基于ARM的滅火機器設(shè)計

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摘 要： 以室內(nèi)環(huán)境為研究對象，設(shè)計了一個自主行走的滅火機器人。系統(tǒng)以ARM單片機為核心控制單元，結(jié)合避障傳感器、紅外傳感器和灰度傳感器等實現(xiàn)了機器人自主行走并滅火。根據(jù)環(huán)境參數(shù)要求，對機器人的設(shè)計方案進行了合理的選擇和分析，實現(xiàn)了機器人穩(wěn)定、快速、精確消滅火源。通過實例驗證，設(shè)計方案穩(wěn)定可靠，機器人可在10秒內(nèi)完成尋找火源并滅火。

關(guān)鍵詞： PWM電路； 測障傳感器； 火焰?zhèn)鞲衅鳎?直流電機

中圖分類號：TP312 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）01-11-03

0 引言

目前很多高等院校和研究院所從事各類機器人的研究工作，已經(jīng)在機器人的感覺識別、操作、移動技術(shù)、人機接口技術(shù)、智能化技術(shù)等方面取得了可喜的成就。這些成就為滅火機器人的研制創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件。本文針對滅火機器人的硬件條件和滅火比賽的具體功能要求，進行了智能滅火機器人精確控制研究，實現(xiàn)機器人快速穩(wěn)定地滅火。

1 研究任務(wù)

本研究是針對家庭環(huán)境下的滅火機器人，讓機器人在室內(nèi)環(huán)境內(nèi)自主完成火源的查找并消滅火源，以火源查找與滅火的精確性和快速性為設(shè)計要求。以蠟燭模擬火源，隨機分布在場地中，模擬滅火場地如圖1所示。

2 系統(tǒng)工作原理及功能簡介

本系統(tǒng)采用32位ARM內(nèi)核單片機作為主機控制模塊。采用紅外避障傳感器來識別墻壁和障礙物，用火焰?zhèn)鞲衅鱽頇z測火源。單片機對傳感器識別到的信號加以分析和判斷，通過對直流電機的控制實現(xiàn)小車前進和滅火的任務(wù)。系統(tǒng)工作原理框圖如圖2所示。

3 硬件設(shè)計

3.1 紅外避障電路

紅外避障傳感器是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，根據(jù)高頻調(diào)制的紅外線在待測距離上往返產(chǎn)生的相位移推算出光束度越時間Δt，從而根據(jù)DCΔt/2計算出里待測物體的距離。這里選擇納英特公司的紅外避障傳感器，數(shù)字量輸出，不需要進行AD轉(zhuǎn)換，可直接連接單片機的IO口。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，額定工作電壓為5V，可以廣泛應(yīng)用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。

如圖3所示，本紅外避障傳感器引出三條接口線，分別對應(yīng)VCC、GND、OUT。它的輸出狀態(tài)是0、1。即遇到障礙物時為低電平，沒有遇到障礙物時為高電平。

3.2 火焰檢測電路

火焰?zhèn)鞲衅魇菣C器人專門用來搜尋火源的傳感器。為了對火焰實現(xiàn)準確定位，我們采用多通道火焰?zhèn)鞲衅鳎褂枚鄠€火焰?zhèn)鞲衅鲄f(xié)同感知的辦法，來判斷火源相對于機器人的位置。在安裝時考慮檢測的角度，將傳感器安放在與火焰同高的水平面上。這些火焰?zhèn)鞲衅鞣植荚跈C器人的傳感器板的正前，正左，正右。火源傳感器能夠探測到波長在700納米-1000納米范圍內(nèi)的紅外光，其中紅外光波長在880納米附近時的靈敏度達到最大。

在設(shè)計時首先設(shè)定一個閥值，開機默認閥值為100，可通過機器人單片機的程序來更改閥值，范圍在20～200。機器人在行進過程中，如果測到的最大值小于閥值，則表示沒有火焰，此時傳感器采用折半查找的方法來尋找最大值，每次采集6個通道并找出最大值，保存好最大值以及其通道號，檢測一次大概需要216uS，傳感器上的指示燈呈流水燈狀態(tài)。如果測到的最大值大于閥值，則表示有火焰，此時傳感器采用追蹤法來尋找最大值，每次只檢測當前最大值所在通道以及其左右兩邊的通道，再比較這三個通道的數(shù)據(jù)，保存好其中最大值以及其所在通道號，將此次最大值的通道號作為下一次檢測時的最大值通道?；鹧?zhèn)鞲衅髟韴D如圖4所示。

3.3 直流電機驅(qū)動電路

直流電機的驅(qū)動電路采用H型PWM電路。用單片機控制驅(qū)動電路，使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。電路中，H橋式電機驅(qū)動電路包括四個三極管和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。當IO2口為低電平，IO1口為高電平，此時Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止，電動機正常工作。改變IO2口的高電平周期，即改變PWM調(diào)制脈沖占空比，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。直流電機控制電路圖如圖5所示。

3.4 控制主板設(shè)計

本滅火機器人的主機控制模塊采用32位ARM內(nèi)核的單片機，該控制器存儲容量大、運行速度快、外圍接口豐富、穩(wěn)定可靠，支持C語言編程，方便編程。滿足設(shè)計所需的AD轉(zhuǎn)換、LCD液晶顯示、電機控制、按鈕控制等要求。該控制器采用3.3V供電，工作電流在20mA以下，可謂是低功耗節(jié)能的控制器。為了精確定位機器人的行走方位，在設(shè)計時還安裝了指南針傳感器，方便機器人方位的確定。主機控制模塊原理圖如圖6所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)

4.1 家用滅火機器人系統(tǒng)總體流程

此部分是小車運行的核心部分，控制小車所有運行狀況。系統(tǒng)總體流程是：小車啟動后，由入口進入場地，能夠避開障礙物前進，一旦檢測到有火源，就由單片機控制啟動風扇，進行滅火。滅火完成后，返回原地。然后繼續(xù)前進，重復(fù)剛才的過程，直到小車達到出口處才表示結(jié)束本次任務(wù)。在此過程中，各個模塊彼此配合，完成各自的任務(wù)。主程序控制流程圖如圖7所示。

4.2 小車滅火的主程序軟件流程圖

如圖8所示，首先對小車進行初始化，接著小車前進，前進的同時能夠避開墻壁，通過過道，并能夠檢測到火源，如果檢測到火源的存在，則停止前進，調(diào)整車頭方位，啟動風扇滅火，接著判斷是否將火滅掉，如果火已經(jīng)熄滅，則小車繼續(xù)前進尋找下一個火源，如果沒有熄滅則風扇繼續(xù)開啟。主程序流程圖如圖8所示。

4.3 小車避障前進程序流程圖

避障前進程序首先采集紅外避障傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)，判斷當前小車周圍是否有墻壁或障礙物，然后再執(zhí)行操作，指揮小車在不與墻壁或障礙物相撞的情況行走。避障前進程序流程圖如圖9所示。

4.4 火源模塊程序流程圖

如果火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘栵@示火焰在小車的前方，則小車繼續(xù)前進一段距離，到合適位置，啟動風扇滅火；如果檢測到火焰在小車的左側(cè)，則小車左轉(zhuǎn)一定角度，在正對火源方向啟動風扇滅火；如果檢測到火焰在小車的右側(cè)，則小車右轉(zhuǎn)一定角度，在正對火源方向啟動風扇滅火；若沒有檢測到火源則繼續(xù)前進?；鹪茨K程序流程圖如圖10所示。

5 結(jié)束語

本設(shè)計是基于實際比賽要求而設(shè)計的，并參加了比賽，取得了良好的成績。各部分的設(shè)計以及各傳感器的使用都是經(jīng)過多次比較和多次試驗而確定的。機器人歷時10s內(nèi)完成滅火任務(wù)。設(shè)計中采用了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，大大提高了機器人處理信號的能力，采用了PWM信號控制大功率直流電機，在速度和精度方面有了很大的改進。多通道外火焰?zhèn)鞲衅?，很好地完成了對火源的精確定位任務(wù)，提高了滅火可靠性和快速性。

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