動(dòng)用你的智慧DIY一個(gè)家庭滅火機器人吧，附軟硬件的系統解決方案

1.項目的內容和具體目標等

首先我介紹一下機器人產(chǎn)生的背景，機器人技術(shù)的發(fā)展，它應該說(shuō)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結果，也同時(shí)，為社會(huì )經(jīng)濟發(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中，各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。

另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結果，也是人類(lèi)自身發(fā)展的必然結果，那么人類(lèi)的發(fā)展隨著(zhù)人們這種社會(huì )發(fā)展的情況，人們越來(lái)越不斷探討自然過(guò)程中，在改造自然過(guò)程中，認識自然過(guò)程中，實(shí)現人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀(guān)需要。

那么什么是機器人呢？人們一般的理解來(lái)看，機器人是具有一些類(lèi)似人的功能的機械電子裝置，或者叫自動(dòng)化裝置，它仍然是個(gè)機器，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)是根據人的編程能自動(dòng)的工作，這里一個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)，就是它可以編程，改變它的工作、動(dòng)作、工作的對象，和工作的一些要求，它是人造的機器或機械電子裝置。

隨著(zhù)社會(huì )與國家的發(fā)展，在經(jīng)濟迅速增長(cháng)的同時(shí)，各種危險場(chǎng)所不可避免的火災頻繁出現，給社會(huì )安全造成了很多隱患，于是現代火災及時(shí)補救已成為迫在眉睫需要解決的問(wèn)題，救火早一刻就少一分損失，消防救援人員固然速度已經(jīng)很快，但也需要一段不小的時(shí)間，而且進(jìn)入救火現場(chǎng)還有生命危險的可能，于是滅火機器人的理念誕生了，笨設計主要就是針對滅火機器人的制作與研究，小車(chē)以AT89S52單片機為控制核心，加以電源電路、電機驅動(dòng)、光電傳感電路、火焰檢測電路、滅火風(fēng)扇以及其它電路構成。電源電路提供系統所需的工作電源，專(zhuān)用電機驅動(dòng)芯片驅動(dòng)電機控制小車(chē)的前進(jìn)后退以及轉向，光電對管完成尋跡和避障，光敏電阻傳感器檢測火焰，滅火風(fēng)扇進(jìn)行滅火。本設計制作的消防小車(chē)具有簡(jiǎn)易滅火功能，達到了實(shí)現現場(chǎng)滅火的目的。

通過(guò)滅火機器人的設計，我們可以了解機器人滅火任務(wù)， 知道簡(jiǎn)單的程序算法，掌握通過(guò)機器人識別白線(xiàn)、機器人檢測火焰等方法滅火的方法。 通過(guò)制作滅火機器人我們可以弄懂簡(jiǎn)易滅火機器人的搭建、火焰傳感器的使用，知道機器人尋找火源完成簡(jiǎn)單滅火任務(wù)。此外我們可以培養觀(guān)察能力、動(dòng)手能力、創(chuàng )造能力，養成良好的思維習慣。通過(guò)對光學(xué)、計算機科學(xué)、機械原理以及美學(xué)等的綜合運用，提高知識的綜合運用。通過(guò)競賽機制，鍛煉我們的競爭和合作意識，鍛煉學(xué)生比賽時(shí)的靈活性。最終目標，我們設計出一種快速滅火的機器人，能夠有效地消滅火災，為人們減少火災損失；為人們生活帶來(lái)方便。

2.研究方法、研究方案及可行性

一、硬件

通過(guò)對比賽規則的研究,設計機器人的系統結構如圖2所示

1.1傳感器部分

傳感器檢測環(huán)境信息,描述機器人與環(huán)境的相互關(guān)系。針對比賽規則,機器人主要使用了紅外傳感器、灰度傳感器及相應的信號處理電路。機器人滅火裝置是一個(gè)風(fēng)扇,當機器人接近火源時(shí)自動(dòng)打開(kāi)風(fēng)扇,吹滅火焰。用LCD作為輸出顯示。紅外傳感器有兩種,一種用來(lái)檢測障礙,避免撞到墻壁同時(shí)又可以尋找房間的門(mén)。紅外傳感器能夠檢測到前方10cm～80cm,90°范圍內的比0.03平方米面積大的障礙物。

紅外傳感器由兩個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管組成。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線(xiàn),紅外線(xiàn)在遇到障礙物后被反射回來(lái),紅外接收管收到被反射回來(lái)的紅外線(xiàn)后,通過(guò)A/D轉換送單片機進(jìn)行處理。另外,一種紅外傳感器用來(lái)探測火源。這種火焰紅外傳感器可以探測到波長(cháng)在700nm～1000nm范圍內的紅外光,適宜用來(lái)探測火源或熱源,探測角度為60°。

紅外傳感器將外界紅外光光強的變化轉化為電流的變化，通過(guò)A/D轉換器轉換為0～255范圍內的數值。外界紅外光越強,數值越小。因此，越靠近熱源,機器人顯示讀數越小。根據函數返回值的變化能判斷紅外光線(xiàn)的強弱，從而能大致判別出火源的遠近?；叶葌鞲衅饔脕?lái)檢測場(chǎng)地內的路標,以便準確找到房間和有效滅火范圍。比賽場(chǎng)地地面除了表示起點(diǎn)的圓圈、房間的門(mén)和有效滅火范圍是白色的外,其余都是黑色的?；叶葌鞲衅饔晒饷綦娮韬桶l(fā)光二極管組成，發(fā)光二極管照射到地面的反射光線(xiàn)被光敏電阻接收，其電阻值根據反射光線(xiàn)強弱而改變。地面灰度大,光敏電阻值大；地面灰度小，光敏電阻值小。阻值的變化轉變成電信號輸入到機器人主板上的微控制器，再由微控制器中的A/D轉換器將電信號進(jìn)行轉換。

1.2電源模塊

采用直流電源，工作電壓為20V，可提供40 A的穩定供電電流，是普通電池的lO倍。

1.3電機驅動(dòng)模塊

機器人在運動(dòng)過(guò)程中需要改變速度和方向．要求電機的驅動(dòng)器具有良好的電壓調整特性。這里采用大功率MOS驅動(dòng)器，在ll一25 V電壓下?？商峁?0 A的額定電流。此驅動(dòng)器采用雙極性驅動(dòng)。通過(guò)控制PWM的占空比實(shí)現電機調速，這樣機器人實(shí)現動(dòng)態(tài)環(huán)境下快速準確達到目標速度川。4路PW信號驅動(dòng)4臺大功率直流電機/控制輪子的轉動(dòng)方向。滅火風(fēng)扇直流電機由控制器的伺服電機輸出端口的信號驅動(dòng)。

1.4其他模塊

滅火模塊主要包括微型電風(fēng)扇和風(fēng)扇直流電機。當機器人發(fā)現并趨近火源后?？刂破鲉?dòng)風(fēng)扇滅火。

為提高比賽成績(jì)。采用聲音啟動(dòng)模式，控制器的語(yǔ)音采集端口讀取聲音信號。當信號值大于某一值。

機器人啟動(dòng)。

二、軟件設計

在軟件設計上根據實(shí)際地圖采用左手走規則，左手走規則是指機器人始終沿著(zhù)左邊的墻壁行走，一直走完全程。該規則要求機器人能實(shí)現沿著(zhù)墻壁前進(jìn),在場(chǎng)地轉彎處或是門(mén)口時(shí)，機器人能自動(dòng)轉過(guò)去；當前方有障礙物時(shí),機器人能自動(dòng)躲避。機器人按如下路線(xiàn)搜索火源：H→一號房間→二號房間→三號房間→四號房間在搜索到火源并滅火后，再按所設路線(xiàn)返回，在一、二號房間滅完火后按右手規則返回，在三、四號房子滅完火后按左手規則返回，這樣設計的目的是為了節省時(shí)間。程序設計時(shí)，總體任務(wù)可劃分成四個(gè)模塊：?jiǎn)?dòng)模塊、搜索火源模塊、滅火模塊、回家模塊(流程圖略)。啟動(dòng)模塊,本模塊主要是采用各種不同的方法。(如手動(dòng)啟動(dòng)或聲音啟動(dòng))讓機器人從標有H的白圈出發(fā)。

搜索火源模塊，本模塊主要是對每個(gè)房間按預定順序進(jìn)行搜索，當機器人到達某房間門(mén)口時(shí)，底部的灰度傳感器搜索到門(mén)口白線(xiàn)的存在，如果此時(shí)火焰傳感器檢測到的亮度大于某一值(這一值由當時(shí)環(huán)境與火焰亮度的差值而設定)時(shí)，退出該房間繼續搜索其余房間，否則，切換到滅火模塊。滅火模塊，此模塊主要完成趨光、滅火等功能,當搜索到火源后即執行完搜索火源模塊，機器人會(huì )趨向光強的方向(蠟燭)行走，當機器人底部的灰度傳感器檢測到蠟燭外圍的白線(xiàn)時(shí)，機器人停止前進(jìn)，打開(kāi)風(fēng)，吹滅蠟燭?；丶夷K，滅火成功后紅外傳感器檢測到其亮度降到與外界差不多的時(shí)候,切換到回家模塊。根據搜索火源模塊檢測到的地面白線(xiàn)次數W，判斷機器人處于哪個(gè)房間，進(jìn)而決定回家的方式。當W=3時(shí)用右手定則回家,當W=4或等于5時(shí)用左手定則回家，當W為其他值時(shí)按右手定則回家。當進(jìn)人白圈后,光敏傳感器檢測到地面灰度持續小于某一值超過(guò)一定時(shí)間則機器人停止。

三、系統調試

系統調試分模塊調試和系統總調試兩個(gè)階段。首先,分別對四個(gè)模塊進(jìn)行檢測與調試,期間也遇到很多問(wèn)題,特別是對搜索火源模塊的調試最為重要和繁瑣;單個(gè)模塊調試完畢后,需要根據場(chǎng)地具體情況進(jìn)行系統總調試,在這個(gè)階段主要是考慮如何在保證滅火成功的情況下縮短滅火所需的時(shí)間,以爭取更好的成績(jì)。