國(guó)際賽制滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　國(guó)際賽制滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　摘要：針對(duì)國(guó)際賽制機(jī)器人滅火比賽規(guī)則，自行設(shè)計(jì)開發(fā)一款教學(xué)比賽用滅火機(jī)器人，該機(jī)器人控制器以嵌入式ARM CortexTM-M3為核心，合理布局紅外光電傳感器、地面灰度傳感器、遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鳎幊滩呗允归T口檢測(cè)和沿墻走有機(jī)結(jié)合，采用大功率伺服直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器模塊，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)7秒內(nèi)完成任意房間滅火。 </p><p

2、>　　關(guān)鍵詞：滅火機(jī)器人；傳感器；編程策略 </p><p>　　中圖分類號(hào)：F49 </p><p><b>　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </b></p><p>　　文章編號(hào)：16723198（2013）01017402 </p><p><b>　　0引言 </b></p><

3、;p>　　隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，機(jī)器人在人們生產(chǎn)生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，在某些特殊領(lǐng)域可以代替人完成人們不可能完成的任務(wù)，例如機(jī)器人可以參與救援、排爆、消防等。機(jī)器人學(xué)科涵蓋面廣，綜合了機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、傳感器、通信和人工智能等多學(xué)科的最新技術(shù)。目前，很多高校已經(jīng)開設(shè)機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)課程，同時(shí)，國(guó)際上還推出不同類型的機(jī)器人比賽，為了適應(yīng)國(guó)內(nèi)機(jī)器人教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，借鑒國(guó)內(nèi)機(jī)器人生產(chǎn)廠家樂(lè)高、廣茂達(dá)等機(jī)器人制作經(jīng)驗(yàn)，自行設(shè)計(jì)

4、開發(fā)了基于國(guó)際賽制滅火比賽規(guī)則的機(jī)器人。 </p><p>　　1選擇嵌入式ARM CortexTM-M3為滅火機(jī)器人處理器 </p><p>　　嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)以及通信和語(yǔ)音圖像技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合形成的產(chǎn)物，既具有硬件擴(kuò)展功能還有軟件開發(fā)功能。將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于滅火機(jī)器人的控制器中，使機(jī)器人更加的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和小型化。 </p&g

5、t;<p>　　ARM CortexTM-M3內(nèi)含32位72 MHz時(shí)鐘主頻，能執(zhí)行實(shí)時(shí)多任務(wù)進(jìn)行快速中斷響應(yīng)。CPU 含有5 級(jí)流水線， </p><p>　　緊耦合存儲(chǔ)器（TCM），跳轉(zhuǎn)指令高速緩存（BC）等性能增強(qiáng)部件，使得每秒種可執(zhí)行約1 億1 千萬(wàn)條機(jī)器指令。允許用戶自調(diào)主頻以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，具有64Kb 隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和512kb 程序存儲(chǔ)器（Flash ROM）。 </

6、p><p>　　2滅火機(jī)器人傳感器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) </p><p>　　傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境信息，描述機(jī)器人與環(huán)境的相互關(guān)系。主要使用紅外光電傳感器、180。全方位探測(cè)復(fù)眼、地面灰度傳感器、內(nèi)置式數(shù)字指南針和聲音啟動(dòng)模塊，滅火機(jī)器人傳感器分布如圖2所示，（〖XC李宗學(xué)-03.TIF〗表示紅外光電傳感器；●表示火焰探測(cè)傳感器）。 </p><p>　　2.1紅外光電傳

7、感器 </p><p>　　主要是用來(lái)檢測(cè)障礙物的，搜索蠟燭所在房間是避免碰撞發(fā)生和檢測(cè)房間門口，也稱距離傳感器（PSD傳感器）。紅外光電傳感器的檢測(cè)距離為10cm～80cm。通過(guò)發(fā)射和接受紅外線來(lái)確定障礙物的遠(yuǎn)近。 </p><p>　　2.2180°全方位火焰探測(cè)傳感器 </p><p>　　在滅火比賽中主要用于尋找火源。當(dāng)輸出電壓約等于0時(shí)表示沒(méi)有火

8、焰，當(dāng)輸出電壓為0.5～2.5V時(shí)表示探測(cè)到火焰。有效探測(cè)距離2m，探測(cè)角度為60°，在每個(gè)半圓形區(qū)域共有7個(gè)通道，180°掃描范圍，同時(shí)在機(jī)器人前后對(duì)稱安裝2個(gè)，則可以覆蓋360°范圍。 </p><p><b>　　2.3灰度傳感器 </b></p><p>　　根據(jù)不同顏色地面對(duì)光的反射程度的不同，通過(guò)比較電壓來(lái)檢測(cè)場(chǎng)地內(nèi)的房間入口

9、白線、火焰范圍及出發(fā)處。 </p><p><b>　　2.4數(shù)字指南針 </b></p><p>　　數(shù)字指南針連接于控制卡的I2C端口，機(jī)器人通過(guò)數(shù)字指南針能夠明確自己在滅火場(chǎng)地中的位置，智能定向，使機(jī)器人能順利搜索各個(gè)房間和在滅火后順利返回出發(fā)點(diǎn)。 </p><p><b>　　3程序設(shè)計(jì) </b></p>

10、;<p>　　有了以上的硬件基礎(chǔ)，還要有優(yōu)化的程序來(lái)支撐，我們采用在房間門口白線處檢測(cè)房間內(nèi)有無(wú)火焰的方法，節(jié)省時(shí)間，減少碰撞。滅火全過(guò)程共由避障、找火、滅火和回到出發(fā)點(diǎn)四部分組成。 </p><p>　　3.1門口白線處檢測(cè)火焰的程序設(shè)計(jì) </p><p>　　利用紅外光電傳感器，檢測(cè)墻壁實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞行走。機(jī)器人通過(guò)地面灰度傳感器檢測(cè)每個(gè)房間入口的白線，在白線處利用火焰?zhèn)鞲衅?/p>

11、和溫度傳感器快速探測(cè)有無(wú)火源，如果檢測(cè)到火源，則走進(jìn)房間蠟燭周圍的白線區(qū)域火焰處啟動(dòng)滅火風(fēng)扇完成滅火，最后返回到出發(fā)點(diǎn)。其總體算法流程圖如圖3所示。 </p><p>　　3.2躲避碰撞程序設(shè)計(jì) </p><p>　　滅火機(jī)器人主要通過(guò)距離紅外傳感器，判斷距離周圍墻壁的遠(yuǎn)近，從而控制機(jī)器人無(wú)碰撞行走。無(wú)火不進(jìn)房間策略綜合應(yīng)用了右手、左手法則以及固定線路法來(lái)躲避障礙物，以沿右墻走為例說(shuō)明躲避

12、碰撞搜索房間的程序。通過(guò)紅外光電傳感器設(shè)置多個(gè)條件判斷，對(duì)機(jī)器人下一步的運(yùn)動(dòng)方向做出精準(zhǔn)的判斷，從而躲避碰撞。如表3所示，其中PSD2為右45度角紅外傳感器，PSD1為右紅外傳感器。 </p><p>　　3.3機(jī)器人尋找火源及回家程序設(shè)計(jì) </p><p>　　當(dāng)機(jī)器人前、后兩個(gè)灰度傳感器檢測(cè)的灰度值有較大差距時(shí)，則說(shuō)明機(jī)器人處于房間的門口白線處。這時(shí)左、右火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鳈z測(cè)火源

13、，通過(guò)前、后溫度傳感器值來(lái)判斷房間是否有火。如果有火源則進(jìn)入滅火階段，通過(guò)檢測(cè)左右火焰探測(cè)傳感器的值來(lái)調(diào)整機(jī)器人位置使其正對(duì)火焰，最后啟動(dòng)風(fēng)扇將蠟燭熄滅。 </p><p>　　在對(duì)火源進(jìn)行滅火后，需返回且停在出發(fā)點(diǎn)位置。返回路線根據(jù)機(jī)器人所處的房間不同而不同，如果在1號(hào)或者4號(hào)房間滅火后走右手法則回家；如果在3號(hào)房間則滅火后走左手法則回家；如果在2號(hào)房間滅火后先走左手法則，然后走固定直線線路返回到出發(fā)點(diǎn)位置。當(dāng)

14、機(jī)器人的地面灰度傳感器檢測(cè)前后皆為白色并且紅外光電傳感器檢測(cè)前面有墻壁時(shí)結(jié)束程序，即回到出發(fā)點(diǎn)成功滅火。 </p><p><b>　　4總結(jié) </b></p><p>　　滅火比賽的任務(wù)是機(jī)器人以最短時(shí)間找到火源并熄滅。成功滅火并且用時(shí)最短者獲勝。機(jī)器人遍歷4個(gè)房間后，熄滅4號(hào)房間的火源，實(shí)際滅火時(shí)間大約為7秒左右，接近于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，其余房間實(shí)際滅火時(shí)間均在6.5

15、秒以下。實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的滅火機(jī)器人能夠較好完成滅火任務(wù).具有一定使用價(jià)值。該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處是以ARM CortexTM-M3為核心的嵌入式系統(tǒng)的控制器能夠高速采集和處理傳感器信號(hào)。實(shí)現(xiàn)7S內(nèi)完成任意房間滅火，并且成本較低，有利于智能機(jī)器人早日實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化；通過(guò)沿墻行進(jìn)規(guī)則的設(shè)計(jì)，機(jī)器人的靈敏度和適應(yīng)外界變化的特性明顯提高.且程序簡(jiǎn)捷，有利于模塊化編程。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b&

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