正轉速度不同，可控制車輛向左或向右轉動；如果左側與右側的電機轉速相同但處于反轉狀態(tài)，可控制車輛向后行駛；左側與右側電機轉速不同且處于反轉狀態(tài)，可使車輛左后倒車或右后倒車。

圖2 霍爾手柄坐標Fig.2 Hall handle coordinates

如圖2所示，將手柄設置為右側上方第一象限，推動到最遠的位置，使整個運動成為圓弧，設置半徑a，將其作為電機電壓最高的數據值，手柄移動位置b，將其作為實際電機電壓的數據值，單片機讀取數據值的過程中，讀取到推桿頂端坐標(x，y)的數據信息，按照下列公式進行b、m和α數據值的計算分析[2]。

m=b/a

表1 電機控制邏輯和計算Tab.1 Motor control logic and calculation

除了進行上述各類動作控制外，還能通過對左側與右側電機的相同轉速控制，進行相反轉向調控，使車輛在原地旋轉。

控制臺操作面板還能進行水炮上仰控制、向下操作控制、左側和右側擺動控制、水流噴射措施切換等，同時進行觀察云臺、蜂鳴器、剎車、照明系統(tǒng)控制等。

1.2.2 軟件設計

軟件設計思路。系統(tǒng)軟件設計要以KEIL環(huán)境為基礎進行控制板編程，采用C語言進行控制程序編寫，由于STM32單片機芯片具有單個周期DSP指令與FPU浮點單元，計算性能較高，因此可節(jié)約數據信息計算時間，還能為程序執(zhí)行、數據信息傳輸等提供支持，加快數據處理和傳輸速率，滿足系統(tǒng)設計標準要求[3]。

上位機控制軟件設計。應完善軟件的操作流程，如圖3所示。需完成系統(tǒng)和通信模塊的初始化操作，進入到主循環(huán)部分，如果由人工進行操作，可通過A/D轉換模式對控制信號轉換，進入單片機進行緩存處理，再輸送到數據傳輸模塊，發(fā)送到下位機設備中。在此期間，單片機能夠從數據傳輸模塊內進行傳感數據信息的讀取，而后發(fā)送給數字顯示屏，將相關信息全面顯示出來。

圖3 上位機控制程序的流程Fig.3 Flow of the upper computer control program

下位機控制軟件的設計。如圖4所示，需先進行初始化處理，讀取傳感器數據信息，將數據存儲到寄存器內，利用無線數據傳輸模塊定期將寄存器的數據信息發(fā)送到上位機系統(tǒng)中。如果接收到上位機系統(tǒng)發(fā)送的控制信號，先進行左側與右側電機控制量的計算分析，轉換成PWM控制信號，借助串口將信號傳送[4]。

圖4 下位機控制軟件操作流程Fig.4 Flow of lower computer control software operation

圖像處理白化算法軟件設計。機器人圖像處理技術具有多元化特點，本設計是將STM32單片機作為核心，主要使用白化算法技術方式有效解決機器人圖像成像問題[5]。消防機器人在進行火災撲救和搶險時可能會出現物體反射光亮、照明強度過高的問題，導致攝像拍攝受到不利影響，出現不確定性的風險，系統(tǒng)采集的圖像和視頻等清晰度難以符合標準。為有效防止此類不確定性因素帶來的影響，應合理設計圖像的白化算法軟件，收集圖像的像素數據值信息，將其轉變成平均數據值與單位方差數據值。軟件實際運行過程中，先進行原始灰度圖像P像素數據值的分析，按照下列公式進行像素方差數據值δ2和平均數據值μ的計算。

完成計算后，將δ2與μ的數據值轉化，根據公式計算分析：

將灰度圖像轉變成彩色圖像，需分別設置3個不同的通道，對δ2與μ數據值精準計算，結合公式進行像素轉化處理。同時在系統(tǒng)運行期間結合硬件平臺特點，合理進行白化算法軟件的應用，通過STM32單片機準確進行計算處理和濾波處理，利用圖像存儲器設備和系統(tǒng)進行畫面截取，使用MATLAB完成圖像效果的觀察[6]。

1.3 整體機械結構設計

車體整體結構設計要在滿足平地行駛要求的基礎上能夠在斜坡區(qū)、樓梯區(qū)域和積水區(qū)域安全駕駛運行，具備一定的特殊功能，如可在洼區(qū)正常行駛，同時能爬坡、跨越障礙，可在原地自由旋轉。設計的履帶類型機械結構如圖5所示。

圖5 履帶類型行走機械結構Fig.5 Mechanical structure of track type walking

履帶類型結構和地面接觸面積很大，有很強的附著力和牽引能力，能夠在積水道路和泥濘道路行走，通過性很高。整體車體的架構設計采用鋁合金鑄造材料，輪系部分由驅動輪、拖鏈輪等組成。將精密行星減速無刷電機設備配置在驅動輪上，提升驅動力水平。導向輪按照地面摩擦系數的差異，對履帶松緊度進行調整，使履帶適應不同的環(huán)境。配置支撐輪用來支撐車體重量、水帶重量和水炮重量，減震器設備的應用則能防止車體顛簸，增強車體的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，支撐輪能夠跟隨履帶發(fā)生轉動，降低兩部分的摩擦。除此之外，結合車體的結構特點，設計了專用的消防水炮設施，在車體底部區(qū)域的中間位置配置水管，車體后下方位置將水管接入，利用前端水炮進行滅火劑的噴射，實際運行中整體結構重心很低，噴水過程中車體非常穩(wěn)定[7]。

2 智能消防機器人的試驗與應用

2.1 試驗

A.速度試驗。將機器人設置在道路中行駛，進行運行速度測試，發(fā)現機器人運行速度為3 km/h左右，最高爬坡角度36°時，行走速度可達0.9 km/h，直線行走200 m的范圍內，雖然會出現方向誤差偏移，但能夠滿足具體的實踐應用標準要求[8]。B.圖像仿真試驗。仿真真實的火災現場圖像，發(fā)現屏幕中顯示的圖像沒有明顯的波紋和雪花，可滿足應用標準規(guī)范。C.水炮試驗。按照要求在機器人上設置水帶，將水的壓力調整為0.8 mpa，發(fā)現水炮的噴水長度為72 m左右，自動化噴淋系統(tǒng)能夠快速開啟，有效降溫。

2.2 應用

下位機整體架構由控制板、圖片視頻傳輸模塊、傳感器、電機驅動和電源電壓檢測模塊組成，主要功能是進行上位機操作數據信息和信號的讀取，準確計算控制量數據，將PWM信號輸送到電機驅動器系統(tǒng)，對水炮設備和云臺設備的工作進行控制。與此同時，進行不同傳感器數據信息的讀取，傳輸到上位機系統(tǒng)，按照傳感器所檢測的水炮水壓數據、車輛前后障礙距離數據、車體傾斜角度數據、車體溫度數據等，合理進行各類數據的傳輸，同時下位機中的電壓模塊對電池電量進行動態(tài)化檢測，不同數據經過串口傳輸到下位機控制板內，利用數據模塊將數據發(fā)送到上位機，使各類數據都能在顯示屏中顯示出來。另外，車輛具備一定的緊急剎車性能，為防止云臺或水炮等設備操作過程中對機械系統(tǒng)造成損傷，應合理設置云臺機械限位，設置水炮的左側和右側限位，嚴格進行自動擺動功能設定，確保水炮開啟過程中擺動幅度能夠控制在一定的范圍內[9]。

3 結束語

基于STM32單片機的智能消防機器人設計，需完善和優(yōu)化整體架構設計模式和體系，確保軟件系統(tǒng)、硬件設備和整體車體機械結構設計的科學性與合理性，還需進行試驗測試，分析測試結果，確保后續(xù)的良好應用。