簡(jiǎn)易滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)

李鳳強(qiáng)

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 253034

簡(jiǎn)易滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)

李鳳強(qiáng)

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 253034

本設(shè)計(jì)以AVR單片機(jī)為核心，通過(guò)傳感器的檢測(cè)使滅火機(jī)器人自動(dòng)調(diào)整自身位置，自動(dòng)完成沿軌跡行駛尋找火源，并將其撲滅，模擬滅火現(xiàn)場(chǎng)。本系統(tǒng)采用ATmega48作為控制核心，CPU產(chǎn)生的PWM脈沖波形觸發(fā)H橋的功率元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的斬波調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)高、低速運(yùn)行的切換。

滅火機(jī)器人； AVR；直流電機(jī)；光電傳感器

引言

近年來(lái)，隨著石化等基礎(chǔ)工業(yè)的飛速發(fā)展，在生產(chǎn)過(guò)程中的易燃易爆和劇毒化學(xué)制品的使用急劇增長(zhǎng)，由于設(shè)備和管理方面的原因，導(dǎo)致化學(xué)危險(xiǎn)品和放射性物質(zhì)泄漏、燃燒爆炸的事故增多。消防機(jī)器人作為特種消防設(shè)備可代替消防隊(duì)員接近火場(chǎng)實(shí)施有效的滅火救援、化學(xué)檢驗(yàn)和火場(chǎng)偵察。它的應(yīng)用將提高消防部隊(duì)撲滅特大惡性火災(zāi)的實(shí)戰(zhàn)能力，對(duì)減少國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡將產(chǎn)生重要的作用。

1 設(shè)計(jì)要求

制作一個(gè)由計(jì)算機(jī)程序控制的機(jī)器人，在一間模擬平面結(jié)構(gòu)的房間里運(yùn)動(dòng)，找到一根燃燒的蠟燭并盡快將它撲滅。

滅火要求: 機(jī)器人不能運(yùn)用任何破壞性的或危險(xiǎn)的方法來(lái)?yè)錅缦灎T火焰。它可以運(yùn)用類似水、空氣等物質(zhì),或者使用機(jī)械方式，但是禁止使用任何危險(xiǎn)的或可能破壞滅火現(xiàn)場(chǎng)的方法或物質(zhì)。比如，不能通過(guò)燃放爆竹產(chǎn)生沖擊來(lái)使蠟燭熄滅，也不能通過(guò)碰倒蠟燭而使蠟燭熄滅。

2 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1 機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的結(jié)構(gòu)包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、控制部分及信息處理部分組成。小型機(jī)器人為了考慮其穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)向的靈活性，通常其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)以輪式為主，常見(jiàn)有以上四種結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)有各自的特點(diǎn)，根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，在有軌道的房間里運(yùn)行，應(yīng)該選擇車(chē)體較長(zhǎng), 旋轉(zhuǎn)半徑較大的第一種驅(qū)動(dòng)方式，易于尋找軌道。

圖2 火源探測(cè)傳感器

3 機(jī)器人采用的傳感器

本設(shè)計(jì)所使用的傳感器主要有兩種，一種是反射式光電傳感器，它主要被用于機(jī)器人在尋找火源過(guò)程中躲避障礙物。這一類傳感器比較常見(jiàn)不過(guò)多介紹。本設(shè)計(jì)中要用到的另一種傳感器是火源探測(cè)傳感器，它最主要的元件是用到光敏二極管。根據(jù)光敏二極管的特性，自行設(shè)計(jì)了一種火源探測(cè)傳感器，電路如圖2所示，當(dāng)沒(méi)有強(qiáng)光照射時(shí)Q2的電流很小，Q1的基極電位很低，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出2腳為高電平；當(dāng)發(fā)現(xiàn)火源時(shí)，傳感器有強(qiáng)光照射使少數(shù)載流子的密度增加，Q2的電流增大，從而使三極管的基極電位抬高，三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，輸出2腳為底電平，信號(hào)傳遞給單片機(jī)。調(diào)節(jié)R4可以改變傳感器的靈敏度。

圖3 Atmega48的引腳排列

4 機(jī)器人的執(zhí)行器

本設(shè)計(jì)的主要執(zhí)行裝置采用的是電機(jī)，根據(jù)不同的控制要求電機(jī)可以分很多種，有直流電機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、舵機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)等等。各種不同的電機(jī)有各自不同的控制方式，和工作特性。本設(shè)計(jì)的執(zhí)行器主要包括機(jī)器人的行進(jìn)系統(tǒng)和滅火裝置，底盤(pán)驅(qū)動(dòng)需要控制簡(jiǎn)單方便，價(jià)格便宜，對(duì)控制精度沒(méi)有過(guò)高要求，所以可選擇小型直流電動(dòng)機(jī)，額定電壓DC9V，額定轉(zhuǎn)速200r/ min。該滅火機(jī)器人的滅火機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用一個(gè)離心水泵，所以同樣選擇一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)即可。

5 機(jī)器人的控制器

控制器是機(jī)器人的“大腦”，是機(jī)器人的核心部分，其主要功能有：①機(jī)器人行動(dòng)的規(guī)劃，使機(jī)器人有序的工作；②了解工作環(huán)境，采集和存儲(chǔ)工作現(xiàn)場(chǎng)的信息，并進(jìn)行火災(zāi)情況的判斷和分析；③與外界進(jìn)行信息的交互。

針對(duì)本設(shè)計(jì)選擇控制器的問(wèn)題，綜合比較了51單片機(jī)與AVR單片機(jī)，由于AVR單片機(jī)具有編程靈活，使用C語(yǔ)言編程更容易，并自帶PWM功能，支持ISP功能，而且中斷源比較多。相比較而言51單片機(jī)抗干擾性能差，需要外圍電路復(fù)雜，沒(méi)有自帶的PWM和AD功能，而且中斷源少。綜合這些特點(diǎn)及本設(shè)計(jì)的控制要求和設(shè)計(jì)思路，最終選擇AVR單片機(jī)ATmega48作為控制器。

5.1 ATmega48單片機(jī)的引腳排列及各管腳功能介紹

5.1.1 信號(hào)引腳介紹：

如圖3所示。

★輸入/輸出口線

I/O口線：ATmega48單片機(jī)有3組I/O接口，即PB口、PC口和PD口。其中，PB口（PB0～PB7）和PD口（PD0～PD7）為8位I/O口，PC口（PC0～PC6）為7位I/O口。

★AGND 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電源地

★AVCC 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的電源

★AREF 模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的參考電源輸入端

★VCC 電源

★GND 電源地

5.1.2 編程軟件介紹

ICCAVR 是一種使用符合ANSI 標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)微控制器MCU程序的一個(gè)工具，它有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：ICCAVR 是一個(gè)綜合了編輯器和工程管理器的集成工作環(huán)境IDE，可在WINDOWS9X/NT 下工作。

5.2 電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采取PWM調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，采用Mega48的16位定時(shí)計(jì)數(shù)器1來(lái)產(chǎn)生PWM波形，相位與頻率修正PWM 模式，可以產(chǎn)生高精度的、相位與頻率都準(zhǔn)確的PWM波形。

本電路采用H型驅(qū)動(dòng)電路改變電機(jī)電樞電壓的極性，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖波形觸發(fā)H橋的功率元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的斬波調(diào)速。如圖4所示：A路PWM從PB1輸出接L298的IN1，同時(shí)經(jīng)反向器接IN2；B路從PB2輸出接L298的IN3，同時(shí)經(jīng)反向器接IN4。L298的輸出OUT1、OUT2接一個(gè)電機(jī)，OUT3、OUT4接一個(gè)直流電機(jī)，PWM波經(jīng)L298放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

圖4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖5 H橋工作原理圖

L298里面有兩組H橋，可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)小型直流電動(dòng)機(jī)。如圖5所示每一組H橋有四個(gè)三極管，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，T1、T4導(dǎo)通，電流流向如圖中實(shí)線所示，假設(shè)電機(jī)為正轉(zhuǎn)；當(dāng)輸入為低電平時(shí)，T2、T3導(dǎo)通，電流流向?yàn)樘摼€所示這時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。那么在一個(gè)周期內(nèi)的直流平均功率為正，則電機(jī)正轉(zhuǎn)，直流平均功率為負(fù)，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。比如說(shuō)：80%占空比時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；20%占空比時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)；50%占空比時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)。

6 小結(jié)

本設(shè)計(jì)采用性價(jià)比較高的AVR單片機(jī)ATmega48作為控制器，設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易的滅火機(jī)器人模型。本設(shè)計(jì)的滅火機(jī)器人還存在一定的技術(shù)問(wèn)題，機(jī)器人的活動(dòng)范圍受到局限，反應(yīng)不靈敏以及干擾問(wèn)題。在探測(cè)火源以及滅火方式還有很大的完善空間。而且，一種滅火機(jī)器人不可能適用于不同的建筑場(chǎng)合。因此，必須研究不同建筑結(jié)構(gòu)特殊性，有針對(duì)性的研制相應(yīng)的滅火機(jī)器人，以使滅火機(jī)器人發(fā)揮最大的作用。

[1] 林以敏編著.機(jī)器人制作.機(jī)械工業(yè)出版社,2010.7

[2]黃任編著.AVR單片機(jī)與CPLD/FPGA綜合應(yīng)用入門(mén).北京航空航天大學(xué)出版社,2004.8

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.076