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柳輝 滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制
摘要
面對諸多惡劣的工作環(huán)境(如滅火、救援等)，為了有效的避免人員傷亡，就需要采用智能小車去現(xiàn)場來完成相應(yīng)的任務(wù)。因此研究和開發(fā)智能小車引導(dǎo)控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。本系統(tǒng)采用68HC11單片機(jī)作為核心控制芯片，設(shè)計(jì)制作了一款通過紅外光電傳感器檢測路徑信息、紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火源的智能尋跡滅火小車。本系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、尋跡傳感器模塊、驅(qū)動電機(jī)模塊、火源傳感器模塊、風(fēng)扇模塊、電源模塊等組成。實(shí)際應(yīng)用表明，該小車可以在專門設(shè)計(jì)的場地上實(shí)現(xiàn)自主發(fā)現(xiàn)火源，自主識別路線，自主行進(jìn)接近火源并滅火，最終完成滅火的任務(wù)。
關(guān)鍵詞：單片機(jī) ，小車，引導(dǎo)控制 ，傳感器
IV
Abstract
Content: Confronted with so many bad working environment (such as fire fighting, rescue etc), in order to effectively avoid casualties, need to use intelligent go by car scene to complete relevant tasks. Therefore, the research and development of intelligent car guide control system has the extremely vital significance. This system uses 68HC11 as the core control chip, design and make a new electric sensor detection by infrared sensor information, infrared flame path of intelligent tracing test fire extinguishing car. The system is composed of single-chip microcomputer control module, tracing sensor module, drive motor module, ignition sensor module, fan module, power supply module. The practical application indicates that the car can be in a specially designed field on fire, to realize the independent found autonomous recognition route, independent sources and marching close to the fire extinguishing, finally complete task.
Keywords: Microcontroller , Car ,Control system, Sensors
目 錄
摘要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1課題來源與意義 1
1.2課題背景 1
1.3課題研究方法 2
第二章 能力風(fēng)暴機(jī)器人的基本構(gòu)成 3
2.1外形構(gòu)造 3
2.2主板 4
2.3 68HC11的基本知識 4
2.4傳動結(jié)構(gòu)——齒輪箱 5
第三章 方案設(shè)計(jì)與論證 6
3.1總體設(shè)計(jì)方案 6
3.2小車的制作方案設(shè)計(jì)與論證 6
3.3驅(qū)動電機(jī)模塊的選定 7
3.4尋跡傳感器模塊的選定 7
3.5單片機(jī)控制模塊的選定 8
3.6火源傳感器模塊的選定 8
3.7滅火模塊的選定 9
3.8電源模塊的選定 9
3.9最終方案 9
第四章 滅火控制方案與策略 11
4.1 滅火場地 11
4.2行走方案分析與確定 11
4.3火焰定位 13
4.4傳感器的布置 14
第五章 滅火機(jī)器人滅火裝置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
5.1滅火方案的確定 15
5.2水泵滅火裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16
5.3滅火機(jī)器人外形設(shè)計(jì) 19
第六章 控制程序設(shè)計(jì) 20
6.1智能滅火小車系統(tǒng)總體流程 20
6.2程序流程圖 21
6.3部分功能代碼 24
結(jié) 論 28
致 謝 29
參考文獻(xiàn) 30
柳輝 滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制
第一章 緒論
1.1課題來源與意義
隨著時代的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)不是一個陌生的名詞了，現(xiàn)在的電影大片中經(jīng)常性的出現(xiàn)機(jī)器人，它們存在于工廠，普通人的家里，科技研究所，馬路上等等，它們有智能的也有非智能的，有人型也有普通機(jī)械式的，其中對我們這代人來說印象最深刻的就要是風(fēng)靡一時的好萊塢電影大片《變形金剛》，里面的機(jī)器人不但可以變身而且它們有自己的思想，是智能機(jī)器人但又高于智能機(jī)器人，它們近乎是一個個完整的獨(dú)立的“人”?，F(xiàn)實(shí)生活中，機(jī)器人的運(yùn)用也非常廣泛，就馬航失聯(lián)一事來說，我國的“蛟龍”號探測機(jī)器人就發(fā)揮著人類無法替代的作用（人類無法承受深水下巨大的水壓）；再如我國的“嫦娥”號探月機(jī)器人更是凝聚全國人民的心血，象征了華夏民族偉大的智慧的結(jié)晶?？傊缃竦臅r代方方面面有著的機(jī)器人的身影。
近幾十年中，大量的高層、地下建筑與大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊性，發(fā)生火災(zāi)時，不能快速高效的滅火。為了解決這一問題，盡快救助火災(zāi)中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，消防機(jī)器人研究被提到了議事日程。而機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展也為這一要求的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)上的保證，使得消防機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。
目前智能機(jī)器人比賽在高校進(jìn)行的如火如荼，很多高校都有自己的機(jī)器人協(xié)會及研究中心。利用各類機(jī)器人平臺還可以完成本科生、研究生的畢業(yè)課題研究。我的畢業(yè)課題就來自于“能力風(fēng)暴”智能機(jī)器人比賽。本課題所選取的智能機(jī)器人平臺就是廣茂達(dá)公司推出的“能力風(fēng)暴”智能機(jī)器人，本課題完成的就是滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的研究。
1.2課題背景
從二十世紀(jì)八十年代開始，世界許多國家都進(jìn)行了消防機(jī)器人的研究。美國和蘇聯(lián)最早進(jìn)行消防機(jī)器人的研究，而后日本、英國、法國等國家都紛紛開展了消防機(jī)器人的研究，目前已有多種不同類型的消防機(jī)器人用于各種火災(zāi)場合。
我國從八十年代末期開始消防機(jī)器人的研究，公安部上海消防研究所等單位在消防機(jī)器人的研究中取得了大量的成果，自行式消防炮已經(jīng)投入市場，履帶輪式消防滅火偵察機(jī)器人也于 2000 年 6 月通過了國家驗(yàn)收。但是，我國消防機(jī)器人的研究還處在初級階段，還有許多有待研究的問題。比如，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，消防人員不可能在短時間內(nèi)到達(dá)高處的火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，在地下建筑中，由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴(kuò)散，消防人員不容易快速的判定火源位置；而在石化企業(yè)發(fā)生火災(zāi)時，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時極易中毒。研制能夠用于這些場合的偵察滅火機(jī)器人，協(xié)助消防人員進(jìn)行火災(zāi)的定位和滅火，將有極大的社會意義。
基于人工智能的不斷發(fā)展，各項(xiàng)高新技術(shù)的不斷成熟，在可預(yù)見的將來，消防機(jī)器人在功能上會更具多樣特點(diǎn)，在較多危險區(qū)域可以完全代替消防員，避免消防員生命傷亡。同時也應(yīng)該看到，我國在研究消防機(jī)器人方面較國外同行已落后太多，存在技術(shù)差異和代溝，消防機(jī)器人的不斷研制、生產(chǎn)和裝備過程，應(yīng)堅(jiān)持自主研制為主，引進(jìn)為輔，提高我國消防部隊(duì)消防裝備現(xiàn)代化的水平并及時裝備消防部隊(duì)，提高消防部隊(duì)打贏大仗、惡仗、硬仗和特殊戰(zhàn)役的能力，提高消防部隊(duì)在處置大型復(fù)雜火災(zāi)和應(yīng)急救援的作戰(zhàn)效能，提高消防部隊(duì)的自我防護(hù)能力減少消防指戰(zhàn)員的人身傷亡，更好地保衛(wèi)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
1.3課題研究方法
為了更好的完成設(shè)計(jì)任務(wù)，基于“能力風(fēng)暴”機(jī)器人的開發(fā)平臺，首先研究“能力風(fēng)暴”機(jī)器人樣機(jī)，了解機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、常用傳感器以及它的軟件開發(fā)平臺，圍繞控制機(jī)器人迅速穩(wěn)定的完成滅火任務(wù)，測試傳感器的基本參數(shù)，合理的布置傳感器，編制程序，并調(diào)試最終能夠控制機(jī)器人快速、穩(wěn)定地完成滅火任務(wù)。
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第二章 能力風(fēng)暴機(jī)器人的基本構(gòu)成
2.1外形構(gòu)造
能力風(fēng)暴機(jī)器人的基本構(gòu)造如圖2-1及圖2-2：
圖2-1 能力風(fēng)暴機(jī)器人側(cè)視圖
圖2-2 能力風(fēng)暴機(jī)器人俯視圖
2.2主板
主板布局圖如下：
圖2－3 ASU主板布局圖
2.3 68HC11的基本知識
為了實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制，首先我們要對機(jī)器人的控制器有所了解，Motorala生產(chǎn)的68HC11，使我們以極少的周邊芯片獲得了齊全的功能，8個模擬口，5個輸入捕捉，3個PWM輸出，16位地址，8位數(shù)據(jù)總線，串口，以及4個通用I/O。
68HC11的CPU有兩個8位累加器，兩個16位變址寄存器、一個8位條件寄存器，一個16位堆棧指針和程序計(jì)數(shù)器；M6800/M6801指令系統(tǒng)，共300多條指令；16位加、減、乘、除指令。68HC11的16位高性能定時器系統(tǒng)，8M晶振，定時器頻率為2MHZ（周期0.5μs），3個輸入捕捉，可測量脈沖數(shù)量，脈沖周期、寬度和相位等；5個輸出比較，可輸出PWM信號，可以完成各種定時控制功能，有定時器溢出中斷功能。高性能定時器是68HC11的特色，機(jī)器人中用輸入捕捉計(jì)碼盤信號，用輸出比較功能控制直流電機(jī)。68HC11的A/D轉(zhuǎn)換器具有8個輸入通道和四個轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器，能夠一次完成四路A/D轉(zhuǎn)換或連續(xù)對同一路采樣轉(zhuǎn)換4次的功能。后一種功能可以方便實(shí)施去掉最大、最小，取均位的濾波方法。機(jī)器人的碰撞傳感器、聲音均使用A/D轉(zhuǎn)換器，非常方便。
2.4傳動結(jié)構(gòu) ——齒輪箱
在機(jī)器人用到的齒輪箱如圖2-4所示，在“能力風(fēng)暴”機(jī)器人上使用的是兩個直流電機(jī)，要將直流電機(jī)固定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成我們所需要的適當(dāng)?shù)乃俣染托枰粋€降速傳動機(jī)構(gòu)，圖中的齒輪箱實(shí)現(xiàn)了這一功能。對于齒輪傳動，傳動比可以用兩個齒輪的齒數(shù)來定義：
Z為主動齒輪的齒數(shù)；Z為從動齒輪的齒數(shù)
輸出的速度可以表達(dá)為：
圖2-4 齒輪箱展開圖
第三章 方案設(shè)計(jì)與論證
3.1 總體設(shè)計(jì)方案
總體方案為：整個電路分為驅(qū)動電機(jī)模塊、紅外尋跡傳感器模塊、單片機(jī)控制模塊、火源傳感器模塊、水泵模塊、電源模塊六個模塊。
首先利用紅外對路面信號進(jìn)行探測，利用火源傳感器檢測火源信號，兩種信號經(jīng)過處理之后，送給單片機(jī)控制模塊進(jìn)行實(shí)時運(yùn)算，輸出相應(yīng)的信號給驅(qū)動電機(jī)模塊驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而控制整個小車的運(yùn)動。系統(tǒng)方案框圖如圖3-2所示。
圖3-2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖
3.2 小車制作方案設(shè)計(jì)與論證
方案1：自己制作電動車 自己制作車體，組裝合適的電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動板，自制探測器，并利用開發(fā)板做控制驅(qū)動小車。但自己制作的小車，車體會比較粗糙，車身重量、平衡，小車的電路設(shè)計(jì)，這些都比較難實(shí)現(xiàn)。
方案2：購買專用電動車 購買專用電動車具有組裝完整的車架車輪，甚至有完整的電機(jī)裝配和電機(jī)驅(qū)動板。用自制探測器或購買完整探測模塊，并用開發(fā)板控制小車運(yùn)動。這種專用電動車裝配緊湊，各種所需電路的安裝十分方便，看起來也比較美觀。而且，用專用電動車具有完整的電機(jī)裝配和電機(jī)驅(qū)動，這用就省去了對電機(jī)傳動和電機(jī)驅(qū)動的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
綜合考慮，本課題選定了方案2作為初步方案。
3.3 驅(qū)動電機(jī)模塊的選定
方案1：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī) 利用步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確定長步進(jìn)性能，方便的實(shí)現(xiàn)調(diào)速和方向的偏轉(zhuǎn)，且能準(zhǔn)確的測量速度、路程以及時間，簡化編程和硬件連接的工作量。但步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度的系統(tǒng)。
方案2：采用直流電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī) 直流電機(jī)的控制方法比較簡單，只需給電機(jī)的兩根控制線加上適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動起來，電壓越高則電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。而且改變正負(fù)極可方便的改變電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向，方便改變小車的行進(jìn)狀態(tài)。對于直流電機(jī)的速度調(diào)高，可以采用改變電壓的方法，也可采用PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速就是使加在直流電機(jī)兩端的電壓為方波形式，通過改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
與其它調(diào)速系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：
1. PWM從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
2. 對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點(diǎn)
3．由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。
4．主電路簡單，所用功率元件少。
5．低速性能好，穩(wěn)定精度高，調(diào)速范圍寬。
綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用了方案2。
3.4 尋跡傳感器模塊的選定
方案1：采用發(fā)光二極管+光敏電阻，該方案缺點(diǎn)明顯：易受外界光源的干擾，主要是因?yàn)榭梢姽獾姆瓷湫Ч乇淼钠教钩潭?，地表材料的反射情況對檢測效果產(chǎn)生直接影響。而且外界的可見光對設(shè)備的影響很大，而且不容易克服外界可見光的干擾。
方案2：采用紅外光電對管，由于只需分辨黑白，紅外光電對管有一個管發(fā)射紅外線一個用于接收紅外線，當(dāng)紅外線照射到黑線上時不會發(fā)射回來，當(dāng)紅外線照射到白色的地方就會返回，光電對管發(fā)射的同時也能接收紅外信號，整個檢測設(shè)備簡單，穩(wěn)定性高，速度快。缺點(diǎn)是檢測距離短，優(yōu)點(diǎn)是成本低，易于操作。
根據(jù)以上分析本課題采用方案2。
3.5 單片機(jī)控制模塊的選定
考慮到整個系統(tǒng)的簡單、方便性，本課題采用能力風(fēng)暴機(jī)器人中68HC11芯片做控制模塊，該芯片有足夠的存儲空間，可以方便的在線ISP下載程序，能夠滿足該系統(tǒng)軟件的需要，該芯片提供了兩個計(jì)數(shù)器中斷，對于本作品系統(tǒng)已經(jīng)足夠，采用該芯片可以比較靈活的選擇各個模塊控制芯片，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出時間，有很好的實(shí)時性。而且68HC11有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，使用簡單，靈活性高且價廉。所有本課題直接采用68HC11作為主控芯片。
3.6 火源傳感器模塊的選定
方案1：采用兩個熱敏電阻作為核心的傳感器，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在一定距離范圍內(nèi)，空氣溫度場變化非常小，熱敏電阻幾乎不發(fā)生任何變化。
方案2：采用兩個光敏電阻作為核心的傳感器，利用光敏電阻對不同距離及不同強(qiáng)度的光照均有較好的光敏特性來將外界光信號轉(zhuǎn)換成電信號，提供給單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)判斷操作。實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)這種方案有很大的缺點(diǎn)，抗干擾能力極差，而且誤差偏大，不能準(zhǔn)確測定火源位置。
方案3：采用紅外接收二極管，紅外接收二極管將外界紅外光的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過 A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號反映為 0~255 范圍內(nèi)的數(shù)字信號。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越小，根據(jù)數(shù)值的變化能判斷紅外光線的強(qiáng)弱,從而能大致判別出火源的遠(yuǎn)近。紅外火焰?zhèn)鞲衅骺梢杂脕硖綔y火源或其它一些波長在760納米～1100納米范圍內(nèi)的熱源，探測角度達(dá)60度，其中紅外光波長在940納米附近時，其靈敏度達(dá)到最大。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)如果環(huán)境中紅外干擾比較少的時候本方案能比較準(zhǔn)確的檢測到火源。
鑒于以上3種方案的比較，本課題選擇方案3。
3.7 滅火模塊的選定
滅火方法是多種多樣的，可采用二氧化碳、水、風(fēng)扇和蓋板等，結(jié)合具體因素，本課題選用了水進(jìn)行滅火，具體詳見第五章。
3.8 電源模塊的選定
在本系統(tǒng)中，需要用到的電源有單片機(jī)的5V和電機(jī)的電源7-25V。所以需要對電源的提供必須正確和穩(wěn)定可靠。
方案1：采用UT-3W提供的電源方案為電機(jī)供電，采用UT-3W提供的電源接口為單片機(jī)提供電源。優(yōu)點(diǎn)：簡單方便。
方案2：用7.2V鋰電池為整個系統(tǒng)供電，再轉(zhuǎn)換為電機(jī)和單片機(jī)需要的電壓。
基于系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮，本課題選擇了方案2。
3.9 最終方案
經(jīng)過仔細(xì)考慮，本課題最終確定了如下方案：
1．車體是購買專用電動車。
2．采用68HC11單片機(jī)作為控制核心。
3．采用7.2V鋰電池供電。
4．用紅外探測傳感器作為尋跡傳感器。
5．采用紅外接收管制作紅外火源傳感器。
6．采用水泵滅火模塊。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-3所示。
圖3-3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
第四章 滅火控制方案與策略
4.1 滅火場地
滅火場地是標(biāo)準(zhǔn)場地，房間的平面結(jié)構(gòu)（圖4-1）是事先已知的，而目標(biāo)是盡快找到并熄滅蠟燭。如果事先知道蠟燭布置的房間，就可以直接走最短的路線，再啟動裝置進(jìn)行滅火。但事實(shí)上，在滅火之前，我們并不知道蠟燭是布置在哪個房間，因此，機(jī)器人需要逐個房間搜索來發(fā)現(xiàn)火源，進(jìn)而滅火。圖中的尺寸是近似的，實(shí)際場地尺寸與之相差在2cm之內(nèi)。
圖4-1 滅火場地平面結(jié)構(gòu)圖（H為機(jī)器人起始位置）
4.2行走方案分析與確定
對于機(jī)器人的行走，我們可以采用多種方案。
方案一：推測航行法，也就是說，如果開始時導(dǎo)向正確可以通過將移動的距離和轉(zhuǎn)過的角度加到原來的位置上來獲得新的位置和方向。這種方法的關(guān)鍵就是事先要知道比賽場地中不同房間的距離。這就需要把機(jī)器人在比賽中所要走的路線全部計(jì)算出來，并需要確保它走的方向、距離以及轉(zhuǎn)過的角度都必須與預(yù)計(jì)路線一致。對于事先知道蠟燭布置房間的情況我們可以預(yù)先編制到每個房間的具體路線程序，如圖4-2所示為進(jìn)入第一個房間的路線：
圖4-2 第一個房間的行走路線
這種方案是將要走的路線的距離、轉(zhuǎn)角順序編制成程序，它不能夠彌補(bǔ)行走過程中由于意外情況產(chǎn)生的誤差。因此，這種方法雖說理論上是一種合理的方法，但實(shí)施過程中會有很多的意外情況發(fā)生，故它并不是一種實(shí)用的方案。
方案二：沿墻壁平移的非推測航行算法，算法基本原理：利用反饋原理，毎隔一段時間對前進(jìn)中的機(jī)器人與右邊墻壁的距離進(jìn)行測量（測量方向不變），如果發(fā)生偏差，就進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時對前進(jìn)中的機(jī)器人與前方墻壁的距離進(jìn)行測量，如果小于一定值，就左轉(zhuǎn)90°轉(zhuǎn)彎前進(jìn)。
這種方案中需要檢測前進(jìn)中的機(jī)器人與右邊及前邊墻壁的距離，再進(jìn)行比較。在能力風(fēng)暴機(jī)器人的一系列擴(kuò)展卡中，也有AS2紅外測距卡，但在調(diào)試過程中測距效果不佳。
方案三：左手或右手規(guī)則行走?！澳芰︼L(fēng)暴”機(jī)器人配有比較完善的傳感器，利用現(xiàn)有的傳感器，紅外傳感器可以檢測障礙，只要檢測出左邊（右邊）沒有障礙物就左轉(zhuǎn)（右轉(zhuǎn)）即可。
綜上所述，因?yàn)榉桨敢徊粔驅(qū)嵱?，方案二中紅外測距卡的測距效果不佳，所以滅火機(jī)器人的行走采用左手規(guī)則行走，利用紅外傳感器檢測障礙，在行進(jìn)中同時檢測是否有火源，如果發(fā)現(xiàn)火源，則調(diào)用靠近火源及滅火程序。如果沒有發(fā)現(xiàn)火源則繼續(xù)行走。若發(fā)生碰撞，就躲避碰撞。但是分析它的行走路線就會發(fā)現(xiàn)第四個小房間是無法進(jìn)入察看的，可以在編程的時候定義一個變量，使它的初始值為0，每走一個房間，變量值加1，如果機(jī)器人在滅火過程中，變量值變成3的話，就改用右手定則，進(jìn)入第四個房間，探測火源，進(jìn)行滅火。
4.3火源定位
在紅外避障以及躲避碰撞完成之后，機(jī)器人在比賽中的行走問題基本解決。其實(shí)，機(jī)器人的行走也是為了尋找火源，要發(fā)現(xiàn)火源，就需要能夠檢測火源的傳感器。
遠(yuǎn)紅外火焰探頭可以用來探測火源或其它一些波長在700nm～1000nm范圍內(nèi)的熱源，探測角度為60°。遠(yuǎn)紅外火焰探頭將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過A/D轉(zhuǎn)換器反映為0～255范圍內(nèi)數(shù)值的變化。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越小；紅外光越弱，數(shù)值越大。
由于遠(yuǎn)紅外火焰探頭有60°的探測角度，距離比較遠(yuǎn)時就能及時發(fā)現(xiàn)火源，但在接近火源的過程中，需要不停的確定火源的位置，本課題采用兩個遠(yuǎn)紅外火焰探頭并聯(lián)，以此來擴(kuò)大機(jī)器人探測角（圖4-3），滿足火焰定位的要求。通過布置在機(jī)器人前部左、右兩邊兩對不同位置的火焰探頭返回?cái)?shù)值的大小關(guān)系，對檢測到的火源值進(jìn)行比較，調(diào)整機(jī)器人的走向，矯正接近火焰的角度及距離。
圖4-3 遠(yuǎn)紅外探頭探測角
在每個房間的門口都會有一條8cm寬的白線，這條白線表示房間的入口。利用這條白線，可以提高尋找火源的效率。當(dāng)檢測到門口白線的時候，機(jī)器人立即停下來對房間進(jìn)行掃描，掃描時機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn)一個角度，檢測房間內(nèi)有沒有火光。如果有，就進(jìn)去。如果沒有，退出來繼續(xù)尋找。一般來說，火焰探頭可視范圍是80cm，在房間入口發(fā)現(xiàn)火光是沒問題的。
4.4傳感器的布置
機(jī)器人的傳感器布置具體如下：
能力風(fēng)暴機(jī)器人原有的紅外傳感器、碰撞傳感器不變，把中間的紅外接收傳感器改裝到稍微偏左，再在右邊對稱的地方加一個紅外接收傳感器，這樣左邊的紅外發(fā)射和接收傳感器用來進(jìn)行左手規(guī)則，右邊的紅外發(fā)射和接收傳感器用來進(jìn)行右手規(guī)則。
在機(jī)器人前端鋁架上布置四個遠(yuǎn)紅外火焰探頭，兩邊各兩個，采用并聯(lián)方式，在機(jī)器人的底盤下面布置一個紅外傳感器，探測每個房間入口處地面上的白線以及火源前面的白線。
第五章 滅火裝置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1滅火方案的確定
滅火方案是多種多樣的，二氧化碳、水、風(fēng)扇、蓋板等。
方案一：采用風(fēng)扇滅火
采用風(fēng)扇滅火需要一個直流電機(jī)和一個風(fēng)扇，用直流電機(jī)帶動風(fēng)扇，可以在機(jī)器人的前端安裝一個支架，在這個支架兩邊可以安裝遠(yuǎn)紅外探頭，用來探測火源，在支架的中間安裝水泵，水泵由電機(jī)帶動，電機(jī)的選擇功率要適中，只要能夠用就可以了，可以選擇一個額定電壓和控制系統(tǒng)輸出的DC7.8V電壓差不多的電機(jī)，這樣就可以省去一些麻煩，額定電壓小的話，要進(jìn)行變壓；大的話還要對電機(jī)提供額外的電源。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)滅火地點(diǎn)的時候主板給出一個信號，接通電路，電機(jī)起動，開始滅火。這種滅火方案比較簡單，但僅用于滅火比賽中，在實(shí)際生活中，這種方案不符合實(shí)際。
方案二：采用二氧化碳滅火器進(jìn)行滅火
滅火原理：二氧化碳滅火劑是一種具有一百多年歷史的滅火劑，價格低廉，獲取、制備容易，其主要依靠窒息作用和部分冷卻作用滅火。二氧化碳具有較高的密度，約為空氣的1.5倍。在常壓下，液態(tài)的二氧化碳會立即汽化，一般1kg的液態(tài)二氧化碳可產(chǎn)生約0.5立方米的氣體。因而，滅火時，二氧化碳?xì)怏w可以排除空氣而包圍在燃燒物體的表面或分布于較密閉的空間中，降低可燃物周圍或防護(hù)空間內(nèi)的氧氣濃度，產(chǎn)生窒息作用而滅火。另外，二氧化碳從儲存容器中噴出時，會由液體迅速汽化成氣體，而從周圍吸引部分熱量，起到冷卻的作用。
采用二氧化碳進(jìn)行滅火需要一個儲氣罐，當(dāng)滅火機(jī)器人到達(dá)滅火地點(diǎn)時，要打開儲氣罐，可以在儲氣罐的罐口安裝一個DC12V二位二通電磁閥，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)火源時電磁閥通電，打開電磁閥，儲氣罐罐口打開，二氧化碳從儲氣罐里噴出，進(jìn)行滅火。二氧化碳滅火器的氣壓回路圖如圖5-1。
電磁閥要求采用DC12V驅(qū)動，而能力風(fēng)暴機(jī)器人上的電池電壓為DC7.8V，需外加一個電源，對其進(jìn)行供電?？刂葡到y(tǒng)輸出的是DC7.8V，而電磁閥工作電壓是DC12V的電壓，為此需要設(shè)計(jì)一個簡單的開關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)高低電壓控制。當(dāng)信號給出時，電磁閥電路接通，二氧化碳從儲氣罐里噴出，進(jìn)行滅火。當(dāng)信號給出時，可以關(guān)閉電磁閥電路，電磁閥關(guān)閉，從而可以實(shí)現(xiàn)DC12V的驅(qū)動。
圖 5-1氣壓回路圖
總結(jié)：考慮到滅火機(jī)器人的實(shí)用性，首選二氧化碳進(jìn)行滅火或水滅火。本課題對滅火方案進(jìn)行了探討，考慮到使用二氧化碳進(jìn)行滅火，但是由于密封設(shè)計(jì)比較困難，被否定了；最后決定使用水滅火，選用水滅火時，可以設(shè)計(jì)一個機(jī)構(gòu)，到達(dá)滅火白線時，直接把水潑到蠟燭上，考慮到機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，本課題最終決定使用水泵進(jìn)行滅火。
5.2水泵滅火裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、水箱 水箱里貯存著水，水箱與水泵用水管連接。在底盤上布置一個鋁架，用來安裝水箱。水箱上面還要安放一個蓋子，防止機(jī)器人在滅火過程發(fā)生碰撞，水箱中的水濺出。
圖5-2水箱和水箱蓋
2、水泵 選用水泵時，選取了微型水泵，水泵是為了給水加壓，使水以一定的速度噴出，這樣就能使噴出的水能夠達(dá)到一定的距離，因而機(jī)器人就不需要非?？拷鹪磥磉M(jìn)行滅火，在實(shí)際應(yīng)用中，符合人性化，降低了危險。
3、噴水槍 噴水槍由槍體、槍套、槍帽、墊片和墊圈組成。槍帽和槍體之間采用螺紋連接，槍帽和槍體外面加了滾花，方便拆裝，槍體的頭部有墊圈，墊圈采用橡膠制成，保證噴水槍的密封性能，槍帽和槍頭之間還加了一個墊片，墊片也是橡膠的，墊片上開個小孔，堵在槍帽的出水口，既能夠加強(qiáng)噴水的壓力，又能夠保證密封性。水槍實(shí)體如圖5-3。
圖5-3 水槍
4、繼電器 在滅火過程中，水泵的啟動由繼電器來控制，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)滅火白線的時候，主板給繼電器一個信號，接通控制電路，水泵啟動。
5、電池 控制系統(tǒng)輸出的是DC7.8V的電壓，而水泵的工作電壓是DC12V電壓，因此在底盤上安裝了一個DC12V的充電電池。
6、控制電路 控制系統(tǒng)輸出信號為DC7.8V電壓，而水泵工作需DC12V電壓，為此需要設(shè)計(jì)一個簡單的開關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)高低電壓控制，如圖5-4，繼電器由控制系統(tǒng)供電，水泵和繼電器兩端的電容起穩(wěn)壓作用。
圖5-4 控制電路
7、水管 水管主要是用于連接水箱和水泵的，還有水泵與噴水槍之間的連接，要求連接處一定要密封好。
8、鋁架 鋁架（圖5-5）兩邊分別安裝兩個遠(yuǎn)紅外探頭（圖5-6），采用并聯(lián)，擴(kuò)大機(jī)器人探測火焰的探測角，中間開一個小孔，用來安裝水槍，最下面一層安放水泵。
圖5-5 噴水支架 圖5-6 遠(yuǎn)紅外探頭
滅火裝置布置圖如下：
圖5-7 滅火裝置布置圖
5.3滅火機(jī)器人外形設(shè)計(jì)
能力風(fēng)暴原機(jī)器人外形為宇宙飛船形，外部包括碰撞環(huán)、底盤、上蓋、液晶顯示器、傳感器和主板等（圖5-8）。
圖5-8 能力風(fēng)暴機(jī)器人原型
在了解能力風(fēng)暴機(jī)器人原型的基礎(chǔ)上，我對之有如下改進(jìn)。在滅火裝置中，加裝了水箱、水管、水泵、噴水槍等零件，再加上鋁架和一些能力風(fēng)暴機(jī)器人的原始
零件構(gòu)成了滅火機(jī)器人的總裝圖，如圖5-9所示：
圖5-9 滅火機(jī)器人總裝圖
第六章 控制程序設(shè)計(jì)
在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，本課題根據(jù)單片機(jī)的具體情況使用Keil C51軟件，采用主流設(shè)計(jì)語言C語言對單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。C語言功能豐富，表達(dá)能力強(qiáng)，目標(biāo)程序效率高，可移植性好，既具有高級語言的優(yōu)點(diǎn)，又具有低級語言的許多特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。
6.1 智能滅火小車系統(tǒng)總體流程
此部分是小車運(yùn)行的核心部分，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用，具有導(dǎo)向和決策的功能。程序控制流程圖如圖6-1所示。
圖6-1 控制流程圖
系統(tǒng)總體流程是：小車進(jìn)入驅(qū)動后，即先判斷是否有火源存在，一旦檢測到有火源，則從出發(fā)點(diǎn)沿著黑白線前進(jìn)接近火源。程序不停的判斷火源位置和行進(jìn)的線路，把相應(yīng)的信號發(fā)送給電動機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)，使小車按照規(guī)定的線路尋找到火源，并將火滅掉。
6.2 程序流程圖
1. 小車滅火的主程序軟件流程圖
如圖6-2所示，首先開始后對小車進(jìn)行初始化，在這個階段讓小車檢測火源，確定自己的位置，同時尋找線路。接著單片機(jī)判斷是否有火源，如果有火源存在，啟動小車尋跡模塊程序，讓小車前進(jìn)，當(dāng)小車找到火源時，停止前進(jìn)，這時開啟滅火水泵，進(jìn)行滅火的操作，這時再判斷是否將火滅掉，如果火已經(jīng)熄滅，則小車?yán)^續(xù)尋找下一個火源，如果沒有熄滅則水泵繼續(xù)開啟。主程序流程圖如圖6-2所示。
圖6-2 程序流程圖
2. 小車尋跡模塊、火源模塊程序軟件流程圖
尋跡模塊程序首先采集尋跡傳感器傳回的信號，判斷當(dāng)前小車所在的位置，如果小車正好在線上，則小車?yán)^續(xù)前進(jìn)；如果小車左側(cè)壓線，說明小車偏左，則小車右拐前進(jìn)；如果小車右側(cè)壓線，說明小車偏右，則小車左拐前進(jìn)；如果小車沒有檢測到黑線，說明前面沒有路，則小車后轉(zhuǎn)180度，返回；如果小車三個傳感器都檢測到黑線，說明小車走到十字路口，則再判斷火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘枴?
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)；如果檢測到火焰在小車的左方，則小車左轉(zhuǎn)90度，沿黑白線繼續(xù)前進(jìn)；如果小車檢測到火焰在小車的右方，則小車右轉(zhuǎn)90度，沿黑白線繼續(xù)前進(jìn)；如果小車檢測到火焰在小車的后方，則小車后轉(zhuǎn)180度，沿黑白線繼續(xù)前進(jìn)。
尋跡模塊程序流程圖如圖6-3所示，火焰?zhèn)鞲衅髂K程序流程圖如圖6-4所示。
圖6-3 尋跡模塊 圖6-4 判斷火源位置模塊
3.逼近火源程序軟件流程圖
當(dāng)遠(yuǎn)紅外探頭探測到火源時，這時機(jī)器人啟動逼近火源程序，逼近火源，當(dāng)機(jī)器人當(dāng)比較靠近火源時，降低行走速度。當(dāng)左遠(yuǎn)紅外探頭返回值大于右遠(yuǎn)紅外探頭返回值時，這時機(jī)器人向右轉(zhuǎn)，因?yàn)榛鹪纯拷鼨C(jī)器人的右邊，當(dāng)?shù)竭_(dá)滅火控制白線時，機(jī)器人停止準(zhǔn)備滅火程序。逼近火源（同時探測是否到達(dá)滅火控制白線）流程圖如下：
圖6-4 逼近火源流程圖
4.逼近火源并啟動水泵滅火軟件流程圖
這個子程序，調(diào)用到上面的逼近火源程序，當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)火源，啟動逼近火源程序，逼近過程中探測到白線，則停止前進(jìn)，開始滅火，為保證滅火可靠，噴水的同時對準(zhǔn)火焰擺動噴頭，當(dāng)左右遠(yuǎn)紅外探頭返回值一樣時，說明火已經(jīng)被撲滅，當(dāng)兩個不一樣時，說明火未被撲滅。若左遠(yuǎn)紅外探頭返回值大于右遠(yuǎn)紅外探頭返回值，機(jī)器人右轉(zhuǎn)一下，繼續(xù)滅火，反之左轉(zhuǎn)，火撲滅后，轉(zhuǎn)到回家程序。流程圖如下：
圖6-5 逼近火源并滅火流程圖
6.3 部分功能代碼
1．小車轉(zhuǎn)向代碼
void run() //電機(jī)啟動
{
P1=0x11;
}
void left() //左轉(zhuǎn)
{
P1=0x13;
}
void right() //右轉(zhuǎn)
{
P1=0x31;
}
void big_right() //右大轉(zhuǎn)
{
P1=0x21;
}
void big_left() //左大轉(zhuǎn)
{
P1=0x12;
}
void stop() //停止
{
P1=0x33;
}
void back() //后退
{
P1=0x22;
}
2．小車尋跡代碼
void track()
{
unsigned char Num;
timer_init();
PWM_ON = 4; //高電平時間檔,共10個檔位
while(1)
{
Num = P2;
Num = Num & 0x07;
P0 = Num | 0xf8; //指示燈
switch(Num)
{
case 0x02: //前進(jìn)
{
run();
STATE_LAST = Num;
}
case 0x04: //左轉(zhuǎn)
{
left();
STATE_LAST = Num;
}
case 0x06: //左大轉(zhuǎn)
{
big_left();
STATE_LAST = Num;
}
case 0x01: //右轉(zhuǎn)
{
right();
STATE_LAST = Num;
}
case 0x03: //右大轉(zhuǎn)
{
big_right();
STATE_LAST = Num;
}
case 0x07: //停止
{
stop();
}
case 0x00: //檢測不到黑線時查看上一個狀態(tài)，并做出判斷
{
if(STATE_LAST == 0x04 || STATE_LAST == 0x06) //左輪后退
{
P1 = 0x02;
}
else if(STATE_LAST == 0x01 || STATE_LAST == 0x03) //右輪后退
{
P1 = 0x20;
}
else if(STATE_LAST == 0x00)
{
left(); //左轉(zhuǎn)尋線
}
else
{
stop();
}
}
default:
{
left();
}
}
}
}
3．PWM調(diào)速代碼
void tim(void) interrupt 1
{
static unsigned char count;
TH0 = (65536 - 100) / 256;
TL0 = (65536 - 100) % 256; //定時0.1mS
if (count == PWM_ON)
{
PWM = 1; //高電平
}
count++;
if(count == 10) //分為10個檔
{
count = 0;
if(PWM_ON != 0)
{
PWM = 0; //低電平
}
}
}
結(jié) 論
歷經(jīng)幾個月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，從最初的資料查找、方案設(shè)計(jì)，經(jīng)過最基本的電路設(shè)計(jì)、調(diào)試過程，再到軟件設(shè)計(jì)、測試，我學(xué)習(xí)了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個過程。從傳感器信號的處理，到單片機(jī)接收并處理信號，再到輸出信號至外部系統(tǒng)，通過該作品的設(shè)計(jì)制作，使我更好的了解了各類傳感器，掌握了光電三極管的使用，并熟悉了單片機(jī)的中斷和定時器的控制，程序中對各種任務(wù)的合理安排，使整體系統(tǒng)能夠更好的協(xié)同工作，增強(qiáng)了自己的動手能力，更好的熟悉的了解了一個單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)過程。
測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)任務(wù)要求，小車采集紅外尋跡傳感器信號探測線路，采集遠(yuǎn)紅外傳感器探測火源，并根據(jù)單片機(jī)控制模塊的分析結(jié)果決策和控制下一步的運(yùn)動形式。該控制系統(tǒng)運(yùn)用了單片機(jī)、紅外尋跡傳感器，直流電機(jī)，PWM調(diào)速，遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鞯燃夹g(shù)，基本實(shí)現(xiàn)了智能滅火小車的要求。
學(xué)習(xí)的過程中雖然遇到很多困難，但經(jīng)過努力克服了困難解決了問題，最終完成了設(shè)計(jì)。
通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深刻地明白了“紙上得來終覺淺”的涵義，沒有實(shí)踐就沒有發(fā)言權(quán)，要想真正理解一件事一定要實(shí)踐，自己動手。深刻認(rèn)識到學(xué)好專業(yè)知識的重要性以及本專業(yè)對實(shí)踐的極大需要，同時這也是對大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果的一個全面檢驗(yàn)。這幾個月的設(shè)計(jì)是對過去所學(xué)知識的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)從開始到現(xiàn)在總共經(jīng)歷了三個月的時間，從剛開始考慮自己題目，然后考慮了一段時間確定了自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，然后查閱相關(guān)資料（包括從專業(yè)課書中，課外書中，網(wǎng)上資料的資料），想到設(shè)計(jì)思路，以及到最后做出來成品，雖然過程很苦，但當(dāng)我看到最后成果時卻很快樂，感覺前面的一切都是值得的。
通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我復(fù)習(xí)了自己四年所學(xué)的專業(yè)知識，增加了自己的動手能力，解決問題的能力，自學(xué)能力，豐富了自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。機(jī)器人滅火比賽其實(shí)就是模擬現(xiàn)實(shí)生活中將來消防機(jī)器人的滅火過程，雖然比賽中的滅火情況簡單了些，但它的現(xiàn)實(shí)意義卻很大，相信不久將來機(jī)器人滅火會在我國普及。
致 謝
光陰似箭，轉(zhuǎn)眼間四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，畢業(yè)設(shè)計(jì)是檢查學(xué)生四年學(xué)習(xí)成果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是對學(xué)生四年學(xué)習(xí)知識的全面總結(jié)和整合。
一學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入最后階段。我的畢業(yè)設(shè)計(jì)是在魏孝斌老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在這里，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師。從選題、查資料，到報(bào)告的修改、完稿，每個階段，老師都給予我最耐心的啟發(fā)和最細(xì)心的指導(dǎo)。每當(dāng)我又不會的問題，不管多煩，魏老師總是很耐心的指導(dǎo)我。對于我犯的一些錯誤，老師沒有責(zé)罵，而是指出錯誤之處并以其淵博的知識，給予我許多有益的建議并分析錯誤的原因，為我解決了一個又一個的難題。從他身上，我不僅學(xué)習(xí)到學(xué)術(shù)知識，更重要的是他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，敏銳的洞察力，尤其是獻(xiàn)身科學(xué)、積極進(jìn)取的精神，將是我終身努力的方向。
在此，感謝母校揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院給予了我四年良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。母校的“求是、求實(shí)、求新、求精”的校風(fēng)將使我一生受用。揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院給了我展示自己和提升自己的舞臺，我會一直以我為揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院的畢業(yè)生而感到驕傲和自豪！
柳輝 滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的研究
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