循跡滅火小車實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開發(fā)與實(shí)踐

廖 斌 李明楓 陸佳琪 曾歡慶 黃海蘭

（桂林電子科技大學(xué)<機(jī)電工程學(xué)院>，廣西 桂林541004）

0 引言

復(fù)旦共識(shí)、天大行動(dòng)和北京指南，著重解讀了新工科的培養(yǎng)模式的創(chuàng)新，探索多學(xué)科融合的培養(yǎng)模式[1-3]。機(jī)械電子工程是機(jī)械工程的二級(jí)學(xué)科，專業(yè)培養(yǎng)模式必須緊密結(jié)合新工科內(nèi)涵。而計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息變換技術(shù)是機(jī)械電子技術(shù)可融合的重要技術(shù)。現(xiàn)代科技發(fā)展迅速，各類傳感器應(yīng)用廣泛，在培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力時(shí)，通過添加各類傳感器，既為了達(dá)到預(yù)想的功能目的，也大大增加了學(xué)生對(duì)機(jī)械電子相關(guān)技術(shù)的興趣，同時(shí)，這也是機(jī)械電子專業(yè)教育的發(fā)展方向[4-5]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本研究實(shí)驗(yàn)功能要求滿足多功能控制，直流減速電機(jī)作為循跡小車移動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，設(shè)計(jì)其小車底盤、電機(jī)座、循跡模塊安裝支架；由灰度傳感器、火焰識(shí)別傳感器、超聲測(cè)距傳感器、藍(lán)牙導(dǎo)航傳感器作為周圍環(huán)境的識(shí)別感知配合繼電器使用，運(yùn)動(dòng)控制使用PID自動(dòng)控制算法，從而達(dá)到循跡滅火的功能。在硬件主控板中，微控制器的作用是控制各傳感器協(xié)調(diào)工作，指揮各項(xiàng)功能的作用，電源電路用于整個(gè)小車系統(tǒng)的供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要是驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，繼電器起到保持與觸發(fā)的目的。圖1所示為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

2 機(jī)械硬件部分設(shè)計(jì)

循跡滅火小車實(shí)驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)在滿足小車運(yùn)動(dòng)所需條件的前提下，還要能夠支撐各功能模塊，比如電機(jī)、輪子、火焰識(shí)別模塊、滅火風(fēng)扇、舵機(jī)等；整體小車采用前驅(qū)單輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)帶動(dòng)后輪從動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)。

主控板中微控制器選用STM32F103VET6，該控制器自帶定時(shí)器，具有80個(gè)I/O口，完全可以實(shí)現(xiàn)灰度循跡和火焰識(shí)別檢測(cè)的AD數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。選擇JGB37-520D帶編碼直流減速電機(jī)，具有自帶AB相編碼器，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)速度控制，滿足循跡滅火小車對(duì)速度和力矩的要求，作為小車動(dòng)力來(lái)源。選擇特制的灰度傳感器作為循跡模塊，不同位置的聚光LED燈影響光敏二極管兩端的電壓，得到不同的電壓模擬量，進(jìn)而得到更精確的灰度信息，這樣便可以準(zhǔn)確把握前進(jìn)方向。選擇火焰識(shí)別傳感器模塊，利用紅外線接收器捕捉敏感度高的特定波長(zhǎng)的方法，實(shí)現(xiàn)火焰識(shí)別。測(cè)距傳感器選用HC-SR04超聲波模塊，計(jì)算聲波發(fā)出與接收時(shí)間的差值得到準(zhǔn)確距離[6]。實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

3 編程設(shè)計(jì)與調(diào)試

循跡滅火小車實(shí)驗(yàn)臺(tái)的編程環(huán)境采用MDK環(huán)境，以模塊化與結(jié)構(gòu)化雙模塊為編程思路，為方便主程序調(diào)用及以后功能移植，每模塊的初始化和功能性程序均采用獨(dú)立的C文件和頭文件進(jìn)行。

3.1 循跡及火焰識(shí)別功能程序設(shè)計(jì)

循跡及火焰識(shí)別功能原理相似，均使用模擬量均值進(jìn)行判斷；分別使用模擬量讀取引腳進(jìn)行STN32的ADC外設(shè)初始化和DMA控制器進(jìn)行模擬量讀取。為了模擬量數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，通過添加硬件電容濾波并使用軟件算法平均濾波法，對(duì)這一模擬量采集多次并取其均值，進(jìn)而得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模擬量。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

3.2 自動(dòng)避障功能程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)避障功能的實(shí)現(xiàn)原理是通過超聲波測(cè)量障礙物到小車的距離，控制小車規(guī)避障礙物的動(dòng)作。超聲波模塊與舵機(jī)相連，直接改變小車運(yùn)動(dòng)方向，且可測(cè)量180°范圍內(nèi)的距離，保證前進(jìn)方向不存在盲點(diǎn)。

3.3 藍(lán)牙導(dǎo)航功能程序設(shè)計(jì)

藍(lán)牙導(dǎo)航是通過不同的指令代碼執(zhí)行不同的操作，藍(lán)牙模塊接收手機(jī)App發(fā)送的指令進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)循跡滅火小車的導(dǎo)航遙控功能。導(dǎo)航App可搜索并連接藍(lán)牙，支持小車五種工作模式的切換（自動(dòng)循跡滅火功能、自動(dòng)滅火功能、自動(dòng)循跡功能、自動(dòng)避障功能、導(dǎo)航控制功能）；遙控滅火風(fēng)扇啟停及5模式控制循跡小車前后。左右行走的功能。

4 PID控制程序

由于灰度傳感器的多探頭輸出模擬量數(shù)值存在偏差（同灰度，同距離，不同探頭輸出的模擬量存在差異），需將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將模擬量范圍轉(zhuǎn)化為0～1之間。歸一化就是得到五個(gè)探頭與灰度線的相對(duì)距離，用加權(quán)平均的方法將五個(gè)模擬量變成距離偏差值。為使得傳感器的檢測(cè)效果最好，需要傳感器的灰度線和高度滿足灰度線寬應(yīng)等于或略小于探頭的間距。高度為灰度線在兩探頭正中時(shí)，探頭最好均能識(shí)別到灰度線。通過調(diào)整傳感器輸出模擬量與理想模擬量的值做差后的偏差，統(tǒng)計(jì)每次偏差的累計(jì)，計(jì)算臨近偏差值大小，使得小車得到更好的控制效果。

5 功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

通過已經(jīng)設(shè)置好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（循跡區(qū)域加滅火區(qū)域），可對(duì)小車進(jìn)行循跡滅火實(shí)驗(yàn)（如圖3），實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)如表1中所示，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了五次，小車均能夠完美實(shí)現(xiàn)期望功能。

圖3 循跡滅火實(shí)驗(yàn)

6 結(jié)語(yǔ)

總結(jié)上述工作，循跡滅火小車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的預(yù)期功能得到了實(shí)現(xiàn)，既提供了整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行象征性滅火，證明了硬件組合的可行性，也實(shí)現(xiàn)了躲避障礙物，充分說(shuō)明了設(shè)計(jì)方案對(duì)實(shí)體現(xiàn)場(chǎng)的指導(dǎo)性意義。同時(shí)，作為機(jī)電結(jié)合的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，增加功能傳感器，成功將灰度線循跡、火焰識(shí)別、避障功能、單片機(jī)控制、自動(dòng)控制算法等多模塊控制于一身，讓學(xué)生的動(dòng)手能力得到充分的鍛煉。相信依據(jù)這樣的培養(yǎng)模式一定可以讓學(xué)生更快適應(yīng)時(shí)代技術(shù)的變革，成為更加優(yōu)秀的人才。

表1 循跡滅火實(shí)驗(yàn)