基于門口檢測策略的滅火機器人的設(shè)計

周兆匡 湖南省岳陽市第一中學(xué) 414000任勝兵 中南大學(xué)軟件學(xué)院 410075

基于門口檢測策略的滅火機器人的設(shè)計

周兆匡 湖南省岳陽市第一中學(xué) 414000任勝兵 中南大學(xué)軟件學(xué)院 410075

依據(jù)機器人滅火比賽規(guī)則，本文設(shè)計基于門口檢測策略的滅火機器人，在已有機器人的基礎(chǔ)上對各種傳感器進(jìn)行科學(xué)布局，實現(xiàn)火源門口檢測功能。主要實現(xiàn)了避障、尋火、滅火和回家四個模塊。實驗表明本文的滅火策略的滅火時間大大縮短。

引言

隨著信息科技的迅速發(fā)展，使得人們生活工作發(fā)生天翻地覆的變化。為了拉近中小學(xué)生與現(xiàn)代信息科技技術(shù)的距離，國家頒布了普通中小學(xué)校信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)。在從事現(xiàn)代信息科技技術(shù)教育的過程中發(fā)現(xiàn)，機器人教育涉及了信息技術(shù)幾乎所有的內(nèi)容，不僅讓學(xué)生接觸到最新的信息技術(shù)，而且讓學(xué)生充分發(fā)揮想象力來開發(fā)新的智能機器人，從而培養(yǎng)學(xué)生對信息技術(shù)的開發(fā)及創(chuàng)新能力。為了推動中小學(xué)機器人教育的發(fā)展，國內(nèi)推出了大量不同類型的機器人比賽。機器人滅火是中小學(xué)機器人比賽中最引人注目的項目之一，不僅可以提高中小學(xué)生的機器人組裝能力，還可以提高中小學(xué)生的編程能力及創(chuàng)新能力。

由于中小學(xué)生的設(shè)計能力有限，目前主要采用國內(nèi)機器人廠商開發(fā)的機器人參加機器人滅火比賽。在比賽中取得了一些成績，但是成績的好壞取決于廠商開發(fā)的機器人的水平。為了在機器人滅火比賽中獲取更好的成績，本文在現(xiàn)有的機器人基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，采用門口探測的滅火策略，大大提高了機器人滅火的效率。

1 機器人滅火比賽規(guī)則

目前國內(nèi)中小學(xué)生機器人滅火比賽規(guī)則完全采用國際比賽規(guī)則，模仿現(xiàn)實生活中的消防隊員滅火的情景，讓機器人在有4間平面結(jié)構(gòu)的模型房子中，自主尋找任意放置的蠟燭，并將其熄滅[1]。 機器人滅火比賽場地平面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中的比賽場地的墻壁高33cm，厚2cm，由木板做成的且為白色。比賽場地的地板均被刷為黑色的光滑的木質(zhì)表面。機器人將從一個標(biāo)有“H”的起始位置的圓圈開始，而且必須在圓圈中啟動。場地中所有的走廊和每個房間的門口都是46cm寬，門檻上沒有門。而且房間的入口用2. 5cm寬的白線表示。機器人的整體外形尺寸在出發(fā)前和任務(wù)完成后都應(yīng)該在標(biāo)有“H”的正方形區(qū)域。有效的滅火范圍也是用白色的圓圈表示。

按照國際機器人滅火比賽的標(biāo)準(zhǔn)，得分越低，成績越好。目前有6種運行模式可供選擇。不同模式的得分系數(shù)也各不相同，標(biāo)準(zhǔn)模式得分系數(shù)為1.0；聲音啟動模式的得分系數(shù)是0.95；回家模式的得分系數(shù)為0.80；家具模式的得分系數(shù)為0.75；滅火模式，使用風(fēng)扇吹風(fēng)滅火的得分系數(shù)為1.0，不使用吹風(fēng)滅火的方式將火滅掉系數(shù)為0.85；搜索房間數(shù)目越多，系數(shù)越少，得分越低。最終的實際得分=實際時間×啟動模式系數(shù)×房間系數(shù)×搜救系數(shù)×回家系數(shù)。

2 基于門口探測策略的滅火機器人的設(shè)計

為了滿足機器人滅火比賽的功能要求，本文采用了門口探測策略來設(shè)計滅火機器人，即如果房間無火則不進(jìn)房間搜索的方法。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)原理，將滅火機器人系統(tǒng)設(shè)計劃分為系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個部分。硬件設(shè)計部分主要完成機器人探測火焰、防碰撞任務(wù)所需的傳感器配置工作。軟件設(shè)計部分完成機器人滅火探測策略。

2.1 滅火機器人硬件設(shè)計

本文設(shè)計的滅火機器人硬件結(jié)構(gòu)由微控制器、傳感器模塊、電源模塊、系統(tǒng)驅(qū)動模塊、滅火裝置及聲控模塊等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 滅火機器人硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2描述了滅火機器人硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為了盡可能地節(jié)約開發(fā)成本，以學(xué)校目前已有的某滅火器機器人控制器、驅(qū)動模塊、滅火裝置為基礎(chǔ)，添加合理的傳感器組合及聲控模塊來完成機器人硬件設(shè)計。

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(guān)系[2]。根據(jù)比賽規(guī)則，機器人主要使用紅外傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、灰度傳感器、溫度傳感器及相?yīng)的信號處理電路。聲控模塊主要是啟動機器人，微控制器模塊將從傳感器獲取的信息進(jìn)行分析，來驅(qū)動機器人的驅(qū)動模塊，以避免碰撞或前進(jìn)等。當(dāng)探測到火焰后，控制器啟動滅火設(shè)備滅火，然后回到起始位置。

紅外傳感器主要是用來檢測障礙物，避免碰到墻壁以及尋找房間的門，也稱距離傳感器(PSD傳感器)。紅外傳感器可以檢測的范圍為10cm～80cm。通過發(fā)射紅外線和接受發(fā)射回來的紅外線來確定離障礙物的距離。

火焰?zhèn)鞲衅饔脕硖綔y和追蹤火源，在滅火比賽中主要用于尋找火源。當(dāng)測不到火焰時，輸出電壓約等于0，當(dāng)傳感器測到火焰時，輸出電壓為0.5～2.5V。通過控制器信息處理來實現(xiàn)火焰檢測。對可見光和紅外光的有效探測距離可達(dá)2m，探測角度為60度，線性度精確。因此越靠近熱源，讀數(shù)越小[3]。

灰度傳感器屬于光敏傳感器，根據(jù)不同顏色的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)的路標(biāo)，以便準(zhǔn)確找到房間門入口、火焰范圍及終點處。

非接觸式紅外溫度傳感器用來尋找火源。通過周圍環(huán)境與火焰溫度的對比來判斷火源位置。由于其反應(yīng)速度快，價格低，因此采用火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鲗鹪催M(jìn)行定位。為了便于實施門口檢測策略，滅火機器人傳感器分布如圖3所示。

圖3 滅火機器人傳感器分布圖

在圖3中，左紅外傳感器接數(shù)字14口，左45度角紅外傳感器接數(shù)字8口，右紅外傳感器接數(shù)字15口，左右45度角紅外傳感器接數(shù)字10口，前紅外傳感器接數(shù)字9口，聲控傳感器接模擬3口，左、右火焰?zhèn)鞲衅鞣謩e接模擬4、5口，前、后灰度傳感器分別接模擬6、7口，前、后溫度傳感器接模擬1、2口。

2.2 基于門口檢測策略的滅火機器人軟件設(shè)計

機器人的硬件配置決定了滅火機器人的最大的潛力，需要設(shè)計優(yōu)秀的策略來充分開發(fā)這些潛能。為了在滅火比賽中節(jié)省時間，減少碰撞次數(shù)，提高比賽成績，本文采用了門口檢測策略。滅火比賽項目由避障、找火、滅火和回家四部分組成。該策略利用距離紅外傳感器，實現(xiàn)無碰撞行走；在找火階段中，機器人通過灰度傳感器檢測每個房間入口的白線，然后利用火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅骺焖賹ふ一鹪?，如果找到火源，則啟動滅火模塊，如果沒有找到火源則查找其他房間即無火不進(jìn)房間；如果進(jìn)入滅火階段，則需快速精確定位火源，完成對火操作，滅火動作，最后返回到出發(fā)位置。其總體算法如圖4所示。

圖4 總體算法流程圖

2.2.1 機器人避撞階級分析

滅火機器人主要通過獲取多個距離紅外傳感器信號，判斷周圍障礙物的情況，從而控制機器人無碰撞行走。門口檢測策略綜合應(yīng)用了左手、右手法則以及固定線路法來規(guī)避障礙物。以沿左墻走為例說明無碰撞行走算法。沿左墻行進(jìn)示意圖如圖5所示。

圖5 沿左墻行進(jìn)示意圖

圖5對應(yīng)的沿左墻行走規(guī)則如表1所示，其中PSD1為左45度角紅外傳感器，PSD2為左紅外傳感器。

表1 沿左墻行進(jìn)規(guī)則

從表1可見，通過設(shè)置多個條件判斷，可以準(zhǔn)確決定出機器人下一步運動方向，實現(xiàn)精確控制機器人行走，以避免與障礙物發(fā)生碰撞。右手行走法則情況與左手行走法則類似。

2.2.2 機器人尋找火源階段分析

由于本文采用門口檢測策略，需要在每個房間的門口探測是否存在火源，所以就必須確定房間的入口，也就是檢測代表房間門口的白線。另外需要綜合使用火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鱽硖綔y火源的存在。本文使用前、后兩個灰度傳感器來檢測白線。通過大量的實驗得知白線的灰度值為85，地面灰度的長度為125。房間門口白線檢測的條件判斷語句如下:

即如果機器人前、后兩個灰度傳感器檢測的灰度結(jié)果不同時，則說明機器人到了房間的門口處。

在到達(dá)房間門口處后，需要使用左、右火焰?zhèn)鞲衅骱蜏囟葌鞲衅鱽頇z測火源。首先需要確定機器人感應(yīng)火源的火光的臨界值，機器人滅火位置的臨界值。通過大量的實驗得知找到火光的臨界值為989，蠟燭熄滅臨界值為1000?；鹧鏅z測的條件判斷語句如下：

即在房間門口將接收的灰度信息與臨界值對比，以及判斷前、后溫度傳感器值是否相同來判斷該房間是否存在火源。

2.2.3 機器人滅火階段分析

當(dāng)找到存在火源的房間后，則進(jìn)入滅火階段。進(jìn)行滅火之前，需要完成找到滅火的合適位置、滅火方向的校正兩個任務(wù)。

為了有效地完成滅火任務(wù)，需要找到合適的滅火位置。另外不允許碰到蠟燭，機器人需要在蠟燭外圍的白線處停止。則尋找合適滅火位置的條件判斷語句如下:

到達(dá)了合適的滅火位置后，對滅火方向進(jìn)行校正，需要根據(jù)左右火焰?zhèn)鞲衅鞯闹颠M(jìn)行校正。如果左邊火焰強，像左多搖動一點；如果右邊火焰強，向右多搖動一點；正對火焰，則啟動風(fēng)扇進(jìn)行滅火，吹滅蠟燭。

2.2.4 機器人回家模式分析

在對火源進(jìn)行滅火后，需返回且停在終止位置。如果在1號房間發(fā)現(xiàn)火源，則滅火后走右手法則回家；如果在4號房間發(fā)現(xiàn)火源，則滅火后走右手法則回家；如果在3號房間發(fā)現(xiàn)火源，則滅火后走左手法則回家；如果在2號房間發(fā)現(xiàn)火源，則滅火后先走左手法則，然后走固定直線線路返回到終止位置。則檢測終止位置的條件判斷語句如下：

如果機器人前后皆為白色且前面有墻壁，則停車。

2.2.5 機器人路徑規(guī)劃

在機器人滅火的四個階段中，路徑規(guī)劃自始至終貫穿其間。滅火機器人在不同環(huán)境中需走出合適的路徑(也就是控制轉(zhuǎn)向問題)。為了實現(xiàn)門口檢測策略，本文采用了左右手規(guī)則相結(jié)合的方法來走完全程。機器人滅火路徑規(guī)劃如圖6所示。

圖6 滅火機器人路徑規(guī)劃

機器人最終按照圖6中路徑規(guī)劃來依次實現(xiàn)避障、尋火及滅火操作，最終完成滅火任務(wù)。

3 實驗測試結(jié)果分析

滅火比賽的任務(wù)是滅火機器人以最短時間找到火源，并將其撲滅。成功滅火并且用時最短者獲勝。影響用時長短的因素包括直線調(diào)整次數(shù)、碰撞次數(shù)、正確轉(zhuǎn)換次數(shù)、找準(zhǔn)火源次數(shù)及成功滅火次數(shù)等。直線調(diào)整次數(shù)越少，碰撞次數(shù)越少，正確轉(zhuǎn)換次數(shù)越多，找準(zhǔn)火源次數(shù)越多，成功滅火次數(shù)越多，則滅火所用的時間越短[4]。在測試機器人過程中，進(jìn)行大量的調(diào)試包括程序的修改和傳感器位置的調(diào)整。

為了測試本文的策略方法，分別對4個房間進(jìn)行3次滅火實驗。記錄并統(tǒng)計10組數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實際滅火時間數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

根據(jù)表2可見，滅火機器人遍歷4個房間后，熄滅4號房間的火源，實際滅火時間大約為8s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6.9s以下。實驗表明采用門口檢測策略的滅火機器人較采用其他一般算法的機器人滅火時間大大縮短，而且性能穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

依據(jù)國際滅火比賽的規(guī)則，設(shè)計了基于門口檢測策略的滅火機器人。在已有機器人上對各種傳感器進(jìn)行合理、科學(xué)的分布，實現(xiàn)火源的門口檢測，實現(xiàn)快速避障、尋火、滅火及回家操作。實驗表明采用門口檢測策略的機器人滅火速度快，大大提高了滅火成績。

[1]張英. 機器人滅火的設(shè)計方案[J]. 西安郵電學(xué)院學(xué)報.2006,11(3):100-112

[2]鮑禹，等. 基于MSP430控制芯片的滅火機器人的設(shè)計[J]. 2007(3):24-27

[3]肖海榮，等. 比賽用滅火機器人設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機信息.2007,(2):283-285

[4]李小燕，等. 智能滅火機器人的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程.2010,(3):51-54

According to the race rules for fire-fighting robot, this paper designs a fire-fighting robot based on door-detection strategy, and achieves door-detection function by distributing scientifically various different sensors based on existing robot in our school. It mainly realizes four modules such as obstacleavoidance, fire-searching, fire-extinguishing and back-home. Experiments show that this fireextinguishing strategy has shorter fire-extinguishing time.

機器人；滅火比賽；門口檢測

robot; fire-fighting race; door-detection

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.079