智能滅火機器人硬件電路設計及實(shí)現
該傳感器采用三角測量的原理,如圖4(b)所示紅外發(fā)光二極管發(fā)出紅外線(xiàn)光束,當紅外光束遇到前方的障礙物時(shí),一部分反射回來(lái),通過(guò)透鏡聚焦到后面的線(xiàn)性電性耦合器件CCD(Charge Coupled Device)上,根據紅外光線(xiàn)在CCD上聚焦的位置,可知道光線(xiàn)的反射角,進(jìn)一步折算出物體的距離。由于PSD傳感器輸出電壓和實(shí)際距離是非線(xiàn)性關(guān)系,可以通過(guò)線(xiàn)性插值運算得出其轉換近似公式。
根據比賽的需要,機器人應該能夠測量不同方向的障礙物的距離,理論上8個(gè)方位均應設置紅外測距傳感器;在滿(mǎn)足比賽要求前提下,考慮經(jīng)濟性,本設計采用了6個(gè)紅外測距傳感器,其安放位置如圖4(c)所示。通過(guò)1個(gè)或多個(gè)傳感器數值可以較精準地確定機器人的位置和墻壁的關(guān)系。例如,當正前傳感器和左前傳感器數值同時(shí)很大(距離很?。r(shí),說(shuō)明機器人處在一個(gè)角落上,前方和左側均是墻壁,此時(shí)可以執行右拐命令,從而走出角落。
(2)遠紅外火焰傳感器組
為能完成滅火任務(wù),機器人必須能確定火焰的大致位置,并能對火焰是否被撲滅做出判斷。本文設計了由28個(gè)紅外接收管組成的2個(gè)遠紅外火焰傳感器組,前后每個(gè)方位各有14個(gè)紅外接收管組成,每2個(gè)并聯(lián)并指相同一個(gè)方向,2個(gè)傳感器組共指向14個(gè)方向,可以覆蓋360°范圍。如圖5(a)所示,14個(gè)端口通過(guò)CD4051八路轉換開(kāi)關(guān)連接至ATMEGA8―16PC單片機,其中SCK、MISO、MOSI為位選擇端口。此外,本設計還可以通過(guò)對14路讀取數據進(jìn)行比較,從而確定其最大最小值及相應端口值,方便火源方位的確定。

通過(guò)對遠紅外傳感器組的不同端口值的比較,還可以確定機器人和火源的相對位置,以判斷前進(jìn)方向,完成趨光動(dòng)作。當機器人與火源相對位置如圖5(b)所示時(shí),可以讀取端口2和端口4的值,并進(jìn)行作差,端口2的值大于端口4(說(shuō)明2更靠近火源),則執行左拐命令,使其差值在一定范圍內,然后執行直行命令趨近火源。
(3)地面灰度傳感器
比賽規定,機器人起始位置是直徑為30 cm的白色圓,每個(gè)房間入口有一條3 cm寬的白線(xiàn),其他地面均為黑色。機器人的啟動(dòng)和停止及進(jìn)房間的標志都要依靠對地面灰度的判斷,因此需使用能對地面反射光線(xiàn)的強弱做出反應的傳感器。本機器使用一對地面灰度傳感器,放置在前后兩端的底座上。地面顏色越深,其值越大,地面顏色越淺,其值越小。
如圖6所示,地面灰度傳感器通過(guò)發(fā)光二極管LED照亮地面,地面的反射光線(xiàn)被光敏三極管接收,當地面顏色為黑色時(shí),反射的光線(xiàn)比較弱,則光敏三極管的基極電流越小,集電極電流也相應較小,1端口電壓值較高,其測量值較大;反之當地面為白色時(shí),反射的光線(xiàn)較強,集電極電流越大,1端口電壓值較小,測量值也較小。

本文研究并設計了基于A(yíng)RM9嵌入式系統的一種智能滅火機器人,具有以下5個(gè)創(chuàng )新點(diǎn):(1)采用了嵌入式系統內核,大大提高了機器人處理信號的能力;(2)雙電源供電系統引入,使機器人的運行更加穩定可靠;(3)采用PWM信號控制大功率直流電機,在速度和精度方面有了很大的改進(jìn);(4)通過(guò)合理選擇PSD測距傳感器的個(gè)數和安放位置,既滿(mǎn)足比賽要求,又能節約成本;(5)本文設計的遠紅外火焰傳感器組,很好地完成了對火源的精確定位任務(wù),提高了滅火可靠性和快速性。
實(shí)測證明,本文設計的機器人能夠很好地完成比賽任務(wù),并且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高,具有很強的應用價(jià)值。
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