基于STM32的智能清障滅火機器人設計　

摘要：本文基于STM32F411RE控制器設計了一款智能清障滅火機器人，采用近紅外避障傳感器避免與墻體發(fā)生碰撞，通過(guò)超聲波模塊與機械臂配合，當發(fā)現障礙物時(shí)，通過(guò)機械臂清除障礙物;通過(guò)火焰傳感器可以全方位地快速尋找火焰信號，自動(dòng)尋找火源，到達火焰邊緣時(shí)，啟動(dòng)滅火程序，進(jìn)行滅火。通過(guò)NRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊可以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)控制滅火機器人清除障礙物和滅火等操作。

引言

　　現在社會(huì )各種危險場(chǎng)所的火災頻繁發(fā)生，火災一旦蔓延，會(huì )給人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)巨大的威脅，因此，對火災的及時(shí)補救成為一個(gè)重要問(wèn)題^[1]?；诖?，本文設計了一款智能清障滅火機器人，該機器人能夠及時(shí)地發(fā)現和撲滅火源，進(jìn)行遠程控制滅火，保證消防員能夠遠離火災現場(chǎng)，節約大量的人力財力，保障消防員的生命安全^[2]。

1 系統總體設計

　　智能清障滅火機器人采用四驅小車(chē)為主體結構，通過(guò)四個(gè)電機控制四個(gè)輪子的轉速，從而控制小車(chē)的前進(jìn)與后退。車(chē)體的中間安裝近紅外避障傳感器，當距離墻壁太近時(shí)可以自動(dòng)轉彎防止撞墻，保證滅火機器人具有防撞墻功能^[3]。與此同時(shí)，車(chē)身上安裝2個(gè)由舵機控制的機械手臂，四個(gè)超聲波模塊，當發(fā)現障礙物時(shí)，可以通過(guò)機械手臂進(jìn)行清除障礙物，小車(chē)前方裝有火焰傳感器，可以全方位地快速尋找到火焰信號，輸送給控制模塊，由控制模塊控制機器人的前進(jìn)方向，當到達火源邊緣時(shí)，傳感器將信號送給控制模塊，啟動(dòng)滅火程序，小車(chē)采用風(fēng)扇滅火、噴水滅火等多種滅火方式，有效完成滅火任務(wù)。通過(guò)在滅火機器人車(chē)身搭載一個(gè)360度可旋轉的攝像頭，可以實(shí)現現場(chǎng)滅火情況的實(shí)時(shí)傳輸，由兩個(gè)NRF2401無(wú)線(xiàn)模塊與滅火機器人連接可以實(shí)現對滅火機器人進(jìn)行無(wú)線(xiàn)遠程手動(dòng)控制^[4]。

2 系統硬件設計

　　根據設計要求，本系統主要由STM32F411RE、傳感器模塊、直流電機驅動(dòng)模塊、風(fēng)扇模塊、電源模塊等構成。系統總體框圖如圖1所示。

2.1 控制模塊

　　由于系統各傳感器模塊要不斷采集環(huán)境信息，要求控制芯片有較高的實(shí)時(shí)處理能力和處理速度，基于此，本設計選用高性能的嵌入式STM32F411RE。該芯片使用ARM先進(jìn)架構的Cortex—M4內核，CPU頻率可達84MHz，具有兩個(gè)16位用于高速數據采集的ADC，I/O端口作為輸入口讀取檢測端口和傳感器組的數據，作為輸出端口用于驅動(dòng)電機。4個(gè)PWM定時(shí)器用于驅動(dòng)大功率直流電機。芯片具有速度快、功耗低、可靠性高、實(shí)時(shí)性強等優(yōu)點(diǎn)^[5]。

2.2 電源模塊

　　通過(guò)開(kāi)關(guān)電源為系統提供12V電壓，采用集成LM2576S-5.0 DC-DC穩壓芯片將12V變換為5V，以滿(mǎn)足STM32最小系統板供電問(wèn)題。遠程控制時(shí)，系統采用鋰電池充電運行，保證滅火機器人可以遠程控制。此外，電源模塊也可以采用太陽(yáng)能電池板的方式，保證滅火機器人具有自行充電功能，多種電源供電模式可以保整滅火機器人的正常運行與操作^[6]。

2.3 火焰傳感器與機械臂

　　火焰傳感器是一種模擬傳感器，可以將檢測到的熱源信號轉變成機器人可以識別的電信號，具有信號輸出指示，輸出有效信號為低電平?；鹧鎮鞲衅骺梢杂脕?lái)檢測波長(cháng)在760納米到1100納米范圍內的熱源。其中，當紅外波長(cháng)在960納米附近時(shí)，其靈敏度最大，探測角度達60度，滿(mǎn)足對火焰的檢測指標^[7]。

　　機械臂由兩個(gè)舵機控制，通過(guò)控制兩個(gè)舵機，可以實(shí)現對障礙物的準確抓取，從而為機器人正常行走、尋找火焰、清除障礙物等提供了保證?；鹧鎮鞲衅髋c機械臂的電路設計如圖2所示。

2.4 紅外測距傳感器

　　紅外測距傳感器主要用來(lái)檢測障礙物(如墻壁等)，防止滅火機器人撞墻。本設計采用光電式紅外傳感器E18-D80NK作為紅外測距傳感器，它是集紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊于一體的數字式傳感器，有效檢測范圍為3cm～80cm可調，指向角≤15°，滿(mǎn)足滅火機器人的紅外測距，檢測障礙物的要求^[8]。

2.5 無(wú)線(xiàn)模塊

　　通過(guò)選用基于ZigBee協(xié)議的NRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊，可以實(shí)現遠程控制滅火機器人的各項操作功能。NRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊通過(guò)SPI與外部MCU通信，最大的SPI速度可以達到10MHz，2.4G全球的ISM頻段，免許可證使用，最高工作速率2Mbps，高效的GFSK調制，抗干擾能力強，125個(gè)可選的頻道，滿(mǎn)足多點(diǎn)通信和調頻通信的需要?？梢栽O置自動(dòng)應答，確保數據可靠傳輸。無(wú)線(xiàn)控制端與機器人連接框圖如圖3所示。

2.6 電機驅動(dòng)模塊

　　滅火機器人的車(chē)身電機采用L298N芯片驅動(dòng)，用兩個(gè)L298N驅動(dòng)4個(gè)直流減速電機，通過(guò)控制模塊輸出四路PWM信號驅動(dòng)L298N，通過(guò)改變PWM的脈沖占空比，調節車(chē)輪的不同轉速，控制機器人車(chē)身的前進(jìn)與后退等。電機驅動(dòng)模塊電路如圖4所示。

2.7 攝像頭模塊

　　攝像頭模塊采用WiFi攝像頭，由滅火機器人的電源模塊給其供電，在連接WiFi網(wǎng)絡(luò )的情況下，實(shí)現滅火機器人與計算機主控端的通信，在計算機主控端界面上可以實(shí)時(shí)看到滅火機器人的滅火情況，可以通過(guò)攝像頭反饋回來(lái)的圖像，通過(guò)NRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊等構成的手持控制器，手動(dòng)遠程控制滅火機器人的前進(jìn)、后退、清障和滅火等功能^[9]。

3 軟件設計與系統測試

　　軟件部分的設計采用模塊化的軟件設計思想。軟件設計的整體流程圖如圖5所示。開(kāi)機首先是自啟動(dòng)，確定是否進(jìn)入無(wú)線(xiàn)模式，通過(guò)按鍵進(jìn)行選擇，一旦進(jìn)入無(wú)線(xiàn)模式，可以通過(guò)按鍵控制滅火機器人的前進(jìn)、后退、左轉、右轉等，還可以控制滅火機器人準確地夾起障礙物，通過(guò)攝像頭反饋回來(lái)的視頻，控制機器人準確到達火災現場(chǎng)進(jìn)行清理障礙物和滅火等操作。進(jìn)入自動(dòng)模式(初始默認)時(shí)，機器人將會(huì )首先判定周?chē)欠裼谢鹪?，如果沒(méi)有火源，機器人會(huì )自動(dòng)尋找障礙物，通過(guò)紅外和超聲波傳感器的配合對障礙物進(jìn)行準確定位，然后清理障礙物，繼續尋找火源，一旦找到火源，就通過(guò)風(fēng)扇滅火、噴水滅火等多種滅火方式，有效完成滅火任務(wù)。

　　完成軟硬件設計之后就開(kāi)始對本設計進(jìn)行系統整體測試工作。首先進(jìn)入無(wú)線(xiàn)模式進(jìn)行測試，通過(guò)無(wú)線(xiàn)控制端的按鍵可以遠程控制機器人的前進(jìn)、后退、機械手準確抓取障礙物以及滅火等操作。設為自動(dòng)模式后，機器人可以自動(dòng)尋找障礙物和滅火，經(jīng)過(guò)實(shí)驗驗證整個(gè)系統具有較高的穩定性，和較強的抗干擾能力。滅火機器人與無(wú)線(xiàn)控制端的實(shí)物圖如圖6所示。

4 結束語(yǔ)

　　本文基于STM32F411RE控制器，設計了一款智能清障滅火機器人，對其硬件與軟件設計進(jìn)行了介紹，并進(jìn)行了系統實(shí)驗驗證。實(shí)驗結果表明，所設計的智能清障滅火機器人能夠可靠地進(jìn)行清障與滅火工作，適宜應用在有滅火需求的消防安全領(lǐng)域，具有廣闊的應用前景。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第27頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。