國際賽制滅火機(jī)器人設(shè)計與實現(xiàn)

1、<p>　　國際賽制滅火機(jī)器人設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　摘要：針對國際賽制機(jī)器人滅火比賽規(guī)則，自行設(shè)計開發(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)動器模塊，通過反復(fù)試驗實現(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：F49 </p><p><b>　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A </b></p><p>　　文章編號：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)器人實踐教學(xué)課程，同時，國際上還推出不同類型的機(jī)器人比賽，為了適應(yīng)國內(nèi)機(jī)器人教學(xué)的發(fā)展趨勢，借鑒國內(nèi)機(jī)器人生產(chǎn)廠家樂高、廣茂達(dá)等機(jī)器人制作經(jīng)驗，自行設(shè)計

4、開發(fā)了基于國際賽制滅火比賽規(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)的計算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)以及通信和語音圖像技術(shù)與各個行業(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時鐘主頻，能執(zhí)行實時多任務(wù)進(jìn)行快速中斷響應(yīng)。CPU 含有5 級流水線， </p><p>　　緊耦合存儲器（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)用場合，具有64Kb 隨機(jī)存儲器（RAM）和512kb 程序存儲器（Flash ROM）。 </

6、p><p>　　2滅火機(jī)器人傳感器系統(tǒng)總體設(shè)計 </p><p>　　傳感器用于實時監(jiān)測周圍環(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；●表示火焰探測傳感器）。 </p><p>　　2.1紅外光電傳

7、感器 </p><p>　　主要是用來檢測障礙物的，搜索蠟燭所在房間是避免碰撞發(fā)生和檢測房間門口，也稱距離傳感器（PSD傳感器）。紅外光電傳感器的檢測距離為10cm～80cm。通過發(fā)射和接受紅外線來確定障礙物的遠(yuǎn)近。 </p><p>　　2.2180°全方位火焰探測傳感器 </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時表示沒有火

8、焰，當(dāng)輸出電壓為0.5～2.5V時表示探測到火焰。有效探測距離2m，探測角度為60°，在每個半圓形區(qū)域共有7個通道，180°掃描范圍，同時在機(jī)器人前后對稱安裝2個，則可以覆蓋360°范圍。 </p><p><b>　　2.3灰度傳感器 </b></p><p>　　根據(jù)不同顏色地面對光的反射程度的不同，通過比較電壓來檢測場地內(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)器人通過數(shù)字指南針能夠明確自己在滅火場地中的位置，智能定向，使機(jī)器人能順利搜索各個房間和在滅火后順利返回出發(fā)點。 </p><p><b>　　3程序設(shè)計 </b></p>

10、;<p>　　有了以上的硬件基礎(chǔ)，還要有優(yōu)化的程序來支撐，我們采用在房間門口白線處檢測房間內(nèi)有無火焰的方法，節(jié)省時間，減少碰撞。滅火全過程共由避障、找火、滅火和回到出發(fā)點四部分組成。 </p><p>　　3.1門口白線處檢測火焰的程序設(shè)計 </p><p>　　利用紅外光電傳感器，檢測墻壁實現(xiàn)無碰撞行走。機(jī)器人通過地面灰度傳感器檢測每個房間入口的白線，在白線處利用火焰?zhèn)鞲衅?/p>

11、和溫度傳感器快速探測有無火源，如果檢測到火源，則走進(jìn)房間蠟燭周圍的白線區(qū)域火焰處啟動滅火風(fēng)扇完成滅火，最后返回到出發(fā)點。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 </p><p>　　滅火機(jī)器人主要通過距離紅外傳感器，判斷距離周圍墻壁的遠(yuǎn)近，從而控制機(jī)器人無碰撞行走。無火不進(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躲避障礙物，以沿右墻走為例說明躲避

12、碰撞搜索房間的程序。通過紅外光電傳感器設(shè)置多個條件判斷，對機(jī)器人下一步的運動方向做出精準(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 </p><p>　　當(dāng)機(jī)器人前、后兩個灰度傳感器檢測的灰度值有較大差距時，則說明機(jī)器人處于房間的門口白線處。這時左、右火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鳈z測火源

13、，通過前、后溫度傳感器值來判斷房間是否有火。如果有火源則進(jìn)入滅火階段，通過檢測左右火焰探測傳感器的值來調(diào)整機(jī)器人位置使其正對火焰，最后啟動風(fēng)扇將蠟燭熄滅。 </p><p>　　在對火源進(jìn)行滅火后，需返回且停在出發(fā)點位置。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號或者4號房間滅火后走右手法則回家；如果在3號房間則滅火后走左手法則回家；如果在2號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)點位置。當(dāng)

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

15、秒以下。實驗表明設(shè)計的滅火機(jī)器人能夠較好完成滅火任務(wù).具有一定使用價值。該設(shè)計的創(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。實現(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)器人早日實現(xiàn)市場化；通過沿墻行進(jìn)規(guī)則的設(shè)計，機(jī)器人的靈敏度和適應(yīng)外界變化的特性明顯提高.且程序簡捷，有利于模塊化編程。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b&

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