灭火机器人设计

灭火机器人设计

葛云涛，徐俊杰，张传金

中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 (221008)

E-mail:geyt86@163.com

摘 要: 在我国, 机器人技术基础教育起步较晚，但在北京、上海、广州等大城市，已经举办了多届机器人足球和灭火比赛。针对目前国内外机器人发展趋势，借鉴已有平台，开发了比赛用灭火机器人。在灭火规则前提下，以Motorola68HC11作为CPU，SN7410作为电机驱动模块，避障、灰度和火焰传感器作为检测模块，组成灭火机器人的硬件部分；在VJC1.5的编译环境下设计程序，反复调试后，实现机器人对火焰的自动搜寻、灭火及回家。 关键词: 灭火；Motorola68HC11；机器人 中图分类号：TP242

1．引言

一直以来，恶劣环境下的工作一直影响着人们的身心健康，很多人希望用机器来取代人类繁杂的体力劳动，这种迫切的需要促使机器人诞生。此后，机器人广泛应用于各个领域。我国从八十年代末就开始研制消防机器人了。但是，我国消防机器人的研究还处在初级阶段，还有许多问题有待解决。

通过机器人比赛，模拟火灾现场，研制出能够用于这些场合的灭火机器人，能够在恶劣的环境下工作，协助消防人员进行火灾的定位和灭火，不仅能提高灭火的准确性，还能保证消防人员的安全，将有极大的社会意义。

2．总方案设计

根据机器人灭火竞赛规则,设计了基于广茂达公司的能力风暴AS-II竞赛灭火机器人的硬件结构设计和软件设计。以Motorola公司的M68HC11为控制芯片,利用红外传感器、光敏传感器对环境进行检测,驱动电机,使机器人在场地中按照预定的方案寻找火源并扑灭。

2.1 设计要求

比赛时用一个规定的场地来模拟现实中的房子，用一根蜡烛来模拟火源。机器人必须在这个模拟场地中规定的起点出发，在四个房间中寻找燃烧的蜡烛并将其熄灭。下图为一个标准的机器人灭火比赛场地：

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图2-1 灭火比赛场地图

机器人灭火比赛是从图中所示的“H”代表起始位置的圆圈开始。30cm 直径的白色圆圈在 46cm 走廊的中心，机器人必须在圆圈中启动。比赛时蜡烛会随机的摆放在其中一个房间内的某个角落（上图中红色区域）。

2.2 总体设计方案

由上述任务要求可知，要完成规定的功能，从原理上可以将机器人划分为五个主要功能模块：传感模块、控制模块、驱动模块、灭火模块、电源模块。这些功能模块在核心控制器的管理下，相互支持、协调工作，使整个系统完成即定的目标，下图为总框图。

图2-2 总框图

根据模块化设计思想，按照比赛要求，系统应由以下五个功能模块组成：控制模块、传感模块、驱动模块、灭火模块、电源模块。原理框图如下图2-3所示。

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图2-3 原理框图

控制模块是整个系统的核心，一方面，它对红外接收管接收到的信号进行判断，确保机器人能在不碰壁的情况下运动，实现避障功能；另一方面，它读取光敏电阻分压所的模拟量经A/D转换后的8位数字量，从而判断火焰存在与否，测量火焰值的大小。传感模块所得值经过单片机的处理，按照控制要求，就可以给出控制信号，再经过驱动电路处理，控制电机按照要求有条不紊的运行；传感模块包括红外发射与接收模块和光敏电阻模块，红外发射模块发射38kHz频率的红外光，红外接收模块接收由障碍物反射回来的红外光来判断是否有障碍。光敏传感器是一个光敏电阻，它的电阻值受照射在它上面的光照强弱的影响，下图中两个光敏电阻分别和模拟输入口PE0和PE1相连。光暗时，光敏电阻上电压接近5V；光强时，接近0V,经过模数转换为8位数字量0-255。电路图如下图所示。

VCCR1310KPE1C5104R1410KPE0ORRN5AC04067ORLN5AC04067C6104LIGHT SENSOR图2-4 光敏传感器原理图

火焰值的大小通过模数转换给单片机，由单片机进行相应的处理；驱动模块实现信号的放大，单片机的输出端口驱动能力比较小，不能直接驱动直流电机，经过SN7410电机驱动芯片，可以实现功率放大，驱动直流电机工作；灭火模块包括固态继电器和风扇，单片机的控制端和地分别与固态继电器的控制端和地相接，固态继电器另外两个端子接在由电源和风扇构成的回路中，用单片机控制固态继电器输出端的通断，从而控制风扇，实现灭火功能；电源模块为整个系统提供可靠、稳定的直流电源，使系统正常工作。

3．硬件设计

为了使机器人运动更加流畅，防止出现卡死的现象，在机械设计上，把机器人外观设计成圆形。圆形底盘由四个轮子共同支撑，左右两侧的为驱动轮，分别由两台带减速装置的直流电机驱动，前后的支撑轮为万向轮。经过仔细考虑，选用广茂达公司的AS-MII能力风暴机器人，底盘造型如下图3-1所示。

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图3-1 机器人底盘机械造型

3.1 避障及处理电路

3.1.1 红外传感器

AS-MII运用了2只红外发射管（970nm）和一只红外接收模块构成红外传感系统（见图3-2），主要用来检测前方、左方、右方、左前方、右前方和后方的障碍，检测距离范围在5～10cm。可以通过调节两个电位器来调节左右两个红外的检测距离。

图3-2 红外传感器

红外发射电路如图3-3所示,D1是红外发射管。控制信号由Motorola68HC11的I/O端口发出。红外接收电路如图3-4所示。红外接收模块直接将38kHz的调制信号解调,提供给接收的单片机。该芯片接收灵敏度高,性能稳定。

图3-3 红外发射电路图 图3-4 红外接收电路图

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中国科技论文在线和输出放大电路，灵敏度很高。

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红外接收模块集成了红外接收管、前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器

3.2 火焰检测及处理电路

3.2.1 光敏传感器

AS-MII智能机器人上有2只光敏传感器（见图3-6），它可以检测到光线的强弱。

图3-6 光敏传感器

光敏传感器在AS-MII智能机器人里表现出光越暗，数值越大，光越强，数字越小。因为光敏电阻和10K的电阻R13，R14相连后构成分压器。左右两个光敏电阻分别与模拟输入口PE0，PE1相连，在系统中采集的是光敏电阻上的电压值。光暗时，光敏电阻上的电压接近5V，光强时，接近0V，模数转换为8位数字量后的范围为0-255。

光敏传感器的线路图如下：

VCCR1310KPE1C5104R1410KPE0ORRN5AC04067ORLN5AC04067C6104LIGHT SENSOR图3-8 光敏传感器的电路图

3.3 电机及处理电路

3.3.1 电机与驱动电路

电机驱动采用直流电机驱动芯片U7（SN7410），其连接电路如图3-9。

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中国科技论文在线VCC1621710915U7VCCVMOTORIN1RMOT+EN12RMOT-IN2LMOT-IN3LMOT+EN34MGNDIN4MGNDMGNDMGNDSN7410C8104VMOT8361114451213C7104http://www.paper.edu.cn

VCCPD5U6CPD4PA5PA659U6D674HC14MOTORIDC10123456710874HC14PA0PA7MOTOR DRIVER图3-9 电机驱动电路

直流电机在一定电压下，转速与转矩成反比；如果改变电压，则转速转矩线随着电压的升降而升降（如图3-10）。在AS-MII智能机器人负载一定时（即转矩一定时），降低电压，对应的转速n1，n2不同，n1>n2，这样就可实现用电机调速。

图3-10 转矩、转速与电压关系图

在AS-MII机器人里采用的是改变电机电压的方式来改变电机的转速。AS-MII机器人提供给电机的信号是方波，不同的方波它的平均电压不同，利用这一点来进行AS-MII智能机器人的速度控制。采用不同的脉宽调节平均电压的高低，进而调节电机的转速，即脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）。（如图3-11） PA5，PA6分别给SN7410发脉宽调制信号，通过改变脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压。SN7410每路电机控制输出为1A，并有超载保护功能。

图3-11 PWM 控制

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图3-12 机器人实物图

4．软件设计

4.1 软件主要功能

首先要使机器人能自主行走并不碰撞墙壁，机器人的前方和左右两侧应安装红外传感器用于检测障碍，当然为了更好的定位，在机器人的左前和右前方向也安装了红外传感器，调整左侧、左前传感器的灵敏度，可以使机器人与左侧墙壁始终保持一定距离前进。并且预留足够的空间避免与墙壁相撞。同时在机器人的左后方和右后方也安装有红外传感器，并与其他传感器相互配合，使机器人按照预先设定好的程序顺利前进。

机器人要能够发现火源，必须配备火焰探头，机器人共装配六个火焰传感器，分别装配在机器人的正前方、左右两侧、左前和右前，当检测到并接近火焰位置后用前方两个火焰传感器进行位置矫正，通过比较左右两个火焰传感器的值判定左转还是右转。当发现火源并进入房间后，机器人将跳转到相应的程序，不再按照左侧墙壁方式前进，而是以火源的位置作为前进的方向。同时机器人配备碰撞传感器以检测是否与墙壁等发生碰撞，一旦有意外情况发生，转入相应的处理程序。

机器人要能够判别进入的房间编号以及到达火源指定位置后及时停止，还要在机器人上配置相应得检测传感器，采用灰度传感器，上面配备了红外传感器，当经过到用于标志位置的白线位置时，光电传感器就可以检测到，通过检测白线的条数来判定进入的房间编号，进而程序进入检测火源位置的子程序。当到达指定位置后即停止机器人并进行灭火。

4.2 程序流程框图

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图4-1 主程序流程框图

5．总结

本系统是以Motorola68HC11单片机为控制核心，实现对灭火过程的全自动控制。系统硬件原理简单，用单片机集成的硬件来代替分立元器件，减小了PCB 的面积，提高了系统的性价比，同时元器件的减少大大提高了系统的可靠性和稳定性,同时根据实际情况的需要，进行了避撞、光敏等传感器的扩展，提高了控制的精度。系统软件采用模块化思想，使程序结构清晰、逻辑功能较强、并易于维护。

参考文献

[1]（日）森政弘等．机器人竞赛指南．北京：科学出版社，2002．

[2]（日）加藤一郎．机器人能改变未来吗？．上海：上海科学技术文献出版社，1984． [3] 蔡自兴．机器人学．北京：清华大学出版社，2000．

[4] 杨光友，朱宏辉，等.单片微型计算机原理及接口技术[M].北京:中国水利电力出版社，2002. [5] 华成英，童诗白．模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社,2006. [6] 顾绳谷.电机及拖动基础（第三版) [M].北京:机械工业出版社，2004.

Fire-fighting robot design

Ge yuntao, Xu junjie, Zhangchuanjin

School of Information and Electrical Engineering of CUMT, Jiangsu Xuzhou (221008 ) Abstract

In China, the robotics-based education, started late, but in Beijing, Shanghai, Guangzhou and other big cities, has organized a number of sessions and fire-fighting robot soccer competitions. View of the current development trend of robots at home and abroad, drawing on existing platform, developed with the fire-fighting robot contest. Under the premise of the fire rules in order to Motorola68HC11 as the CPU, SN7410 as a motor drive module, avoid obstacles, gray and flame sensor as a detection module, composed of fire-fighting robot's hardware; in VJC1.5 build environment, design process, repeatedly debugging After the robot searches for the automatic fire-fighting and go home. Keywords: Fire-fighting;motorola68hc11;robot

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