國際賽制滅火機器人設計與實現(xiàn)

1、<p>　　國際賽制滅火機器人設計與實現(xiàn)</p><p>　　摘要：針對國際賽制機器人滅火比賽規(guī)則，自行設計開發(fā)一款教學比賽用滅火機器人，該機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、遠紅外火焰?zhèn)鞲衅?，編程策略使門口檢測和沿墻走有機結(jié)合，采用大功率伺服直流電機作為驅(qū)動器模塊，通過反復試驗實現(xiàn)7秒內(nèi)完成任意房間滅火。 </p><p

2、>　　關鍵詞：滅火機器人；傳感器；編程策略 </p><p>　　中圖分類號：F49 </p><p><b>　　文獻標識碼：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，在某些特殊領域可以代替人完成人們不可能完成的任務，例如機器人可以參與救援、排爆、消防等。機器人學科涵蓋面廣，綜合了機械、電子、自動控制、傳感器、通信和人工智能等多學科的最新技術。目前，很多高校已經(jīng)開設機器人實踐教學課程，同時，國際上還推出不同類型的機器人比賽，為了適應國內(nèi)機器人教學的發(fā)展趨勢，借鑒國內(nèi)機器人生產(chǎn)廠家樂高、廣茂達等機器人制作經(jīng)驗，自行設計

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

5、t;<p>　　ARM CortexTM-M3內(nèi)含32位72 MHz時鐘主頻，能執(zhí)行實時多任務進行快速中斷響應。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）等性能增強部件，使得每秒種可執(zhí)行約1 億1 千萬條機器指令。允許用戶自調(diào)主頻以適應不同的應用場合，具有64Kb 隨機存儲器（RAM）和512kb 程序存儲器（Flash ROM）。 </

6、p><p>　　2滅火機器人傳感器系統(tǒng)總體設計 </p><p>　　傳感器用于實時監(jiān)測周圍環(huán)境信息，描述機器人與環(huán)境的相互關系。主要使用紅外光電傳感器、180。全方位探測復眼、地面灰度傳感器、內(nèi)置式數(shù)字指南針和聲音啟動模塊，滅火機器人傳感器分布如圖2所示，（〖XC李宗學-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。當輸出電壓約等于0時表示沒有火

8、焰，當輸出電壓為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程序設計 </b></p>

10、;<p>　　有了以上的硬件基礎，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，則走進房間蠟燭周圍的白線區(qū)域火焰處啟動滅火風扇完成滅火，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躲避碰撞程序設計 </p><p>　　滅火機器人主要通過距離紅外傳感器，判斷距離周圍墻壁的遠近，從而控制機器人無碰撞行走。無火不進房間策略綜合應用了右手、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置多個條件判斷，對機器人下一步的運動方向做出精準的判斷，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機器人尋找火源及回家程序設計 </p><p>　　當機器人前、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)整機器人位置使其正對火焰，最后啟動風扇將蠟燭熄滅。 </p><p>　　在對火源進行滅火后，需返回且停在出發(fā)點位置。返回路線根據(jù)機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

14、機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>　　滅火比賽的任務是機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。實驗表明設計的滅火機器人能夠較好完成滅火任務.具有一定使用價值。該設計的創(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，有利于智能機器人早日實現(xiàn)市場化；通過沿墻行進規(guī)則的設計，機器人的靈敏度和適應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 </b&

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