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廣陵學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
教 科 部： 機(jī)電工程系
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 生 姓 名： 柳輝 學(xué)號(hào)： 100007122
畢業(yè)（論文）題目： 滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制
起 迄 日 期： 2014.02.18～2014.06.10
設(shè)計(jì)（論文）地點(diǎn)：
指 導(dǎo) 老 師： 魏孝斌
專(zhuān) 業(yè) 負(fù) 責(zé) 人： 柳輝
發(fā)任務(wù)書(shū)日期： 2014 年 02 月 18 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的：
機(jī)器人技術(shù)是集機(jī)械、電子、測(cè)試、控制于一體的綜合性的技術(shù)。機(jī)器人目前已經(jīng)涉及到社會(huì)生活的方方面面，將機(jī)器人用于火災(zāi)的預(yù)防與撲滅工作，便是其具體應(yīng)用之一。本課題以“能力風(fēng)暴”智能機(jī)器人為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合實(shí)際生活中火災(zāi)探測(cè)和撲滅的過(guò)程，對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)和控制功能的改造，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自主發(fā)現(xiàn)火源，并能進(jìn)行滅火動(dòng)作的功能，具體內(nèi)容分為兩部分：1. 滅火機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與機(jī)電系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)；2. 滅火控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試。
課題的主要任務(wù)是根據(jù)具體要求，對(duì)機(jī)器人的外圍傳感器以及內(nèi)部控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，是機(jī)器人具有自動(dòng)巡視、探測(cè)火源以及滅火的功能，從而實(shí)現(xiàn)滅火機(jī)器人所應(yīng)具有的基本功能。
2．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
了解機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和控制原理。分析現(xiàn)有機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理，掌握相關(guān)輸入輸出接口的使用方法以及主板功能的拓展。掌握相關(guān)傳感器的性能和使用方法。重新設(shè)置和配置相應(yīng)的傳感器。針對(duì)機(jī)器人滅火過(guò)程中所需達(dá)到的目的，通過(guò)對(duì)可能出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行深入的分析，從而設(shè)計(jì)出較為完善的滅火機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框架和控制策略，并利用相關(guān)的工具進(jìn)行裝配和調(diào)試。
3．對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求（包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、圖表、實(shí)物樣品等）：
1. 分析“能力風(fēng)暴”機(jī)器人的原始結(jié)構(gòu)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，繪制改造后的滅火機(jī)器人裝配圖，以及重要構(gòu)件的零件圖。
2. 分析原有控制系統(tǒng)，并根據(jù)自己所設(shè)計(jì)的控制策略對(duì)其進(jìn)行編程，使其能基本達(dá)到設(shè)定的功能要求，完成相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙；
3. 完成傳感器的安裝調(diào)試，以及控制程序的測(cè)試；
4. 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和使用說(shuō)明書(shū)各一份。
4．主要參考文獻(xiàn)：
1. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，編寫(xiě)組，機(jī)械工業(yè)出版社， 1991.09
2. 機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)，周驥平主編，機(jī)械工業(yè)出版社，2001.08
3. 機(jī)器人學(xué)，熊有倫等編著， 機(jī)械工業(yè)出版社， 1993.10
4. 測(cè)試技術(shù)，尤麗華主編， 機(jī)械工業(yè)出版社 2002.03
5. 傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用，丁鎮(zhèn)生編著，電子工業(yè)出版社，1998.08
6. 能力風(fēng)暴智能機(jī)器人使用手冊(cè)
7. 能力風(fēng)暴智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)系統(tǒng)VJC1.5使用手冊(cè)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
5、本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃
起止日期
工 作 內(nèi) 容
2014.2.18~2014.3.22
2014.3.23~2014.3. 31
2014.4. 1~2014.4.20
2014.4.21~2014.5.10
2014.5. 11~2014.5.31
2014.6.1~2014.6.10
查閱相關(guān)資料，了解能力風(fēng)暴智能機(jī)器人，智能滅火機(jī)械的結(jié)構(gòu)、工作原理，進(jìn)行資料翻譯等工作。
制定控制策略方案及可行性分析，選擇相關(guān)的傳感器。
針對(duì)現(xiàn)有智能機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制改造后的裝配圖，和重要零件的結(jié)構(gòu)圖。
確定控制策略的具體方案，并進(jìn)行傳感器和接口電路的連接。
根據(jù)機(jī)器人控制策略編寫(xiě)相應(yīng)的控制程序，并進(jìn)行整機(jī)測(cè)試。
編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)、使用說(shuō)明書(shū)等，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯；
所在專(zhuān)業(yè)審核意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
學(xué)院意見(jiàn)：
院長(zhǎng)：
年 月 日
滅火機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制
專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 生： 柳 輝
指 導(dǎo) 教 師： 魏 孝 斌
完 成 日 期： 2014-5-30
揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院
揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制
學(xué) 生 姓 名 柳 輝
專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 機(jī)械81001班
指 導(dǎo) 教 師 魏 孝 斌
完 成 日 期 2014 年 5 月 30 日
實(shí)習(xí)報(bào)告
光陰似箭，四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，對(duì)于即將畢業(yè)的大學(xué)生，相較于三年的理論學(xué)習(xí)，畢業(yè)實(shí)習(xí)則是我們大學(xué)期間的最后一門(mén)實(shí)踐課程，在此期間，我們每個(gè)人都迫切希望能夠通過(guò)個(gè)人的親身實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)一下自己四年來(lái)所學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用的針對(duì)性和相應(yīng)掌握的程度如何。
有一名話叫做：不經(jīng)過(guò)風(fēng)雨，怎么見(jiàn)彩虹？我想改一下：不真正進(jìn)入社會(huì)，怎能了解社會(huì)呢？
2014年3月5日至3月31日，我在金壇建明機(jī)械有限公司進(jìn)行了為期20余天的實(shí)習(xí)學(xué)習(xí)，從此踏出了在我人生中關(guān)鍵的一步：從學(xué)校走向社會(huì)開(kāi)始了賺錢(qián)謀生的日子。雖然只是實(shí)習(xí)階段但是也感覺(jué)意義非同一般，喜悅與擔(dān)心并存。在這里我學(xué)到了很多，也得到了各位經(jīng)理的很多幫助，與同事們也很好得相處了一個(gè)半月，這是我人生中的一段美好時(shí)光，也是我在人生歷程中踩下的一個(gè)堅(jiān)實(shí)的腳步。
我在該公司雖然實(shí)習(xí)時(shí)間并不長(zhǎng)，但是我卻學(xué)到了很多學(xué)校中根本接觸不到的東西。通過(guò)這次實(shí)習(xí)不僅讓我體會(huì)到了理論與實(shí)踐的差距和聯(lián)系，人際關(guān)系的協(xié)調(diào)，還讓我豐富了專(zhuān)業(yè)知識(shí)，結(jié)交了很多朋友。
最初幾天主要在生產(chǎn)管理課度過(guò)，該課除了負(fù)責(zé)生產(chǎn)計(jì)劃安排等外還負(fù)責(zé)對(duì)入庫(kù)出庫(kù)產(chǎn)品的品質(zhì)檢驗(yàn)，這是生產(chǎn)加工的第一關(guān)，重要性毋庸置疑。在這幾天中我體會(huì)到了細(xì)心的重要性。首先，東西要輕拿輕放，各種測(cè)量?jī)x器要規(guī)范的使用，在測(cè)量前要把材料表面的油漬擦掉，察看表面是否有裂紋等缺陷，然后才可以進(jìn)行測(cè)量。
接下來(lái)在機(jī)械，鈑金，組立工段的學(xué)習(xí)更多的是和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的結(jié)合了，其中我印象最深的就是數(shù)控機(jī)床了。數(shù)控機(jī)床分為臥式和立式兩種，只需將零件通過(guò)起吊機(jī)夾持到爪盤(pán)上，在操作面板上輸入好各項(xiàng)數(shù)據(jù)坐標(biāo)，機(jī)器自己會(huì)按照內(nèi)置的程序按部就班的推進(jìn)運(yùn)行，完成一系列的加工操作。值得注意的是，數(shù)控機(jī)床是可外部編程的，然后輸入指令來(lái)達(dá)到想要的目的的。這必然要求操作人員有一定的編程能力，由此可見(jiàn)，計(jì)算機(jī)編程絕對(duì)是課程學(xué)習(xí)中不可忽視的存在。在所有機(jī)加工圖紙上，都有精度標(biāo)注。分為三級(jí)：手加工和一般車(chē)床精度，較高的車(chē)床精度（數(shù)控車(chē)床），磨床精度。不同的床負(fù)責(zé)不同的工作，但有時(shí)候又是能一機(jī)多用的。比如鍵槽可由插床或者銑床加工，但是插床精度更高一點(diǎn)。更換了不同刀頭，銑床還能車(chē)平面等等。鈑金部分主要是焊接，而焊接保護(hù)氣體主要有兩種：二氧化碳和氬氣。組立部分我主要了解了涂裝的整個(gè)一個(gè)流程：除油（用堿性溶液），除銹（用酸性溶液），清水清洗，上磷化膜（使油漆附著力增強(qiáng)）。在涂裝的時(shí)候有幾個(gè)原則也必須遵守：內(nèi)表面不涂，裝配表面不涂，從下往上裝，從里往外裝。最后是持續(xù)45-60min的烘干，就完成了整個(gè)涂裝流程。
最后，我還了解到我們所學(xué)的pro_e、cad、soildworks等專(zhuān)業(yè)繪圖軟件在廠里應(yīng)用也很廣泛。
通過(guò)此次實(shí)習(xí)，主要有以下幾點(diǎn)的體會(huì)：
1.走出校門(mén)，踏進(jìn)社會(huì)，不能把自己要求太高，不要眼高手低。
2.多聽(tīng)、多看、多想、多做、少說(shuō)。
3.少埋怨，虛心學(xué)。
4.與他人和睦相處，加強(qiáng)和同事以及他人之間的溝通。
經(jīng)過(guò)這次實(shí)習(xí)，我學(xué)到了很多課本上學(xué)不到的知識(shí)，在就業(yè)心態(tài)上我也有了很大的改變，以前我總是想找一份適合自己愛(ài)好的工作，可是現(xiàn)在我知道找工作很難，要專(zhuān)業(yè)對(duì)口更難，很多東西我們初到社會(huì)才接觸，所以我們現(xiàn)在不能再像以前那樣等待更好的機(jī)會(huì)來(lái)臨，要建立起自己的就業(yè)觀。應(yīng)盡快丟掉對(duì)學(xué)校的依賴(lài)心理， 學(xué)會(huì)在社會(huì)上獨(dú)立，敢于參加與社會(huì)的競(jìng)爭(zhēng)，敢于承受社會(huì)壓力，使自己能夠在社會(huì)上快速成長(zhǎng)。在就是保持一顆思考、學(xué)習(xí)的心。作為一位大學(xué)生，最重要的就是自己的學(xué)習(xí)思考能力。
總之，畢業(yè)實(shí)習(xí)使我獲得了人生第一筆寶貴的工作經(jīng)驗(yàn)，雖然在步入社會(huì)后，還有很多東西要學(xué)習(xí)，很多教訓(xùn)呀要吸收，但我想我已經(jīng)做好了足夠的準(zhǔn)備，無(wú)論是心態(tài)上還是技能上?，F(xiàn)代社會(huì)的競(jìng)爭(zhēng)是殘酷的，但是只要努力的付出，我的職業(yè)生涯就必定會(huì)開(kāi)出希望的花朵，結(jié)出成功的果實(shí)。
揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
學(xué) 生 姓 名： 柳輝 學(xué)號(hào)： 100007122
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
設(shè)計(jì)（論文）題目: 滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制
指 導(dǎo) 老 師： 魏 孝 斌
2014 年 2 月 28 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫(xiě)2000字左右的文獻(xiàn)綜述：
文 獻(xiàn) 綜 述
一、課題的意義和目的
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(shí)，不能快速高效的滅火。為了解決這一問(wèn)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。
從二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始，世界許多國(guó)家都進(jìn)行了消防機(jī)器人的研究。美國(guó)和蘇聯(lián)最早進(jìn)行消防機(jī)器人的研究，而后日本、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家都紛紛開(kāi)展了消防機(jī)器人的研究，目前已有多種不同類(lèi)型的消防機(jī)器人用于各種火災(zāi)場(chǎng)合。
我國(guó)從八十年代末期開(kāi)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(chǎng)，履帶輪式消防滅火偵察機(jī)器人也于 2000 年 6 月通過(guò)了國(guó)家驗(yàn)收。但是，我國(guó)消防機(jī)器人的研究還處在初級(jí)階段，還有許多有待研究的問(wèn)題。比如，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防人員不可能在短時(shí)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(shí)，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時(shí)極易中毒。研制能夠用于這些場(chǎng)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(huì)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(jiàn)的將來(lái)，消防機(jī)器人在功能上會(huì)更具多樣特點(diǎn)，在較多危險(xiǎn)區(qū)域可以完全代替消防員，避免消防員生命傷亡。同時(shí)也應(yīng)該看到，我國(guó)在研究消防機(jī)器人方面較國(guó)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(guò)程，應(yīng)堅(jiān)持自主研制為主，引進(jìn)為輔，提高我國(guó)消防部隊(duì)消防裝備現(xiàn)代化的水平并及時(shí)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(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
二、滅火機(jī)器人的發(fā)展和趨勢(shì)
機(jī)器人技術(shù)作為20世紀(jì)人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一，自60年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷40余年的發(fā)展己取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。
消防機(jī)器人屬于特種機(jī)器人范疇，它作為特種消防設(shè)備可以替代消防隊(duì)員接近火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施有效的滅火救援作業(yè)，開(kāi)展各項(xiàng)火場(chǎng)偵察任務(wù)，尤其是在危險(xiǎn)性大或者消防隊(duì)員不易接近的場(chǎng)合，消防機(jī)器人的應(yīng)用將大大提高消防部門(mén)撲滅惡性火災(zāi)的能力，對(duì)減少?lài)?guó)家財(cái)產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡具有重要的作用。
根據(jù)消防機(jī)器人的滅火要求，應(yīng)具有的基本功能包括以下幾個(gè)方面：行駛電機(jī)的控制、消防噴槍位置的控制、現(xiàn)場(chǎng)信息的采集、數(shù)據(jù)處理與通信等等。消防機(jī)器人往往需要在高溫、強(qiáng)熱輻射、濃煙、地形復(fù)雜、障礙物多、化學(xué)腐蝕、易燃易爆等惡劣環(huán)境中進(jìn)行火場(chǎng)偵察、化學(xué)危險(xiǎn)品探測(cè)、滅火、冷卻、洗消、破拆、救人、啟閉閥門(mén)、搬移物品、堵漏等作業(yè)。因此作為某種特定功能的消防機(jī)器人應(yīng)該具備以下某項(xiàng)或幾項(xiàng)行走和自衛(wèi)功能:爬坡、登梯及障礙物跨越功能,耐溫和抗熱輻射功能,防雨淋功能,防爆、隔爆功能,防化學(xué)腐蝕功能,防電磁干擾功能,遙控功能等。
1. 國(guó)外消防機(jī)器人發(fā)展歷史
目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家正在加快開(kāi)發(fā)具有不同功能的實(shí)用型的第二代消防機(jī)器人和第三代低級(jí)智能化消防機(jī)器人，著手研究第三代高級(jí)智能機(jī)器人。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家把研究開(kāi)發(fā)消防機(jī)器人列入國(guó)家技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，將它作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要保證手段。
日本投入應(yīng)用的消防機(jī)器人最多。一類(lèi)機(jī)器人以?xún)?nèi)燃機(jī)或電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，配置驅(qū)動(dòng)輪或履帶式行駛機(jī)構(gòu)，能爬坡、越障礙；裝有較大噴射流量的消防槍炮，能作俯仰和左右回轉(zhuǎn)；裝有氣體檢測(cè)儀器和電視監(jiān)視設(shè)備；通過(guò)電纜或無(wú)線控制，控制距離最大為100m。另一類(lèi)機(jī)器人為偵察、搶險(xiǎn)機(jī)器人，除裝有氣體檢測(cè)儀器和電視監(jiān)視器設(shè)備外，還裝有機(jī)械手，能通過(guò)遙控處理危險(xiǎn)物品。
美國(guó)已研制出能依靠感覺(jué)信息控制的救災(zāi)智能化機(jī)器人，亞利桑諾州消防部門(mén)研制的消防機(jī)器人，裝有破拆工具和消防水槍?zhuān)芤贿吰撇?，一邊噴射滅火?
2．國(guó)內(nèi)消防機(jī)器人發(fā)展
我國(guó)大約有30家左右的高等院校和研究院所在從事各類(lèi)機(jī)器人的研究工作，自1971年以來(lái)，已在機(jī)器人的感覺(jué)識(shí)別，操作、移動(dòng)技術(shù)，人機(jī)接口技術(shù),智能化技術(shù)等方面取得了可喜的成就。
近年來(lái)，我國(guó)消防機(jī)器人的研制工作得到了政府有關(guān)部門(mén)的支持。1995年上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)公安部上海消防科學(xué)研究所著手研制我國(guó)第一臺(tái)消防機(jī)器人——自行式消防炮，目前該項(xiàng)目已通過(guò)驗(yàn)收并順利進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。
該消防機(jī)器人的研制成功標(biāo)志著我國(guó)第一代（多功能）消防機(jī)器人正式誕生，填補(bǔ)了我國(guó)在消防機(jī)器人領(lǐng)域的空白，其技術(shù)水平達(dá)到了國(guó)際 80 年代中期的消防機(jī)器人水平。
我國(guó)研制和開(kāi)發(fā)消防機(jī)器人提高了我國(guó)消防部隊(duì)消防裝備現(xiàn)代化的水平，提高了我國(guó)消防部隊(duì)在處置大型復(fù)雜火災(zāi)中的作戰(zhàn)效能，提高我國(guó)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，但我國(guó)消防機(jī)器人在無(wú)線遙控領(lǐng)域與技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距。
當(dāng)前消防機(jī)器人的發(fā)展有智能化和專(zhuān)業(yè)化趨勢(shì)，一方面消防機(jī)器人越來(lái)越“聰明”，不僅僅可以通過(guò)無(wú)線人工控制而且能夠根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的情況，在無(wú)人操控的情況下可以做出各種反應(yīng)。另一方面消防機(jī)器人將更加專(zhuān)業(yè)化，由于火災(zāi)情況的多樣性和復(fù)雜性，想只用一種消防機(jī)器人解決所有問(wèn)題是不可能的，消防機(jī)器人的應(yīng)用將出現(xiàn)多樣化和團(tuán)隊(duì)化。比如在一幢大樓的火災(zāi)中，搜索火源和幸存者的偵察機(jī)器人，負(fù)責(zé)救援的機(jī)器人以及負(fù)責(zé)滅火的機(jī)器人可以協(xié)同工作。
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
2．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）：
一、課題的來(lái)源
機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，也同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門(mén)科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類(lèi)自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類(lèi)的發(fā)展隨著人們這種社會(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹?lái)越不斷探討自然過(guò)程中，在改造自然過(guò)程中，認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀需要。 那么什么是機(jī)器人呢？人們一般的理解來(lái)看，機(jī)器人是具有一些類(lèi)似人的功能的機(jī)械電子裝置，或者叫自動(dòng)化裝置，它仍然是個(gè)機(jī)器，它有三個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是有類(lèi)人的功能，比如說(shuō)作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動(dòng)作，它還有一個(gè)特點(diǎn)是根據(jù)人的編程能自動(dòng)的工作，這里一個(gè)顯著的特點(diǎn)，就是它可以編程，改變它的工作、動(dòng)作、工作的對(duì)象，和工作的一些要求，它是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。但從完整的更為深遠(yuǎn)的機(jī)器人定義來(lái)看，應(yīng)該更強(qiáng)調(diào)機(jī)器人智能，所以人們又提出來(lái)機(jī)器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、情感和對(duì)外界一種邏輯判斷思維的這種機(jī)器。那么這給機(jī)器人提出來(lái)更高層次的要求，展望 21 世紀(jì)，機(jī)器人將是一個(gè)與 20 世紀(jì)計(jì)算機(jī)的普及一樣，會(huì)深入地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，在 21 世紀(jì)的前 20 年是機(jī)器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個(gè)重要時(shí)期，也是智能機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期。
二、課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
了解機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和控制原理。分析現(xiàn)有機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本原理，掌握相關(guān)輸入輸出接口的使用方法以及主板功能的拓展。掌握相關(guān)傳感器的性能和使用方法。重新設(shè)置和配置相應(yīng)的傳感器。針對(duì)機(jī)器人滅火過(guò)程中所需達(dá)到的目的，通過(guò)對(duì)可能出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行深入的分析，從而設(shè)計(jì)出較為完善的滅火機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框架和控制策略，并利用相關(guān)的工具進(jìn)行裝配和調(diào)試。
三、課題的設(shè)計(jì)方案
(1) 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，全面了解滅火機(jī)器人的工作原理與結(jié)構(gòu)；
(2) 查閱相關(guān)文獻(xiàn),選擇合適的尋跡傳感器，火焰檢測(cè)模塊，以及避障模塊；
(3) 請(qǐng)教相關(guān)老師選擇好驅(qū)動(dòng)電機(jī)；
(4) 現(xiàn)場(chǎng)參觀相關(guān)機(jī)械，借鑒學(xué)習(xí)機(jī)器人的設(shè)計(jì)；
(5) 請(qǐng)教工廠老師父學(xué)習(xí)了解滅火風(fēng)扇的設(shè)計(jì)與選擇；
(6) 進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，利用C 語(yǔ)言編寫(xiě)控制程序。
四、課題的設(shè)計(jì)手段、工作計(jì)劃及步驟
1、采用的軟件：軟件主要用Pro-e：對(duì)所設(shè)計(jì)的滅火機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體造型
2、設(shè)計(jì)工作計(jì)劃及步驟
2014.2.18~2014.3.22：查閱相關(guān)資料，了解能力風(fēng)暴智能機(jī)器人，智能滅火機(jī)械的結(jié)構(gòu)、工作原理，進(jìn)行資料翻譯等工作。
2014.3.23~2014.3. 31：制定控制策略方案及可行性分析，選擇相關(guān)的傳感器。
2014.4. 1~2014.4.20：針對(duì)現(xiàn)有智能機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，繪制改造后的裝配圖，和重要零件的結(jié)構(gòu)圖。
2014.4.21~2014.5.10：確定控制策略的具體方案，并進(jìn)行傳感器和接口電路的連接。
2014.5. 11~2014.5.25：根據(jù)機(jī)器人控制策略編寫(xiě)相應(yīng)的控制程序，并進(jìn)行整機(jī)測(cè)試。
2014.5.26~2014.6.3: 編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)、使用說(shuō)明書(shū)等，準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯；
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
指導(dǎo)教師意見(jiàn)：
1． 對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)：
2． 對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見(jiàn)和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
指導(dǎo)老師：
年 月 日
所在專(zhuān)業(yè)審查意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
8
機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文資料翻譯
教 科 部： 機(jī)械電子教科部
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
姓 名： 柳輝
學(xué) 號(hào)： 100007122
外 文 出 處：
（用外文寫(xiě)）
附 件： 英文和翻譯
指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ)
簽名：
年 月 日
注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。
28.第一章 電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)
圖1-24是
無(wú)刷直流電機(jī)
與霍爾設(shè)備(HED
)簡(jiǎn)略的爆炸視圖。
此IC能夠感應(yīng)的極性轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)，然后發(fā)送適當(dāng)?shù)男盘?hào)到功率晶體管T1和T2上，以使電機(jī)的轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
運(yùn)行原理如下：
1。當(dāng)轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)，HED檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的北磁極，使它產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，觸發(fā)晶體管T2。這將導(dǎo)致電流流過(guò)，從而激勵(lì)繞組W2形成吸引電磁轉(zhuǎn)子的磁極—南極 。進(jìn)而吸引了轉(zhuǎn)子的北極使得轉(zhuǎn)子繞逆時(shí)針（CCW）方向旋轉(zhuǎn)。
2。轉(zhuǎn)子的慣性使其轉(zhuǎn)過(guò)它的中間位置，HED檢測(cè)轉(zhuǎn)子的南磁極，從而切換到晶體管T1，使在繞組W1中流動(dòng)的電流進(jìn)而形成一個(gè)尋找北定子的磁極，該磁極吸引轉(zhuǎn)子的南極，使其繼續(xù)在CCW方向旋轉(zhuǎn)。晶體管以正確的順序進(jìn)行，以確保在定子繞組W2和W1上的勵(lì)磁總是使得PM轉(zhuǎn)子磁產(chǎn)生所需的扭矩以保持轉(zhuǎn)子在不斷旋轉(zhuǎn)。該 繞組以圍繞著定子的方式通電。
此外在實(shí)際的無(wú)刷電機(jī)中，2或3 HEDS以90或120度間隔開(kāi)。它們把信號(hào)發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)際上觸發(fā)功率晶體管，驅(qū)動(dòng)電樞繞組在指定的電機(jī)電流和電壓電平。
在分解圖圖1-24無(wú)刷電機(jī)說(shuō)明了一個(gè)微型直流無(wú)刷電機(jī)的設(shè)計(jì)，其中包括霍爾效應(yīng)。該定子形成為銅線圈的無(wú)鐵芯套筒與聚合物樹(shù)脂和玻璃纖維粘結(jié)在一起，以形成一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于杯型轉(zhuǎn)子。它被固定在鋼疊片內(nèi)的電動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)。
這種操作方法允許起動(dòng)電流的范圍值和具體轉(zhuǎn)速（rpm/ V）取決于線徑和次數(shù)。各個(gè)終端電阻可以得到，從而允許用戶(hù)用一個(gè)特定的應(yīng)用程序來(lái)選擇最佳的電機(jī)?；魻栃?yīng)傳感器和被磁化的小磁鐵盤(pán)被裝在馬達(dá)殼體內(nèi)的圓盤(pán)狀的分區(qū)。
無(wú)刷電機(jī)中的位置傳感器
這兩個(gè)磁傳感器和解析器可以檢測(cè)到轉(zhuǎn)子在無(wú)刷電機(jī)中的位置。在圖1-25的圖表中顯示了三個(gè)磁傳感器如何檢測(cè)到轉(zhuǎn)子在三相電整流無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的位置。在這個(gè)例子中，磁傳感器位于底鈴電機(jī)的里面。這廉價(jià)的版本足夠滿(mǎn)足簡(jiǎn)單的控制的要求了。
圖1-26所示是另外一種設(shè)計(jì)，當(dāng)需要更高的定位 的精度要求時(shí)，端蓋上的分解器用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。來(lái)自旋轉(zhuǎn)變壓器的高分辨率信號(hào)可以用來(lái)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)控制器內(nèi)的正弦電機(jī)電流。通過(guò)三個(gè)電機(jī)繞組中的電流是獨(dú)立的，分別為120°相位位置。
圖1-25磁傳感器作為轉(zhuǎn)子位置指示器：1-固定無(wú)刷電機(jī)繞組 2-永久磁鐵電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子3-三相電整流場(chǎng) 4-三磁傳感器 5-電子電路板
圖1-26解析器作為轉(zhuǎn)子位置指示器：1-靜止電機(jī)繞組 2-永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子 3-三相電整流場(chǎng) 4-三個(gè)磁傳感器 5-電子電路板
無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)
無(wú)刷直流電機(jī)相對(duì)于有刷流電動(dòng)機(jī)至少有四個(gè)不同的優(yōu)勢(shì)，這歸 于無(wú)刷電機(jī)用電子換向的方式替換機(jī)械式換向。
?沒(méi)有必要更換刷子或從馬達(dá)上刪除引起的電刷磨損的堅(jiān)韌不拔的殘留物。
?無(wú)電刷引起電弧，無(wú)刷電機(jī)就不能在易燃或存在爆炸性氣體，灰塵或液體的環(huán)境中產(chǎn)生火和爆炸的可能。
?通過(guò)替換機(jī)械換向使電磁干擾（EMI）最小化，用電子換向不需要的無(wú)線電頻率源。
?用電子換向的無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行速度更快，更有效。可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)50,000 RPM轉(zhuǎn)速的相當(dāng)于約5000rpm旋轉(zhuǎn)刷式直流馬達(dá)的上限。
無(wú)刷直流電機(jī)的劣勢(shì)
無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)的至少四個(gè)缺點(diǎn)
?無(wú)刷永磁直流伺服電機(jī)不能簡(jiǎn)單的通過(guò)扭轉(zhuǎn)電源的極性反轉(zhuǎn)。供給到所述勵(lì)磁線圈的電流的順序必須被扭轉(zhuǎn)。
?無(wú)刷直流伺服電機(jī)的成本比同等有刷直流伺服電機(jī)高。
?需要額外的系統(tǒng)布線給電子換向電路供電。
?運(yùn)動(dòng)控制器和驅(qū)動(dòng)器電子需要操作一個(gè)無(wú)刷直流伺服電機(jī)，這個(gè)比常規(guī)直流伺服電動(dòng)機(jī)是更復(fù)雜更昂貴
因此，一個(gè)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的選擇通?；谔囟ǖ膽?yīng)用需求或危險(xiǎn)的操作環(huán)境。
無(wú)刷旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的特性
由于各種各樣的市售產(chǎn)品的電機(jī)，很難對(duì)直流特性旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)進(jìn)行總結(jié)。
然而，他們通常提供0.62磅 - 英尺的連續(xù)轉(zhuǎn)矩額定值（0.84米）至5.0磅 - 英尺（6.8米），1.9磅 - 英尺的峰值扭矩額定值（2.6 納米）到14磅 - 英尺（19牛米），和0.73馬力的連續(xù)額定功率 （0.54千瓦），以2.76馬力（2.06千瓦）。最高速度可以從1400變化到7500轉(zhuǎn)，并且這些馬達(dá)的重量可以從5.0磅（2.3千克）到23磅（10公斤）。反饋通?？梢允怯山馕銎骰蚓幋a器獲得。
直線伺服電機(jī)
線性馬達(dá)基本上是一個(gè)放在一個(gè)平面上的回轉(zhuǎn)馬達(dá)，但是它運(yùn)行原則一樣。一種永久磁鐵直流線性馬達(dá)類(lèi)似于一個(gè)永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，同時(shí)一個(gè)
交流異步鼠籠電機(jī)類(lèi)似于感應(yīng)直線電機(jī)。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生扭矩的電磁力同樣可以在線性馬達(dá)產(chǎn)生相同的扭矩。線性馬達(dá)的控制方法一樣并且使用可編程的位置控制器作為旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
圖1-27為一線性伺服電機(jī)的運(yùn)行原則
在直線電機(jī)未發(fā)明出來(lái)之前，只有使用氣動(dòng)或液壓缸，或用滾珠螺桿或皮帶和滑輪才能實(shí)現(xiàn)線性運(yùn)動(dòng)。滾珠螺桿或皮帶和皮帶輪。
線性馬達(dá)有兩個(gè)機(jī)械組件：線圈和磁鐵，如圖1-27 。繞組中的電流在磁通場(chǎng)中流動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)力。銅繞組傳導(dǎo)電流（ I），同時(shí)組件生成的磁通密度（B）。當(dāng)電流和磁通密度互動(dòng)，一個(gè)力（F）在如圖1-27所示的方向產(chǎn)生，其中F = I *B。
即使是很小的電機(jī)運(yùn)行也會(huì)有效率，并且如果線圈圈數(shù)很多，磁鐵磁力很強(qiáng)可以產(chǎn)生很大一個(gè)力。除了繞組的相差120度電位，它們還必須不斷地切換或換向，以維持運(yùn)動(dòng)。
這里僅討論閉環(huán)伺服系統(tǒng)無(wú)刷直線電動(dòng)機(jī)。這些電機(jī)中有兩種類(lèi)型可在市場(chǎng)中購(gòu)買(mǎi)到：鋼芯（也稱(chēng)為鐵心）和環(huán)氧核心（也稱(chēng)為 無(wú)鐵芯） 。這些線性伺服電機(jī)具有的特點(diǎn)和特性在不同的應(yīng)用擇優(yōu)選擇。
鋼芯電機(jī)的線圈繞在硅鋼上的目的是使用磁體組或其他方法產(chǎn)生的力最大化。圖1-28是一個(gè)鋼芯無(wú)刷直線電機(jī)。在這些電機(jī)的鋼機(jī)構(gòu)集中于用磁通產(chǎn)生非常高的力密度。磁體組件包括安裝 在鋼基片的上表面上的稀土磁鐵棒，它們被設(shè)置成具有交替 極性（即，N，S，N，S）。
柳輝 滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制
摘要
面對(duì)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(chē)去現(xiàn)場(chǎng)來(lái)完成相應(yīng)的任務(wù)。因此研究和開(kāi)發(fā)智能小車(chē)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(guò)紅外光電傳感器檢測(cè)路徑信息、紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)火源的智能尋跡滅火小車(chē)。本系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、尋跡傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)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(chē)可以在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的場(chǎng)地上實(shí)現(xiàn)自主發(fā)現(xiàn)火源，自主識(shí)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：?jiǎn)纹瑱C(jī) ，小車(chē)，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(lái)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(shí) 4
2.4傳動(dòng)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(chē)的制作方案設(shè)計(jì)與論證 6
3.3驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(chē)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(lái)源與意義
隨著時(shí)代的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)不是一個(gè)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(duì)我們這代人來(lái)說(shuō)印象最深刻的就要是風(fēng)靡一時(shí)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(gè)個(gè)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(lái)說(shuō)，我國(guó)的“蛟龍”號(hào)探測(cè)機(jī)器人就發(fā)揮著人類(lèi)無(wú)法替代的作用（人類(lèi)無(wú)法承受深水下巨大的水壓）；再如我國(guó)的“嫦娥”號(hào)探月機(jī)器人更是凝聚全國(guó)人民的心血，象征了華夏民族偉大的智慧的結(jié)晶?？傊?，如今的時(shí)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(shí)，不能快速高效的滅火。為了解決這一問(wèn)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(huì)及研究中心。利用各類(lèi)機(jī)器人平臺(tái)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(lái)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(tái)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(kāi)始，世界許多國(guó)家都進(jìn)行了消防機(jī)器人的研究。美國(guó)和蘇聯(lián)最早進(jìn)行消防機(jī)器人的研究，而后日本、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家都紛紛開(kāi)展了消防機(jī)器人的研究，目前已有多種不同類(lèi)型的消防機(jī)器人用于各種火災(zāi)場(chǎng)合。
我國(guó)從八十年代末期開(kāi)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(chǎng)，履帶輪式消防滅火偵察機(jī)器人也于 2000 年 6 月通過(guò)了國(guó)家驗(yàn)收。但是，我國(guó)消防機(jī)器人的研究還處在初級(jí)階段，還有許多有待研究的問(wèn)題。比如，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防人員不可能在短時(shí)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(shí)，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時(shí)極易中毒。研制能夠用于這些場(chǎng)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(huì)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(jiàn)的將來(lái)，消防機(jī)器人在功能上會(huì)更具多樣特點(diǎn)，在較多危險(xiǎn)區(qū)域可以完全代替消防員，避免消防員生命傷亡。同時(shí)也應(yīng)該看到，我國(guó)在研究消防機(jī)器人方面較國(guó)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(guò)程，應(yīng)堅(jiān)持自主研制為主，引進(jìn)為輔，提高我國(guó)消防部隊(duì)消防裝備現(xiàn)代化的水平并及時(shí)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(guó)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(kāi)發(fā)平臺(tái)，圍繞控制機(jī)器人迅速穩(wěn)定的完成滅火任務(wù)，測(cè)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(shí)
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，首先我們要對(duì)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(gè)模擬口，5個(gè)輸入捕捉，3個(gè)PWM輸出，16位地址，8位數(shù)據(jù)總線，串口，以及4個(gè)通用I/O。
68HC11的CPU有兩個(gè)8位累加器，兩個(gè)16位變址寄存器、一個(gè)8位條件寄存器，一個(gè)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(shí)器系統(tǒng)，8M晶振，定時(shí)器頻率為2MHZ（周期0.5μs），3個(gè)輸入捕捉，可測(cè)量脈沖數(shù)量，脈沖周期、寬度和相位等；5個(gè)輸出比較，可輸出PWM信號(hào)，可以完成各種定時(shí)控制功能，有定時(shí)器溢出中斷功能。高性能定時(shí)器是68HC11的特色，機(jī)器人中用輸入捕捉計(jì)碼盤(pán)信號(hào)，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(gè)輸入通道和四個(gè)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(duì)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(dòng)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(gè)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€(gè)降速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，圖中的齒輪箱實(shí)現(xiàn)了這一功能。對(duì)于齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比可以用兩個(gè)齒輪的齒數(shù)來(lái)定義：
Z為主動(dòng)齒輪的齒數(shù)；Z為從動(dòng)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(kāi)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(gè)電路分為驅(qū)動(dòng)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(gè)模塊。
首先利用紅外對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，利用火源傳感器檢測(cè)火源信號(hào)，兩種信號(hào)經(jīng)過(guò)處理之后，送給單片機(jī)控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，輸出相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)。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(chē)制作方案設(shè)計(jì)與論證
方案1：自己制作電動(dòng)車(chē) 自己制作車(chē)體，組裝合適的電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，自制探測(cè)器，并利用開(kāi)發(fā)板做控制驅(qū)動(dòng)小車(chē)。但自己制作的小車(chē)，車(chē)體會(huì)比較粗糙，車(chē)身重量、平衡，小車(chē)的電路設(shè)計(jì)，這些都比較難實(shí)現(xiàn)。
方案2：購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)用電動(dòng)車(chē) 購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)用電動(dòng)車(chē)具有組裝完整的車(chē)架車(chē)輪，甚至有完整的電機(jī)裝配和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。用自制探測(cè)器或購(gòu)買(mǎi)完整探測(cè)模塊，并用開(kāi)發(fā)板控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)。這種專(zhuān)用電動(dòng)車(chē)裝配緊湊，各種所需電路的安裝十分方便，看起來(lái)也比較美觀。而且，用專(zhuān)用電動(dòng)車(chē)具有完整的電機(jī)裝配和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這用就省去了對(duì)電機(jī)傳動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)電機(jī) 利用步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確定長(zhǎng)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(cè)量速度、路程以及時(shí)間，簡(jiǎn)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(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車(chē)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(dòng)電機(jī) 直流電機(jī)的控制方法比較簡(jiǎn)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(dòng)起來(lái)，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(dòng)的方向，方便改變小車(chē)的行進(jìn)狀態(tài)。對(duì)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(guò)改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
2. 對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)
3．由于電力電子器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。
4．主電路簡(jiǎn)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?jiàn)光的反射效果跟地表的平坦程度，地表材料的反射情況對(duì)檢測(cè)效果產(chǎn)生直接影響。而且外界的可見(jiàn)光對(duì)設(shè)備的影響很大，而且不容易克服外界可見(jiàn)光的干擾。
方案2：采用紅外光電對(duì)管，由于只需分辨黑白，紅外光電對(duì)管有一個(gè)管發(fā)射紅外線一個(gè)用于接收紅外線，當(dāng)紅外線照射到黑線上時(shí)不會(huì)發(fā)射回來(lái)，當(dāng)紅外線照射到白色的地方就會(huì)返回，光電對(duì)管發(fā)射的同時(shí)也能接收紅外信號(hào)，整個(gè)檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，速度快。缺點(diǎn)是檢測(cè)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(gè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(chǔ)空間，可以方便的在線ISP下載程序，能夠滿(mǎn)足該系統(tǒng)軟件的需要，該芯片提供了兩個(gè)計(jì)數(shù)器中斷，對(duì)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(gè)模塊控制芯片，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出時(shí)間，有很好的實(shí)時(shí)性。而且68HC11有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，使用簡(jiǎn)單，靈活性高且價(jià)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(gè)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(chǎng)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(gè)光敏電阻作為核心的傳感器，利用光敏電阻對(duì)不同距離及不同強(qiáng)度的光照均有較好的光敏特性來(lái)將外界光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，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(cè)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(guò) A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)反映為 0~255 范圍內(nèi)的數(shù)字信號(hào)。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?lái)探測(cè)火源或其它一些波長(zhǎng)在760納米～1100納米范圍內(nèi)的熱源，探測(cè)角度達(dá)60度，其中紅外光波長(zhǎng)在940納米附近時(shí)，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(shí)候本方案能比較準(zhǔn)確的檢測(cè)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(jiàn)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(duì)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(jiǎn)單方便。
方案2：用7.2V鋰電池為整個(gè)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(guò)仔細(xì)考慮，本課題最終確定了如下方案：
1．車(chē)體是購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)用電動(dòng)車(chē)。
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(cè)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(chǎng)地
滅火場(chǎng)地是標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)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(dòng)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(gè)房間，因此，機(jī)器人需要逐個(gè)房間搜索來(lái)發(fā)現(xiàn)火源，進(jìn)而滅火。圖中的尺寸是近似的，實(shí)際場(chǎng)地尺寸與之相差在2cm之內(nèi)。
圖4-1 滅火場(chǎng)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(duì)于機(jī)器人的行走，我們可以采用多種方案。
方案一：推測(cè)航行法，也就是說(shuō)，如果開(kāi)始時(shí)導(dǎo)向正確可以通過(guò)將移動(dòng)的距離和轉(zhuǎn)過(guò)的角度加到原來(lái)的位置上來(lái)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(chǎng)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(lái)，并需要確保它走的方向、距離以及轉(zhuǎn)過(guò)的角度都必須與預(yù)計(jì)路線一致。對(duì)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(gè)房間的具體路線程序，如圖4-2所示為進(jìn)入第一個(gè)房間的路線：
圖4-2 第一個(gè)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(guò)程中由于意外情況產(chǎn)生的誤差。因此，這種方法雖說(shuō)理論上是一種合理的方法，但實(shí)施過(guò)程中會(huì)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(cè)航行算法，算法基本原理：利用反饋原理，毎隔一段時(shí)間對(duì)前進(jìn)中的機(jī)器人與右邊墻壁的距離進(jìn)行測(cè)量（測(cè)量方向不變），如果發(fā)生偏差，就進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)對(duì)前進(jìn)中的機(jī)器人與前方墻壁的距離進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)距卡，但在調(diào)試過(guò)程中測(cè)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(cè)障礙，只要檢測(cè)出左邊（右邊）沒(méi)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(cè)距卡的測(cè)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(cè)障礙，在行進(jìn)中同時(shí)檢測(cè)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(méi)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(huì)發(fā)現(xiàn)第四個(gè)小房間是無(wú)法進(jìn)入察看的，可以在編程的時(shí)候定義一個(gè)變量，使它的初始值為0，每走一個(gè)房間，變量值加1，如果機(jī)器人在滅火過(guò)程中，變量值變成3的話，就改用右手定則，進(jìn)入第四個(gè)房間，探測(cè)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(wèn)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(cè)火源的傳感器。
遠(yuǎn)紅外火焰探頭可以用來(lái)探測(cè)火源或其它一些波長(zhǎng)在700nm～1000nm范圍內(nèi)的熱源，探測(cè)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(guò)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(cè)角度，距離比較遠(yuǎn)時(shí)就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)火源，但在接近火源的過(guò)程中，需要不停的確定火源的位置，本課題采用兩個(gè)遠(yuǎn)紅外火焰探頭并聯(lián)，以此來(lái)擴(kuò)大機(jī)器人探測(cè)角（圖4-3），滿(mǎn)足火焰定位的要求。通過(guò)布置在機(jī)器人前部左、右兩邊兩對(duì)不同位置的火焰探頭返回?cái)?shù)值的大小關(guān)系，對(duì)檢測(cè)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(cè)角
在每個(gè)房間的門(mén)口都會(huì)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(cè)到門(mén)口白線的時(shí)候，機(jī)器人立即停下來(lái)對(duì)房間進(jìn)行掃描，掃描時(shí)機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，檢測(cè)房間內(nèi)有沒(méi)有火光。如果有，就進(jìn)去。如果沒(méi)有，退出來(lái)繼續(xù)尋找。一般來(lái)說(shuō)，火焰探頭可視范圍是80cm，在房間入口發(fā)現(xiàn)火光是沒(méi)問(wèn)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(duì)稱(chēng)的地方加一個(gè)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(lái)進(jìn)行左手規(guī)則，右邊的紅外發(fā)射和接收傳感器用來(lái)進(jìn)行右手規(guī)則。
在機(jī)器人前端鋁架上布置四個(gè)遠(yuǎn)紅外火焰探頭，兩邊各兩個(gè)，采用并聯(lián)方式，在機(jī)器人的底盤(pán)下面布置一個(gè)紅外傳感器，探測(cè)每個(gè)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(gè)直流電機(jī)和一個(gè)風(fēng)扇，用直流電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇，可以在機(jī)器人的前端安裝一個(gè)支架，在這個(gè)支架兩邊可以安裝遠(yuǎn)紅外探頭，用來(lái)探測(cè)火源，在支架的中間安裝水泵，水泵由電機(jī)帶動(dòng)，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(gè)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(duì)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(shí)候主板給出一個(gè)信號(hào)，接通電路，電機(jī)起動(dòng)，開(kāi)始滅火。這種滅火方案比較簡(jiǎn)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(jià)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(huì)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(shí)，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?chē)蚍雷o(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(chǔ)存容器中噴出時(shí)，會(huì)由液體迅速汽化成氣體，而從周?chē)糠譄崃?，起到冷卻的作用。
采用二氧化碳進(jìn)行滅火需要一個(gè)儲(chǔ)氣罐，當(dāng)滅火機(jī)器人到達(dá)滅火地點(diǎn)時(shí)，要打開(kāi)儲(chǔ)氣罐，可以在儲(chǔ)氣罐的罐口安裝一個(gè)DC12V二位二通電磁閥，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)火源時(shí)電磁閥通電，打開(kāi)電磁閥，儲(chǔ)氣罐罐口打開(kāi)，二氧化碳從儲(chǔ)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(dòng)，而能力風(fēng)暴機(jī)器人上的電池電壓為DC7.8V，需外加一個(gè)電源，對(duì)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(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)高低電壓控制。當(dāng)信號(hào)給出時(shí)，電磁閥電路接通，二氧化碳從儲(chǔ)氣罐里噴出，進(jìn)行滅火。當(dāng)信號(hào)給出時(shí)，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(dòng)。
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(duì)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(shí)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)，到達(dá)滅火白線時(shí)，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(pán)上布置一個(gè)鋁架，用來(lái)安裝水箱。水箱上面還要安放一個(gè)蓋子，防止機(jī)器人在滅火過(guò)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(shí)，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?lái)進(jìn)行滅火，在實(shí)際應(yīng)用中，符合人性化，降低了危險(xiǎn)。
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(gè)墊片，墊片也是橡膠的，墊片上開(kāi)個(gè)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(guò)程中，水泵的啟動(dòng)由繼電器來(lái)控制，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)滅火白線的時(shí)候，主板給繼電器一個(gè)信號(hào)，接通控制電路，水泵啟動(dòng)。
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(pán)上安裝了一個(gè)DC12V的充電電池。
6、控制電路 控制系統(tǒng)輸出信號(hào)為DC7.8V電壓，而水泵工作需DC12V電壓，為此需要設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)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(gè)遠(yuǎn)紅外探頭（圖5-6），采用并聯(lián)，擴(kuò)大機(jī)器人探測(cè)火焰的探測(cè)角，中間開(kāi)一個(gè)小孔，用來(lái)安裝水槍?zhuān)钕旅嬉粚影卜潘谩?
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(pán)、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(duì)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(shí)，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(yǔ)言C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。C語(yǔ)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(jí)語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，又具有低級(jí)語(yǔ)言的許多特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。
6.1 智能滅火小車(chē)系統(tǒng)總體流程
此部分是小車(chē)運(yùn)行的核心部分，起著控制小車(chē)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(chē)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)后，即先判斷是否有火源存在，一旦檢測(cè)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(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車(chē)的狀態(tài)，使小車(chē)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(chē)滅火的主程序軟件流程圖
如圖6-2所示，首先開(kāi)始后對(duì)小車(chē)進(jìn)行初始化，在這個(gè)階段讓小車(chē)檢測(cè)火源，確定自己的位置，同時(shí)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(dòng)小車(chē)尋跡模塊程序，讓小車(chē)前進(jìn)，當(dāng)小車(chē)找到火源時(shí)，停止前進(jìn)，這時(shí)開(kāi)啟滅火水泵，進(jìn)行滅火的操作，這時(shí)再判斷是否將火滅掉，如果火已經(jīng)熄滅，則小車(chē)?yán)^續(xù)尋找下一個(gè)火源，如果沒(méi)有熄滅則水泵繼續(xù)開(kāi)啟。主程序流程圖如圖6-2所示。
圖6-2 程序流程圖
2. 小車(chē)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(hào)，判斷當(dāng)前小車(chē)所在的位置，如果小車(chē)正好在線上，則小車(chē)?yán)^續(xù)前進(jìn)；如果小車(chē)左側(cè)壓線，說(shuō)明小車(chē)偏左，則小車(chē)右拐前進(jìn)；如果小車(chē)右側(cè)壓線，說(shuō)明小車(chē)偏右，則小車(chē)左拐前進(jìn)；如果小車(chē)沒(méi)有檢測(cè)到黑線，說(shuō)明前面沒(méi)有路，則小車(chē)后轉(zhuǎn)180度，返回；如果小車(chē)三個(gè)傳感器都檢測(cè)到黑線，說(shuō)明小車(chē)走到十字路口，則再判斷火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘?hào)。
如果火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘?hào)顯示火焰在小車(chē)的前方，則小車(chē)?yán)^續(xù)前進(jìn)；如果檢測(cè)到火焰在小車(chē)的左方，則小車(chē)左轉(zhuǎn)90度，沿黑白線繼續(xù)前進(jìn)；如果小車(chē)檢測(cè)到火焰在小車(chē)的右方，則小車(chē)右轉(zhuǎn)90度，沿黑白線繼續(xù)前進(jìn)；如果小車(chē)檢測(cè)到火焰在小車(chē)的后方，則小車(chē)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(cè)到火源時(shí)，這時(shí)機(jī)器人啟動(dòng)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(shí)，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(shí)，這時(shí)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(shí)，機(jī)器人停止準(zhǔn)備滅火程序。逼近火源（同時(shí)探測(cè)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(dòng)水泵滅火軟件流程圖
這個(gè)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(dòng)逼近火源程序，逼近過(guò)程中探測(cè)到白線，則停止前進(jìn)，開(kāi)始滅火，為保證滅火可靠，噴水的同時(shí)對(duì)準(zhǔn)火焰擺動(dòng)噴頭，當(dāng)左右遠(yuǎn)紅外探頭返回值一樣時(shí)，說(shuō)明火已經(jīng)被撲滅，當(dāng)兩個(gè)不一樣時(shí)，說(shuō)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(chē)轉(zhuǎn)向代碼
void run() //電機(jī)啟動(dòng)
{
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(chē)尋跡代碼
void track()
{
unsigned char Num;
timer_init();
PWM_ON = 4; //高電平時(shí)間檔,共10個(gè)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(cè)不到黑線時(shí)查看上一個(gè)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(shí)0.1mS
if (count == PWM_ON)
{
PWM = 1; //高電平
}
count++;
if(count == 10) //分為10個(gè)檔
{
count = 0;
if(PWM_ON != 0)
{
PWM = 0; //低電平
}
}
}
結(jié) 論
歷經(jīng)幾個(gè)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(guò)最基本的電路設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程，再到軟件設(shè)計(jì)、測(cè)試，我學(xué)習(xí)了單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。從傳感器信號(hào)的處理，到單片機(jī)接收并處理信號(hào)，再到輸出信號(hào)至外部系統(tǒng)，通過(guò)該作品的設(shè)計(jì)制作，使我更好的了解了各類(lèi)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(shí)器的控制，程序中對(duì)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(dòng)手能力，更好的熟悉的了解了一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。
測(cè)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(chē)采集紅外尋跡傳感器信號(hào)探測(cè)線路，采集遠(yuǎn)紅外傳感器探測(cè)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(dòng)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(chē)的要求。
學(xué)習(xí)的過(guò)程中雖然遇到很多困難，但經(jīng)過(guò)努力克服了困難解決了問(wèn)題，最終完成了設(shè)計(jì)。
通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深刻地明白了“紙上得來(lái)終覺(jué)淺”的涵義，沒(méi)有實(shí)踐就沒(méi)有發(fā)言權(quán)，要想真正理解一件事一定要實(shí)踐，自己動(dòng)手。深刻認(rèn)識(shí)到學(xué)好專(zhuān)業(yè)知識(shí)的重要性以及本專(zhuān)業(yè)對(duì)實(shí)踐的極大需要，同時(shí)這也是對(duì)大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果的一個(gè)全面檢驗(yàn)。這幾個(gè)月的設(shè)計(jì)是對(duì)過(guò)去所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過(guò)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(kāi)始到現(xiàn)在總共經(jīng)歷了三個(gè)月的時(shí)間，從剛開(kāi)始考慮自己題目，然后考慮了一段時(shí)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(zhuān)業(yè)課書(shū)中，課外書(shū)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(lái)成品，雖然過(guò)程很苦，但當(dāng)我看到最后成果時(shí)卻很快樂(lè)，感覺(jué)前面的一切都是值得的。
通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我復(fù)習(xí)了自己四年所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，增加了自己的動(dòng)手能力，解決問(wèn)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(lái)消防機(jī)器人的滅火過(guò)程，雖然比賽中的滅火情況簡(jiǎn)單了些，但它的現(xiàn)實(shí)意義卻很大，相信不久將來(lái)機(jī)器人滅火會(huì)在我國(guó)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(duì)學(xué)生四年學(xué)習(xí)知識(shí)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(gè)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(huì)的問(wèn)題，不管多煩，魏老師總是很耐心的指導(dǎo)我。對(duì)于我犯的一些錯(cuò)誤，老師沒(méi)有責(zé)罵，而是指出錯(cuò)誤之處并以其淵博的知識(shí)，給予我許多有益的建議并分析錯(cuò)誤的原因，為我解決了一個(gè)又一個(gè)的難題。從他身上，我不僅學(xué)習(xí)到學(xué)術(shù)知識(shí)，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(tái)，我會(huì)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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