基于STM32單片機(jī)的智能消防機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

張 欽

(淮安生物工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇 淮安 223200)

消防機(jī)器人具有智能化、靈活性特點(diǎn)，尤其在火災(zāi)撲救中采用智能化消防機(jī)器人技術(shù)，可有效消除安全隱患。結(jié)合消防滅火需求，設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)的智能消防機(jī)器人。

1 基于STM32單片機(jī)的智能消防機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

基于STM32單片機(jī)的智能化消防機(jī)器人主要由人機(jī)互動(dòng)界面、感知平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、傳感器檢測(cè)設(shè)備、車體組成，如圖1所示。

圖1 智能消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)Fig.1 Design of intelligent fire fighting robot

將主芯片進(jìn)行多種任務(wù)處理，在機(jī)器人外部設(shè)置溫度傳感器、氣體和水壓傳感器、超聲波傳感器、陀螺儀設(shè)備等，可準(zhǔn)確采集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)與周圍的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)設(shè)計(jì)了數(shù)字通信模塊，以提高數(shù)據(jù)傳輸效果。車體內(nèi)部配置了前后攝像頭、高清攝像頭、熱成像攝像頭，可有效進(jìn)行各類視頻的切換、傳輸處理，并利用高清高亮HDMI接口顯示出來，通過高清圖像模塊進(jìn)行無線圖像傳輸，在后臺(tái)使用遙控器進(jìn)行攝像頭控制，實(shí)時(shí)、清晰地將視頻和圖像顯示出來。車體外部設(shè)計(jì)了自動(dòng)化火災(zāi)噴淋系統(tǒng)進(jìn)行車體的自主降溫，避免火災(zāi)事故中車體零部件受到損害[1]。

1.2 軟硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由以STM32單片機(jī)為核心的下位機(jī)和上位機(jī)組成，其中STM32單片機(jī)芯片是核心控制板，可確保所有功能的實(shí)現(xiàn)。

上位機(jī)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)目的是準(zhǔn)確進(jìn)行霍爾手柄、操作臺(tái)中各個(gè)功能控制信號(hào)的讀取，利用A/D轉(zhuǎn)換模式對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使用數(shù)據(jù)傳輸模塊將信息數(shù)據(jù)發(fā)送到下位機(jī)的主控制器內(nèi)，獲取操作手柄在坐標(biāo)系中的實(shí)際位置。

下位機(jī)設(shè)計(jì)。為有效進(jìn)行車體控制需進(jìn)行運(yùn)動(dòng)邏輯分析，如果左側(cè)與右側(cè)電機(jī)正轉(zhuǎn)速度相同，可控制車輛向前行駛；如果正轉(zhuǎn)速度不同，可控制車輛向左或向右轉(zhuǎn)動(dòng)；如果左側(cè)與右側(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速相同但處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，可控制車輛向后行駛；左側(cè)與右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不同且處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，可使車輛左后倒車或右后倒車。

圖2 霍爾手柄坐標(biāo)Fig.2 Hall handle coordinates

如圖2所示，將手柄設(shè)置為右側(cè)上方第一象限，推動(dòng)到最遠(yuǎn)的位置，使整個(gè)運(yùn)動(dòng)成為圓弧，設(shè)置半徑a，將其作為電機(jī)電壓最高的數(shù)據(jù)值，手柄移動(dòng)位置b，將其作為實(shí)際電機(jī)電壓的數(shù)據(jù)值，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)值的過程中，讀取到推桿頂端坐標(biāo)(x，y)的數(shù)據(jù)信息，按照下列公式進(jìn)行b、m和α數(shù)據(jù)值的計(jì)算分析[2]。

m=b/a

表1 電機(jī)控制邏輯和計(jì)算Tab.1 Motor control logic and calculation

除了進(jìn)行上述各類動(dòng)作控制外，還能通過對(duì)左側(cè)與右側(cè)電機(jī)的相同轉(zhuǎn)速控制，進(jìn)行相反轉(zhuǎn)向調(diào)控，使車輛在原地旋轉(zhuǎn)。

控制臺(tái)操作面板還能進(jìn)行水炮上仰控制、向下操作控制、左側(cè)和右側(cè)擺動(dòng)控制、水流噴射措施切換等，同時(shí)進(jìn)行觀察云臺(tái)、蜂鳴器、剎車、照明系統(tǒng)控制等。

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)思路。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要以KEIL環(huán)境為基礎(chǔ)進(jìn)行控制板編程，采用C語言進(jìn)行控制程序編寫，由于STM32單片機(jī)芯片具有單個(gè)周期DSP指令與FPU浮點(diǎn)單元，計(jì)算性能較高，因此可節(jié)約數(shù)據(jù)信息計(jì)算時(shí)間，還能為程序執(zhí)行、數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)忍峁┲С?，加快?shù)據(jù)處理和傳輸速率，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)。應(yīng)完善軟件的操作流程，如圖3所示。需完成系統(tǒng)和通信模塊的初始化操作，進(jìn)入到主循環(huán)部分，如果由人工進(jìn)行操作，可通過A/D轉(zhuǎn)換模式對(duì)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換，進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行緩存處理，再輸送到數(shù)據(jù)傳輸模塊，發(fā)送到下位機(jī)設(shè)備中。在此期間，單片機(jī)能夠從數(shù)據(jù)傳輸模塊內(nèi)進(jìn)行傳感數(shù)據(jù)信息的讀取，而后發(fā)送給數(shù)字顯示屏，將相關(guān)信息全面顯示出來。

圖3 上位機(jī)控制程序的流程Fig.3 Flow of the upper computer control program

下位機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)。如圖4所示，需先進(jìn)行初始化處理，讀取傳感器數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到寄存器內(nèi)，利用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊定期將寄存器的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)中。如果接收到上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送的控制信號(hào)，先進(jìn)行左側(cè)與右側(cè)電機(jī)控制量的計(jì)算分析，轉(zhuǎn)換成PWM控制信號(hào)，借助串口將信號(hào)傳送[4]。

圖4 下位機(jī)控制軟件操作流程Fig.4 Flow of lower computer control software operation

圖像處理白化算法軟件設(shè)計(jì)。機(jī)器人圖像處理技術(shù)具有多元化特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)是將STM32單片機(jī)作為核心，主要使用白化算法技術(shù)方式有效解決機(jī)器人圖像成像問題[5]。消防機(jī)器人在進(jìn)行火災(zāi)撲救和搶險(xiǎn)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)物體反射光亮、照明強(qiáng)度過高的問題，導(dǎo)致攝像拍攝受到不利影響，出現(xiàn)不確定性的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)采集的圖像和視頻等清晰度難以符合標(biāo)準(zhǔn)。為有效防止此類不確定性因素帶來的影響，應(yīng)合理設(shè)計(jì)圖像的白化算法軟件，收集圖像的像素?cái)?shù)據(jù)值信息，將其轉(zhuǎn)變成平均數(shù)據(jù)值與單位方差數(shù)據(jù)值。軟件實(shí)際運(yùn)行過程中，先進(jìn)行原始灰度圖像P像素?cái)?shù)據(jù)值的分析，按照下列公式進(jìn)行像素方差數(shù)據(jù)值δ2和平均數(shù)據(jù)值μ的計(jì)算。

完成計(jì)算后，將δ2與μ的數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)化，根據(jù)公式計(jì)算分析：

將灰度圖像轉(zhuǎn)變成彩色圖像，需分別設(shè)置3個(gè)不同的通道，對(duì)δ2與μ數(shù)據(jù)值精準(zhǔn)計(jì)算，結(jié)合公式進(jìn)行像素轉(zhuǎn)化處理。同時(shí)在系統(tǒng)運(yùn)行期間結(jié)合硬件平臺(tái)特點(diǎn)，合理進(jìn)行白化算法軟件的應(yīng)用，通過STM32單片機(jī)準(zhǔn)確進(jìn)行計(jì)算處理和濾波處理，利用圖像存儲(chǔ)器設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行畫面截取，使用MATLAB完成圖像效果的觀察[6]。

1.3 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車體整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要在滿足平地行駛要求的基礎(chǔ)上能夠在斜坡區(qū)、樓梯區(qū)域和積水區(qū)域安全駕駛運(yùn)行，具備一定的特殊功能，如可在洼區(qū)正常行駛，同時(shí)能爬坡、跨越障礙，可在原地自由旋轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)的履帶類型機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 履帶類型行走機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.5 Mechanical structure of track type walking

履帶類型結(jié)構(gòu)和地面接觸面積很大，有很強(qiáng)的附著力和牽引能力，能夠在積水道路和泥濘道路行走，通過性很高。整體車體的架構(gòu)設(shè)計(jì)采用鋁合金鑄造材料，輪系部分由驅(qū)動(dòng)輪、拖鏈輪等組成。將精密行星減速無刷電機(jī)設(shè)備配置在驅(qū)動(dòng)輪上，提升驅(qū)動(dòng)力水平。導(dǎo)向輪按照地面摩擦系數(shù)的差異，對(duì)履帶松緊度進(jìn)行調(diào)整，使履帶適應(yīng)不同的環(huán)境。配置支撐輪用來支撐車體重量、水帶重量和水炮重量，減震器設(shè)備的應(yīng)用則能防止車體顛簸，增強(qiáng)車體的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，支撐輪能夠跟隨履帶發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，降低兩部分的摩擦。除此之外，結(jié)合車體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專用的消防水炮設(shè)施，在車體底部區(qū)域的中間位置配置水管，車體后下方位置將水管接入，利用前端水炮進(jìn)行滅火劑的噴射，實(shí)際運(yùn)行中整體結(jié)構(gòu)重心很低，噴水過程中車體非常穩(wěn)定[7]。

2 智能消防機(jī)器人的試驗(yàn)與應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)

A.速度試驗(yàn)。將機(jī)器人設(shè)置在道路中行駛，進(jìn)行運(yùn)行速度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)行速度為3 km/h左右，最高爬坡角度36°時(shí)，行走速度可達(dá)0.9 km/h，直線行走200 m的范圍內(nèi)，雖然會(huì)出現(xiàn)方向誤差偏移，但能夠滿足具體的實(shí)踐應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)要求[8]。B.圖像仿真試驗(yàn)。仿真真實(shí)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖像，發(fā)現(xiàn)屏幕中顯示的圖像沒有明顯的波紋和雪花，可滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。C.水炮試驗(yàn)。按照要求在機(jī)器人上設(shè)置水帶，將水的壓力調(diào)整為0.8 mpa，發(fā)現(xiàn)水炮的噴水長度為72 m左右，自動(dòng)化噴淋系統(tǒng)能夠快速開啟，有效降溫。

2.2 應(yīng)用

下位機(jī)整體架構(gòu)由控制板、圖片視頻傳輸模塊、傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電源電壓檢測(cè)模塊組成，主要功能是進(jìn)行上位機(jī)操作數(shù)據(jù)信息和信號(hào)的讀取，準(zhǔn)確計(jì)算控制量數(shù)據(jù)，將PWM信號(hào)輸送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)，對(duì)水炮設(shè)備和云臺(tái)設(shè)備的工作進(jìn)行控制。與此同時(shí)，進(jìn)行不同傳感器數(shù)據(jù)信息的讀取，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)，按照傳感器所檢測(cè)的水炮水壓數(shù)據(jù)、車輛前后障礙距離數(shù)據(jù)、車體傾斜角度數(shù)據(jù)、車體溫度數(shù)據(jù)等，合理進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)下位機(jī)中的電壓模塊對(duì)電池電量進(jìn)行動(dòng)態(tài)化檢測(cè)，不同數(shù)據(jù)經(jīng)過串口傳輸?shù)较挛粰C(jī)控制板內(nèi)，利用數(shù)據(jù)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，使各類數(shù)據(jù)都能在顯示屏中顯示出來。另外，車輛具備一定的緊急剎車性能，為防止云臺(tái)或水炮等設(shè)備操作過程中對(duì)機(jī)械系統(tǒng)造成損傷，應(yīng)合理設(shè)置云臺(tái)機(jī)械限位，設(shè)置水炮的左側(cè)和右側(cè)限位，嚴(yán)格進(jìn)行自動(dòng)擺動(dòng)功能設(shè)定，確保水炮開啟過程中擺動(dòng)幅度能夠控制在一定的范圍內(nèi)[9]。

3 結(jié)束語

基于STM32單片機(jī)的智能消防機(jī)器人設(shè)計(jì)，需完善和優(yōu)化整體架構(gòu)設(shè)計(jì)模式和體系，確保軟件系統(tǒng)、硬件設(shè)備和整體車體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與合理性，還需進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，分析測(cè)試結(jié)果，確保后續(xù)的良好應(yīng)用。