動用你的智慧DIY一個家庭滅火機(jī)器人吧，附軟硬件的系統(tǒng)解決方案

1.項(xiàng)目的內(nèi)容和具體目標(biāo)等

首先我介紹一下機(jī)器人產(chǎn)生的背景，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，也同時，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認(rèn)識自然過程中，實(shí)現(xiàn)人們對不可達(dá)世界的認(rèn)識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。

那么什么是機(jī)器人呢？人們一般的理解來看，機(jī)器人是具有一些類似人的功能的機(jī)械電子裝置，或者叫自動化裝置，它仍然是個機(jī)器，它有三個特點(diǎn)，一個是有類人的功能，比如說作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動作，它還有一個特點(diǎn)是根據(jù)人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點(diǎn)，就是它可以編程，改變它的工作、動作、工作的對象，和工作的一些要求，它是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。

隨著社會與國家的發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)迅速增長的同時，各種危險(xiǎn)場所不可避免的火災(zāi)頻繁出現(xiàn)，給社會安全造成了很多隱患，于是現(xiàn)代火災(zāi)及時補(bǔ)救已成為迫在眉睫需要解決的問題，救火早一刻就少一分損失，消防救援人員固然速度已經(jīng)很快，但也需要一段不小的時間，而且進(jìn)入救火現(xiàn)場還有生命危險(xiǎn)的可能，于是滅火機(jī)器人的理念誕生了，笨設(shè)計(jì)主要就是針對滅火機(jī)器人的制作與研究，小車以AT89S52單片機(jī)為控制核心，加以電源電路、電機(jī)驅(qū)動、光電傳感電路、火焰檢測電路、滅火風(fēng)扇以及其它電路構(gòu)成。電源電路提供系統(tǒng)所需的工作電源，專用電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)控制小車的前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)向，光電對管完成尋跡和避障，光敏電阻傳感器檢測火焰，滅火風(fēng)扇進(jìn)行滅火。本設(shè)計(jì)制作的消防小車具有簡易滅火功能，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場滅火的目的。

通過滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)，我們可以了解機(jī)器人滅火任務(wù)， 知道簡單的程序算法，掌握通過機(jī)器人識別白線、機(jī)器人檢測火焰等方法滅火的方法。 通過制作滅火機(jī)器人我們可以弄懂簡易滅火機(jī)器人的搭建、火焰?zhèn)鞲衅鞯氖褂?，知道機(jī)器人尋找火源完成簡單滅火任務(wù)。此外我們可以培養(yǎng)觀察能力、動手能力、創(chuàng)造能力，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣。通過對光學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械原理以及美學(xué)等的綜合運(yùn)用，提高知識的綜合運(yùn)用。通過競賽機(jī)制，鍛煉我們的競爭和合作意識，鍛煉學(xué)生比賽時的靈活性。最終目標(biāo)，我們設(shè)計(jì)出一種快速滅火的機(jī)器人，能夠有效地消滅火災(zāi)，為人們減少火災(zāi)損失；為人們生活帶來方便。

2.研究方法、研究方案及可行性

一、硬件

通過對比賽規(guī)則的研究,設(shè)計(jì)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示

1.1傳感器部分

傳感器檢測環(huán)境信息,描述機(jī)器人與環(huán)境的相互關(guān)系。針對比賽規(guī)則,機(jī)器人主要使用了紅外傳感器、灰度傳感器及相應(yīng)的信號處理電路。機(jī)器人滅火裝置是一個風(fēng)扇,當(dāng)機(jī)器人接近火源時自動打開風(fēng)扇,吹滅火焰。用LCD作為輸出顯示。紅外傳感器有兩種,一種用來檢測障礙,避免撞到墻壁同時又可以尋找房間的門。紅外傳感器能夠檢測到前方10cm～80cm,90°范圍內(nèi)的比0.03平方米面積大的障礙物。

紅外傳感器由兩個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管組成。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線,紅外線在遇到障礙物后被反射回來,紅外接收管收到被反射回來的紅外線后,通過A/D轉(zhuǎn)換送單片機(jī)進(jìn)行處理。另外,一種紅外傳感器用來探測火源。這種火焰紅外傳感器可以探測到波長在700nm～1000nm范圍內(nèi)的紅外光,適宜用來探測火源或熱源,探測角度為60°。

紅外傳感器將外界紅外光光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為0～255范圍內(nèi)的數(shù)值。外界紅外光越強(qiáng),數(shù)值越小。因此，越靠近熱源,機(jī)器人顯示讀數(shù)越小。根據(jù)函數(shù)返回值的變化能判斷紅外光線的強(qiáng)弱，從而能大致判別出火源的遠(yuǎn)近?；叶葌鞲衅饔脕頇z測場地內(nèi)的路標(biāo),以便準(zhǔn)確找到房間和有效滅火范圍。比賽場地地面除了表示起點(diǎn)的圓圈、房間的門和有效滅火范圍是白色的外,其余都是黑色的?；叶葌鞲衅饔晒饷綦娮韬桶l(fā)光二極管組成，發(fā)光二極管照射到地面的反射光線被光敏電阻接收，其電阻值根據(jù)反射光線強(qiáng)弱而改變。地面灰度大,光敏電阻值大；地面灰度小，光敏電阻值小。阻值的變化轉(zhuǎn)變成電信號輸入到機(jī)器人主板上的微控制器，再由微控制器中的A/D轉(zhuǎn)換器將電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.2電源模塊

采用直流電源，工作電壓為20V，可提供40 A的穩(wěn)定供電電流，是普通電池的lO倍。

1.3電機(jī)驅(qū)動模塊

機(jī)器人在運(yùn)動過程中需要改變速度和方向．要求電機(jī)的驅(qū)動器具有良好的電壓調(diào)整特性。這里采用大功率MOS驅(qū)動器，在ll一25 V電壓下?？商峁?0 A的額定電流。此驅(qū)動器采用雙極性驅(qū)動。通過控制PWM的占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，這樣機(jī)器人實(shí)現(xiàn)動態(tài)環(huán)境下快速準(zhǔn)確達(dá)到目標(biāo)速度川。4路PW信號驅(qū)動4臺大功率直流電機(jī)/控制輪子的轉(zhuǎn)動方向。滅火風(fēng)扇直流電機(jī)由控制器的伺服電機(jī)輸出端口的信號驅(qū)動。

1.4其他模塊

滅火模塊主要包括微型電風(fēng)扇和風(fēng)扇直流電機(jī)。當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)并趨近火源后?？刂破鲉语L(fēng)扇滅火。

為提高比賽成績。采用聲音啟動模式，控制器的語音采集端口讀取聲音信號。當(dāng)信號值大于某一值。

機(jī)器人啟動。

二、軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上根據(jù)實(shí)際地圖采用左手走規(guī)則，左手走規(guī)則是指機(jī)器人始終沿著左邊的墻壁行走，一直走完全程。該規(guī)則要求機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)沿著墻壁前進(jìn),在場地轉(zhuǎn)彎處或是門口時，機(jī)器人能自動轉(zhuǎn)過去；當(dāng)前方有障礙物時,機(jī)器人能自動躲避。機(jī)器人按如下路線搜索火源：H→一號房間→二號房間→三號房間→四號房間在搜索到火源并滅火后，再按所設(shè)路線返回，在一、二號房間滅完火后按右手規(guī)則返回，在三、四號房子滅完火后按左手規(guī)則返回，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了節(jié)省時間。程序設(shè)計(jì)時，總體任務(wù)可劃分成四個模塊：啟動模塊、搜索火源模塊、滅火模塊、回家模塊(流程圖略)。啟動模塊,本模塊主要是采用各種不同的方法。(如手動啟動或聲音啟動)讓機(jī)器人從標(biāo)有H的白圈出發(fā)。

搜索火源模塊，本模塊主要是對每個房間按預(yù)定順序進(jìn)行搜索，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)某房間門口時，底部的灰度傳感器搜索到門口白線的存在，如果此時火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到的亮度大于某一值(這一值由當(dāng)時環(huán)境與火焰亮度的差值而設(shè)定)時，退出該房間繼續(xù)搜索其余房間，否則，切換到滅火模塊。滅火模塊，此模塊主要完成趨光、滅火等功能,當(dāng)搜索到火源后即執(zhí)行完搜索火源模塊，機(jī)器人會趨向光強(qiáng)的方向(蠟燭)行走，當(dāng)機(jī)器人底部的灰度傳感器檢測到蠟燭外圍的白線時，機(jī)器人停止前進(jìn)，打開風(fēng)，吹滅蠟燭?；丶夷K，滅火成功后紅外傳感器檢測到其亮度降到與外界差不多的時候,切換到回家模塊。根據(jù)搜索火源模塊檢測到的地面白線次數(shù)W，判斷機(jī)器人處于哪個房間，進(jìn)而決定回家的方式。當(dāng)W=3時用右手定則回家,當(dāng)W=4或等于5時用左手定則回家，當(dāng)W為其他值時按右手定則回家。當(dāng)進(jìn)人白圈后,光敏傳感器檢測到地面灰度持續(xù)小于某一值超過一定時間則機(jī)器人停止。

三、系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試分模塊調(diào)試和系統(tǒng)總調(diào)試兩個階段。首先,分別對四個模塊進(jìn)行檢測與調(diào)試,期間也遇到很多問題,特別是對搜索火源模塊的調(diào)試最為重要和繁瑣;單個模塊調(diào)試完畢后,需要根據(jù)場地具體情況進(jìn)行系統(tǒng)總調(diào)試,在這個階段主要是考慮如何在保證滅火成功的情況下縮短滅火所需的時間,以爭取更好的成績。