基于STM32的智能清障滅火機(jī)器人設(shè)計　

摘要：本文基于STM32F411RE控制器設(shè)計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，通過超聲波模塊與機(jī)械臂配合，當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物時，通過機(jī)械臂清除障礙物;通過火焰傳感器可以全方位地快速尋找火焰信號，自動尋找火源，到達(dá)火焰邊緣時，啟動滅火程序，進(jìn)行滅火。通過NRF24L01無線模塊可以進(jìn)行無線控制滅火機(jī)器人清除障礙物和滅火等操作。

引言

　　現(xiàn)在社會各種危險場所的火災(zāi)頻繁發(fā)生，火災(zāi)一旦蔓延，會給人們的生產(chǎn)和生活帶來巨大的威脅，因此，對火災(zāi)的及時補(bǔ)救成為一個重要問題^[1]?；诖?，本文設(shè)計了一款智能清障滅火機(jī)器人，該機(jī)器人能夠及時地發(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，節(jié)約大量的人力財力，保障消防員的生命安全^[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　智能清障滅火機(jī)器人采用四驅(qū)小車為主體結(jié)構(gòu)，通過四個電機(jī)控制四個輪子的轉(zhuǎn)速，從而控制小車的前進(jìn)與后退。車體的中間安裝近紅外避障傳感器，當(dāng)距離墻壁太近時可以自動轉(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，車身上安裝2個由舵機(jī)控制的機(jī)械手臂，四個超聲波模塊，當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物時，可以通過機(jī)械手臂進(jìn)行清除障礙物，小車前方裝有火焰?zhèn)鞲衅?，可以全方位地快速尋找到火焰信號，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，傳感器將信號送給控制模塊，啟動滅火程序，小車采用風(fēng)扇滅火、噴水滅火等多種滅火方式，有效完成滅火任務(wù)。通過在滅火機(jī)器人車身搭載一個360度可旋轉(zhuǎn)的攝像頭，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場滅火情況的實(shí)時傳輸，由兩個NRF2401無線模塊與滅火機(jī)器人連接可以實(shí)現(xiàn)對滅火機(jī)器人進(jìn)行無線遠(yuǎn)程手動控制^[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要由STM32F411RE、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動模塊、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)時處理能力和處理速度，基于此，本設(shè)計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端口和傳感器組的數(shù)據(jù)，作為輸出端口用于驅(qū)動電機(jī)。4個PWM定時器用于驅(qū)動大功率直流電機(jī)。芯片具有速度快、功耗低、可靠性高、實(shí)時性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)^[5]。

2.2 電源模塊

　　通過開關(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)板供電問題。遠(yuǎn)程控制時，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，可以將檢測到的熱源信號轉(zhuǎn)變成機(jī)器人可以識別的電信號，具有信號輸出指示，輸出有效信號為低電平?；鹧?zhèn)鞲衅骺梢杂脕頇z測波長在760納米到1100納米范圍內(nèi)的熱源。其中，當(dāng)紅外波長在960納米附近時，其靈敏度最大，探測角度達(dá)60度，滿足對火焰的檢測指標(biāo)^[7]。

　　機(jī)械臂由兩個舵機(jī)控制，通過控制兩個舵機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)對障礙物的準(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)計如圖2所示。

2.4 紅外測距傳感器

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

2.5 無線模塊

　　通過選用基于ZigBee協(xié)議的NRF24L01無線模塊，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制滅火機(jī)器人的各項操作功能。NRF24L01無線模塊通過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)置自動應(yīng)答，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。無線控制端與機(jī)器人連接框圖如圖3所示。

2.6 電機(jī)驅(qū)動模塊

　　滅火機(jī)器人的車身電機(jī)采用L298N芯片驅(qū)動，用兩個L298N驅(qū)動4個直流減速電機(jī)，通過控制模塊輸出四路PWM信號驅(qū)動L298N，通過改變PWM的脈沖占空比，調(diào)節(jié)車輪的不同轉(zhuǎn)速，控制機(jī)器人車身的前進(jìn)與后退等。電機(jī)驅(qū)動模塊電路如圖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)器人與計算機(jī)主控端的通信，在計算機(jī)主控端界面上可以實(shí)時看到滅火機(jī)器人的滅火情況，可以通過攝像頭反饋回來的圖像，通過NRF24L01無線模塊等構(gòu)成的手持控制器，手動遠(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)計與系統(tǒng)測試

　　軟件部分的設(shè)計采用模塊化的軟件設(shè)計思想。軟件設(shè)計的整體流程圖如圖5所示。開機(jī)首先是自啟動，確定是否進(jìn)入無線模式，通過按鍵進(jìn)行選擇，一旦進(jìn)入無線模式，可以通過按鍵控制滅火機(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，通過攝像頭反饋回來的視頻，控制機(jī)器人準(zhǔn)確到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行清理障礙物和滅火等操作。進(jìn)入自動模式(初始默認(rèn))時，機(jī)器人將會首先判定周圍是否有火源，如果沒有火源，機(jī)器人會自動尋找障礙物，通過紅外和超聲波傳感器的配合對障礙物進(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)計之后就開始對本設(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)整體測試工作。首先進(jìn)入無線模式進(jìn)行測試，通過無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)為自動模式后，機(jī)器人可以自動尋找障礙物和滅火，經(jīng)過實(shí)驗驗證整個系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，和較強(qiáng)的抗干擾能力。滅火機(jī)器人與無線控制端的實(shí)物圖如圖6所示。

4 結(jié)束語

　　本文基于STM32F411RE控制器，設(shè)計了一款智能清障滅火機(jī)器人，對其硬件與軟件設(shè)計進(jìn)行了介紹，并進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗驗證。實(shí)驗結(jié)果表明，所設(shè)計的智能清障滅火機(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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本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第8期第27頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。