小型自動滅火機(jī)器人

吳秉慧++徐嘉歡++高超禹++朱斐

摘要：隨著現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程的加速發(fā)展，城市化進(jìn)程也在快速發(fā)展，但是也帶來了安全隱患，大量的建筑在使用過程中稍不注意就會引發(fā)火災(zāi)。本文將以智能小車為基礎(chǔ)，在智能小車基礎(chǔ)上研究自動滅火機(jī)器人功能，主要目標(biāo)是建立一個自動的探索火源并進(jìn)行滅火的自動滅火的機(jī)器人系統(tǒng)，使安裝的傳感器能夠檢測到障礙物，從而自動避障，然后進(jìn)行火源定位滅火。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定采用目前流行的開源硬件產(chǎn)品Arduino做控制板，加裝舵機(jī)、超聲波等感應(yīng)器，由Arduino進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)小車避障，對智能小車的控制與開發(fā)進(jìn)行了有效的嘗試。以后還要對小車進(jìn)行自動滅火。

關(guān)鍵詞：Arduino；超聲波感應(yīng)器；舵機(jī)；直流電機(jī)驅(qū)動板；溫度傳感器

中圖分類號：TP202

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2015.11.015

0 引言

機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、信息傳感技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)械制造等多個學(xué)科形成的一門高新技術(shù)學(xué)科，在當(dāng)代的研究領(lǐng)域十分活躍。如今，機(jī)器人的研究應(yīng)用情況，標(biāo)志著一個國家的自動化發(fā)展水平。近年來，由于許多高樓、倉庫、地下建筑等建筑材料的特殊性，極易發(fā)生火災(zāi)，且一旦發(fā)生火災(zāi)，給參與救火的消防人員的人身安全帶來極大的威脅。智能滅火機(jī)器人就給消防人員在參與救援帶來了極大的幫助，尤其是在危險(xiǎn)性極大以及消防人員不易接近的地方，智能滅火機(jī)器人就起到了很大的作用。

超聲波作為智能車避障的一種重要手段，以其避障實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡單，易于做到實(shí)時(shí)控制，測量精度也能達(dá)到實(shí)用的要求，在未來汽車智能化進(jìn)程中必將得到廣泛應(yīng)用。我國作為一個世界大國，在高科技領(lǐng)域也必須占據(jù)一席之地，未來汽車的智能化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然的，在這種情況下研究超聲波在智能車避障上的應(yīng)用具有深遠(yuǎn)意義，這將對我國未來智能汽車的研究在世界高科技領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位具有重要作用。

1 總體設(shè)計(jì)

智能小車采用四輪驅(qū)動，每個輪子配備一個電機(jī)驅(qū)動。將超聲波感應(yīng)器和舵機(jī)裝在車頭部分。舵機(jī)旋轉(zhuǎn)0-180度，默認(rèn)前方是90度。當(dāng)超聲波感應(yīng)器探測到前方障礙物，控制4個車輪做出相應(yīng)的動作。系統(tǒng)主要包括5個模塊：單片機(jī)控制模塊、舵機(jī)模塊、電源模塊、避障模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊。系統(tǒng)功能如圖1所示。

1.1 主控模塊

這里采用Arduino單片機(jī)來做主控模塊，其核心是ATmega328P芯片。此單片機(jī)主要負(fù)責(zé)傳感器的狀態(tài)并控制4輪的直流電機(jī)和舵機(jī)，同時(shí)完成對4輪電機(jī)的PWM調(diào)速任務(wù)以及舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度。在所編寫的程序基礎(chǔ)上，給予電機(jī)與舵機(jī)控制信號，根據(jù)道路情況自動調(diào)整轉(zhuǎn)速與方向。

Arduino是一個能夠用來感應(yīng)和控制現(xiàn)實(shí)物理世界的一套工具。它由一個基于單片機(jī)并且開放源碼的硬件平臺，和一套為Arduino板編寫程序的開發(fā)環(huán)境組成。Arduino可以用來開發(fā)交互產(chǎn)品，比如它可以讀取大量的開關(guān)和傳感器信號，并且可以控制各式各樣的電燈、電機(jī)和其他物理設(shè)備。Arduino項(xiàng)目可以是單獨(dú)的，也可以在運(yùn)行時(shí)和你電腦中運(yùn)行的程序（例如：Flash，Processing）進(jìn)行通訊。Arduino板你可以選擇自己去手動組裝或是購買已經(jīng)組裝好的；Arduino開源的IDE可以免費(fèi)下載得到。Arduino的編程語言就像似在對一個類似于物理的計(jì)算平臺進(jìn)行相應(yīng)的連線，它基于處理多媒體的編程環(huán)境。

1.2 驅(qū)動模塊

智能車前進(jìn)的動力是通過直流電機(jī)來驅(qū)動的。這里直接用單片機(jī)的PWM驅(qū)動直流電機(jī)，電流太小。所以采用L293D擴(kuò)展板驅(qū)動模塊。通過單片機(jī)給予L293D芯片PWM信號來控制小車的速度，起步，停止。PWM控制電機(jī)速度是通過：高速地開關(guān)三極管實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制占空比（打開時(shí)間：關(guān)閉時(shí)間）決定輸出給電機(jī)的能量份額

L293D是一款常用的直流電機(jī)驅(qū)動模塊，采用293D芯片小電流直流電機(jī)驅(qū)動芯片。管腳被做成了Arduino兼容的，也方便了愛好者快速的基于Arduino的開發(fā)。

2個SV伺服電機(jī)端口聯(lián)接到Arduino的高解析高精度的定時(shí)器。

多達(dá)4個雙向DC電機(jī)各自帶有8位速度選擇（大約0.5%的解析度）

多達(dá)2個步進(jìn)電機(jī)（單極或雙極）單線圈，雙線圈，交錯或微步。

4路H-橋：L293D芯片每路橋提供_06A（峰值1.2A）電流并且?guī)в袩釘嚯姳Ｗo(hù)，4.5V to 36V。

端口定義：

數(shù)字端口11：直流電機(jī)#1/步進(jìn)#l（PWM）

數(shù)字端口3：直流電機(jī)#2/步進(jìn)#1（PWM）

數(shù)字端口5：直流電機(jī)#3/步進(jìn)#2（PWM）

數(shù)字端口6：直流電機(jī)#4/步進(jìn)#2（PWM）

當(dāng)使用任何直流或者步進(jìn)電機(jī)時(shí)數(shù)字端口4，7，8和12被占用，通過74HC595（串轉(zhuǎn)并）鎖存器來控制直流或者步進(jìn)電機(jī)。

數(shù)字端口9：舵機(jī)控制#1

數(shù)字端口10：舵機(jī)控制#2

L293D驅(qū)動芯片管腳介紹，如圖4。

速度控制，使用Arduino模擬輸出引腳，將產(chǎn)生PWM信號連接到L293D的使能引腳。

方向控制，使用Arduino的數(shù)字輸出引腳，將產(chǎn)生的數(shù)字信號連接到L293D的A/B兩個方向引腳。

正轉(zhuǎn)：A為高，B為低反轉(zhuǎn)：A為低，B為高制動：AB同時(shí)為高或者低

1.3 L293D控制板以及庫安裝使用方法

這里使用MSMotorShield庫進(jìn)行控制，安裝庫文件方法：將庫文件解壓到Arduino安裝目的的libraries目錄下。例如：D：＼Program Files＼arduino-0022＼libraries然后重新打開Arduino IDE就可以使用了。

首先include頭文件，使用DCMotor（motor#，frequency）創(chuàng)建DCMotor對象，構(gòu)造函數(shù)帶偶兩個參數(shù)。第一個為要連接的電機(jī)的端口1，2，3，4。Frequency是速度控制信號的值。對于電機(jī)1和2你可以選擇MOTOR12_64KHZ，MOTOR12_8KHZ， MOTOR12_2KHZ，或者M(jìn)OTOR12_1KHZ。一個高頻率像64KHz將不會發(fā)出聲音但是一個低頻率想1KHz的將更省電。電機(jī)3和4只能運(yùn)行在1KHz的頻率下，將會忽略給定的任何頻率設(shè)置。然后可以通過setSpeed（ speed）函數(shù)來設(shè)置電機(jī)的速度，speed的范圍為從0（停止）到255（全速）。可以隨便設(shè)置你想要的速度。打開電機(jī)通過調(diào)用run（ direction） direction是FORWARD， BACKWARD or RELEASE。當(dāng)然Arduino實(shí)際上并不知道電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。所以如果想改變你認(rèn)為的正轉(zhuǎn)的方向，只需要交換電機(jī)引線即可。

2 舵機(jī)模塊

舵機(jī)（英文叫Servo）：它由直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動控制系統(tǒng)。通過發(fā)送信號，指定輸出軸旋轉(zhuǎn)角度。本設(shè)計(jì)中使用輝創(chuàng)公司的SG90。

型號：SG90

尺寸：21.5mmX11.8mmX22.7mm

重量：9克

無負(fù)載速度：0.12秒/60度（4.8V）

堵轉(zhuǎn)扭矩：1.2-1.4公斤，厘米（4.8V）

使用溫度：-30～+60攝氏度

死區(qū)設(shè)定：7微秒

工作電壓：4.8V-6V

舵機(jī)只有3個PIN正極，負(fù)極，和信號。三個線分別用不同顏色，

橙紅褐橙——信號

紅——正極

褐——負(fù)極

2.1 舵機(jī)原理以及構(gòu)造

下圖是一個普通模擬舵機(jī)的分解圖，其組成部分主要有齒輪組、電機(jī)、電位器、電機(jī)控制板、殼體這幾大部分。詳細(xì)如圖6。

電機(jī)控制板主要是用來驅(qū)動電機(jī)和接受電位器反饋回來的信息。電機(jī)是動力的來源。電位器這里的作用主要是通過其旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的電阻的變化，把信號發(fā)送回電機(jī)控制板，使其判斷輸出軸角度是否輸出正確。齒輪組的作用主要是力量的放大，使小功率電機(jī)產(chǎn)生大扭矩。下圖是舵機(jī)工作原理圖，如圖7。

2.2 超聲波模塊及工作原理介紹

超聲波傳感器（Ultrasonic Sensor），它是測距常用模塊。普通的超聲波傳感器測距范圍大約是2cm到3-5m。傳感器模塊的工作原理大致是這樣的，如

模塊收到10us以上的高電平脈沖觸發(fā)信號；模塊自動發(fā)送8個40KHz的方波并檢測回波；若有回波信號返回，通過10輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間.測試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340m/s））/2。具體時(shí)序如圖9。

常見的超聲波傳感器有3腳的，4腳和5腳的：3腳的比如Parallax的PING））），三腳分別是5v電源腳（5V），I/O信號端（SIG），地端（GND）。4腳的比如HC-SR04，四個腳分別是5v電源腳（Vcc），觸發(fā)控制端（Trig），接收端（Echo），地端（GND）。

5腳的比4腳的多出一個OUT腳，是防盜模塊時(shí)的開關(guān)量輸出腳，測距模塊不用此腳。

我們這里采用HC-SR04四角的模塊。

2.3 電源模塊

電源模塊為系統(tǒng)其他各個模塊提供可靠的工作電壓，設(shè)計(jì)中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等?；緟?shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾等方面進(jìn)行優(yōu)化?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。7.2V 2000mAh Ni-Cd蓄電池，其中7.2V供驅(qū)動電機(jī)使用，6V供舵機(jī)使用，5V供控制芯片和速度傳感器使用，3V供超聲波感器使用。各種所需電源均從7.2V經(jīng)電源轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換得到。系統(tǒng)各模塊電路結(jié)構(gòu)如圖13所示。

3 模塊集成調(diào)試

將超聲波模塊，舵機(jī)模塊結(jié)合起來。先從Arduino開發(fā)板測試，成功后將對應(yīng)pin移植到L293D驅(qū)動板上。以上硬件部分已經(jīng)完全橋接并測試成功，如系統(tǒng)框圖14。

自動滅火機(jī)器人模型的運(yùn)行效果如圖15所示。