基于STM32的智能清障滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)　

摘要：本文基于STM32F411RE控制器設(shè)計(jì)了一款智能清障滅火機(jī)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(jī)械臂配合，當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，通過(guò)機(jī)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(hào)，自動(dòng)尋找火源，到達(dá)火焰邊緣時(shí)，啟動(dòng)滅火程序，進(jìn)行滅火。通過(guò)NRF24L01無(wú)線模塊可以進(jìn)行無(wú)線控制滅火機(jī)器人清除障礙物和滅火等操作。

引言

　　現(xiàn)在社會(huì)各種危險(xiǎn)場(chǎng)所的火災(zāi)頻繁發(fā)生，火災(zāi)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(duì)火災(zāi)的及時(shí)補(bǔ)救成為一個(gè)重要問(wèn)題^[1]?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一款智能清障滅火機(jī)器人，該機(jī)器人能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和撲滅火源，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制滅火，保證消防員能夠遠(yuǎn)離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，節(jié)約大量的人力財(cái)力，保障消防員的生命安全^[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　智能清障滅火機(jī)器人采用四驅(qū)小車(chē)為主體結(jié)構(gòu)，通過(guò)四個(gè)電機(jī)控制四個(gè)輪子的轉(zhuǎn)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(dāng)距離墻壁太近時(shí)可以自動(dòng)轉(zhuǎn)彎防止撞墻，保證滅火機(jī)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(jī)控制的機(jī)械手臂，四個(gè)超聲波模塊，當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，可以通過(guò)機(jī)械手臂進(jìn)行清除障礙物，小車(chē)前方裝有火焰?zhèn)鞲衅?，可以全方位地快速尋找到火焰信?hào)，輸送給控制模塊，由控制模塊控制機(jī)器人的前進(jìn)方向，當(dāng)?shù)竭_(dá)火源邊緣時(shí)，傳感器將信號(hào)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(jī)器人車(chē)身搭載一個(gè)360度可旋轉(zhuǎn)的攝像頭，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)滅火情況的實(shí)時(shí)傳輸，由兩個(gè)NRF2401無(wú)線模塊與滅火機(jī)器人連接可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滅火機(jī)器人進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)程手動(dòng)控制^[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由STM32F411RE、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、風(fēng)扇模塊、電源模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2.1 控制模塊

　　由于系統(tǒng)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(shè)計(jì)選用高性能的嵌入式STM32F411RE。該芯片使用ARM先進(jìn)架構(gòu)的Cortex—M4內(nèi)核，CPU頻率可達(dá)84MHz，具有兩個(gè)16位用于高速數(shù)據(jù)采集的ADC，I/O端口作為輸入口讀取檢測(cè)端口和傳感器組的數(shù)據(jù)，作為輸出端口用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。4個(gè)PWM定時(shí)器用于驅(qū)動(dòng)大功率直流電機(jī)。芯片具有速度快、功耗低、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)^[5]。

2.2 電源模塊

　　通過(guò)開(kāi)關(guān)電源為系統(tǒng)提供12V電壓，采用集成LM2576S-5.0 DC-DC穩(wěn)壓芯片將12V變換為5V，以滿足STM32最小系統(tǒng)板供電問(wèn)題。遠(yuǎn)程控制時(shí)，系統(tǒng)采用鋰電池充電運(yùn)行，保證滅火機(jī)器人可以遠(yuǎn)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(jī)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(jī)器人的正常運(yùn)行與操作^[6]。

2.3 火焰?zhèn)鞲衅髋c機(jī)械臂

　　火焰?zhèn)鞲衅魇且环N模擬傳感器，可以將檢測(cè)到的熱源信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)器人可以識(shí)別的電信號(hào)，具有信號(hào)輸出指示，輸出有效信號(hào)為低電平。火焰?zhèn)鞲衅骺梢杂脕?lái)檢測(cè)波長(zhǎng)在760納米到1100納米范圍內(nèi)的熱源。其中，當(dāng)紅外波長(zhǎng)在960納米附近時(shí)，其靈敏度最大，探測(cè)角度達(dá)60度，滿足對(duì)火焰的檢測(cè)指標(biāo)^[7]。

　　機(jī)械臂由兩個(gè)舵機(jī)控制，通過(guò)控制兩個(gè)舵機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的準(zhǔn)確抓取，從而為機(jī)器人正常行走、尋找火焰、清除障礙物等提供了保證?；鹧?zhèn)鞲衅髋c機(jī)械臂的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.4 紅外測(cè)距傳感器

　　紅外測(cè)距傳感器主要用來(lái)檢測(cè)障礙物(如墻壁等)，防止滅火機(jī)器人撞墻。本設(shè)計(jì)采用光電式紅外傳感器E18-D80NK作為紅外測(cè)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(shù)字式傳感器，有效檢測(cè)范圍為3cm～80cm可調(diào)，指向角≤15°，滿足滅火機(jī)器人的紅外測(cè)距，檢測(cè)障礙物的要求^[8]。

2.5 無(wú)線模塊

　　通過(guò)選用基于ZigBee協(xié)議的NRF24L01無(wú)線模塊，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制滅火機(jī)器人的各項(xiàng)操作功能。NRF24L01無(wú)線模塊通過(guò)SPI與外部MCU通信，最大的SPI速度可以達(dá)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(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，125個(gè)可選的頻道，滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信的需要?？梢栽O(shè)置自動(dòng)應(yīng)答，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。無(wú)線控制端與機(jī)器人連接框圖如圖3所示。

2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　滅火機(jī)器人的車(chē)身電機(jī)采用L298N芯片驅(qū)動(dòng)，用兩個(gè)L298N驅(qū)動(dòng)4個(gè)直流減速電機(jī)，通過(guò)控制模塊輸出四路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)L298N，通過(guò)改變PWM的脈沖占空比，調(diào)節(jié)車(chē)輪的不同轉(zhuǎn)速，控制機(jī)器人車(chē)身的前進(jìn)與后退等。電機(jī)驅(qū)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(jī)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(xiàn)滅火機(jī)器人與計(jì)算機(jī)主控端的通信，在計(jì)算機(jī)主控端界面上可以實(shí)時(shí)看到滅火機(jī)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)線模塊等構(gòu)成的手持控制器，手動(dòng)遠(yuǎn)程控制滅火機(jī)器人的前進(jìn)、后退、清障和滅火等功能^[9]。

3 軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)測(cè)試

　　軟件部分的設(shè)計(jì)采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想。軟件設(shè)計(jì)的整體流程圖如圖5所示。開(kāi)機(jī)首先是自啟動(dòng)，確定是否進(jìn)入無(wú)線模式，通過(guò)按鍵進(jìn)行選擇，一旦進(jìn)入無(wú)線模式，可以通過(guò)按鍵控制滅火機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等，還可以控制滅火機(jī)器人準(zhǔn)確地夾起障礙物，通過(guò)攝像頭反饋回來(lái)的視頻，控制機(jī)器人準(zhǔn)確到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)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(rèn))時(shí)，機(jī)器人將會(huì)首先判定周?chē)欠裼谢鹪?，如果沒(méi)有火源，機(jī)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(duì)障礙物進(jìn)行準(zhǔn)確定位，然后清理障礙物，繼續(xù)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(shè)計(jì)之后就開(kāi)始對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)整體測(cè)試工作。首先進(jìn)入無(wú)線模式進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)無(wú)線控制端的按鍵可以遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的前進(jìn)、后退、機(jī)械手準(zhǔn)確抓取障礙物以及滅火等操作。設(shè)為自動(dòng)模式后，機(jī)器人可以自動(dòng)尋找障礙物和滅火，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，和較強(qiáng)的抗干擾能力。滅火機(jī)器人與無(wú)線控制端的實(shí)物圖如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文基于STM32F411RE控制器，設(shè)計(jì)了一款智能清障滅火機(jī)器人，對(duì)其硬件與軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的智能清障滅火機(jī)器人能夠可靠地進(jìn)行清障與滅火工作，適宜應(yīng)用在有滅火需求的消防安全領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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本文來(lái)源于中國(guó)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。