基于高性能處理器控制的火災巡防報警智能機器人系統(tǒng)概述

傅真鑫 楊一

摘 要 本文通過恩智浦智能車競賽這一平臺，基于恩智浦MK66FX1M0VLQ18芯片、光電感煙傳感器等硬件，以及循跡算法、歸一化算法、PID算法等設計出智能巡防報警的智能機器人系統(tǒng)。具有室內巡防，火災預警功能。其靈活性好，機警性優(yōu)，在社會火災防治中，能很好發(fā)揮其巡防預警作用。

關鍵詞 恩智浦智能車;循跡算法;歸一化算法;PID算法

引言

現代社會發(fā)展中，火災往往是最普遍威脅公眾安全的災害。巴黎圣母院火災、7·18日本京都動畫縱火案都給人類文化帶來了無法預計的損失，將視線再次聚焦到室內防火問題上來，立足于火災巡防，火災預警，我們的團隊嘗試開發(fā)一種智能室內巡防火災機器人。本項目基于K66芯片，結合智能機器人與光電感煙探測器，研究出室內智能巡防機器人，將智能巡防室內，采集空氣環(huán)境數據，在有火災征兆之時就發(fā)出預警，防患于未然。該系統(tǒng)研發(fā)成功后，將可在一定程度上應用于企業(yè)車間、生產線、倉庫等易發(fā)生火災的場所，能夠在一定程度上降低火災隱患。

1系統(tǒng)整體設計

本巡防機器人是基于恩智浦MK66FX1M0VLQ18主控芯片設計的智能室內巡防機器人。硬件部分主要由電源模塊，電機驅動模塊，電磁信號及運放模塊、通訊模塊、各種傳感器等實現，軟件部分主要由路徑循跡算法、控制算法（PID）實現。

1.1 硬件電路設計

（1）電機驅動模塊。驅動電路采用BTN7971B芯片作為驅動芯片，通過使用兩片芯片即可構成全橋驅動電路，其是應用于電機驅動的大電流半橋高集成芯片，通態(tài)電阻典型值為16m，驅動電流可達43A。驅動電路結構簡單，負載能力強，為機器人的加速和制動性能以及上限速度得到了很大程度的提高[1]。

（2）相關傳感器模塊。在嵌入式系統(tǒng)中，傳感器就是它們的眼睛，而在本巡防機器人的核心功能就是檢測環(huán)境，就需要煙霧傳感器、有毒氣體檢測傳感器、可燃氣體檢測傳感器、蜂鳴器等，進行采集相關數據，并通過串口通信將數據實時傳輸到終端進行存儲并統(tǒng)計每日的環(huán)境數據，如遇到數據具有異常值，即很有可能發(fā)生火災或其他問題時，則有蜂鳴器進行報警并將特殊信號發(fā)送給系統(tǒng)終端，進行預警提示。此外還有openmv視覺傳感器、光敏傳感器等。

2軟件算法設計

2.1 循跡算法設計

我們設計的巡防機器人是基于電磁信號的固定路徑巡防檢測，所以預先在設計路徑后，鋪上20KHZ的交變電流作為指引信號。基于硬件的電感以及運放電路得到準確的四路控制信號，然后進行處理。不妨設ad_max，ad_min為參考電感值（由運行之前測得），首先信號預處理，對信號進行歸一化處理。

緊接著進行差比和算法進行判斷其與電磁線的相對位置，通過以自電感差比和得到普通路線的相對位置，而利用內八電感進行判斷特殊路段（環(huán)島、十字轉彎等）。當parallel為負數時，其相對位置就是在電磁線左側，這時則應調整pwm，通過差速使其回到中心位置。

2.2 速度、方向PID算法設計

本巡防機器人的速度和方向的控制算法均是PID算法，其PID（proportion integration differentiation）分別代表比例、積分、微分控制，使實際情況可以迅速并準確的靠近我們的期望值。

根據該系統(tǒng)整體設計流程以及相關資料，我們可以使其調節(jié)我們的控制系統(tǒng)，首先是比例控制，其直接反應系統(tǒng)實際情況與預設偏差，并能反饋到調節(jié)力度，可以直接得到波動反饋比較大的調節(jié)效果，容易出現靜差，導致系統(tǒng)始終波動。隨后加入積分控制，其主要功能就是調節(jié)剛剛由于比例控制而產生的靜差，完善系統(tǒng)[2]。積分調節(jié)的力度是由積分時間決定的，積分時間越長，所積變量更具有寬泛性，導致其調節(jié)力度變弱，反之則強，積分時間趨于0的時候，積分控制近乎比例控制。最后引入微分控制，其調節(jié)直接由偏差的偏差所決定，其可以使系統(tǒng)更加快速的擬合我們的期望值。最后由程序擬合的圖片代表三個功能逐漸完善的過程。

我們用python實踐了PID的各個參數的作用，分別用只有P，以及PI、PID的控制算法，并用其可視化圖形顯示出其擬合過程，完美的貼合我們之前理論部分所預期的那樣，從而得出我們所實際使用時改決定的算法。所以我們在方向環(huán)上使用PD算法，使得整體系統(tǒng)能夠高效響應電磁信號，從而使得巡防機器人的路線穩(wěn)定性。然而在速度方面，并不需要高效的響應，防止在特殊路段，導致硬件產生高頻振蕩，以至于系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以我們采取PI算法，從而可以更好地達到我們預期的速度。

3結束語

本方案設計了一種基于電磁信號的固定路徑巡防檢測和基于和pid算法的室內機器人控制系統(tǒng)。能夠準確地控制機器人方向與速度，機警系統(tǒng)好，不足的地方是pid算法的參數選擇在凹凸不平的地面上，造成動態(tài)控制系數波動大，無法穩(wěn)定智能巡防機器人。

我們在對預警機器人火災環(huán)境仿真中發(fā)現，該機器人能夠很好地巡視環(huán)境，預警火災，在火災發(fā)生前及時發(fā)揮其預警功能，但仍有需要改進的地方，如在日常生活中，對密閉空間進行路徑覆蓋等。

參考文獻

[1] 卓晴，黃開勝，邵貝貝.學做智能車：挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：44-46.

[2] 袁瑞豪，王一豪，孫振涵.基于K66單片機的恩智浦智能小車制作[J].無線互聯(lián)科技，2019，16（11）：122-124.