基于STM32的智能清障滅火機器人設計　

摘要：本文基于STM32F411RE控制器設計了一款智能清障滅火機器人，采用近紅外避障傳感器避免與墻體發(fā)生碰撞，通過超聲波模塊與機械臂配合，當發(fā)現障礙物時，通過機械臂清除障礙物;通過火焰傳感器可以全方位地快速尋找火焰信號，自動尋找火源，到達火焰邊緣時，啟動滅火程序，進行滅火。通過NRF24L01無線模塊可以進行無線控制滅火機器人清除障礙物和滅火等操作。

引言

　　現在社會各種危險場所的火災頻繁發(fā)生，火災一旦蔓延，會給人們的生產和生活帶來巨大的威脅，因此，對火災的及時補救成為一個重要問題^[1]?；诖?，本文設計了一款智能清障滅火機器人，該機器人能夠及時地發(fā)現和撲滅火源，進行遠程控制滅火，保證消防員能夠遠離火災現場，節(jié)約大量的人力財力，保障消防員的生命安全^[2]。

1 系統(tǒng)總體設計

　　智能清障滅火機器人采用四驅小車為主體結構，通過四個電機控制四個輪子的轉速，從而控制小車的前進與后退。車體的中間安裝近紅外避障傳感器，當距離墻壁太近時可以自動轉彎防止撞墻，保證滅火機器人具有防撞墻功能^[3]。與此同時，車身上安裝2個由舵機控制的機械手臂，四個超聲波模塊，當發(fā)現障礙物時，可以通過機械手臂進行清除障礙物，小車前方裝有火焰?zhèn)鞲衅?，可以全方位地快速尋找到火焰信號，輸送給控制模塊，由控制模塊控制機器人的前進方向，當到達火源邊緣時，傳感器將信號送給控制模塊，啟動滅火程序，小車采用風扇滅火、噴水滅火等多種滅火方式，有效完成滅火任務。通過在滅火機器人車身搭載一個360度可旋轉的攝像頭，可以實現現場滅火情況的實時傳輸，由兩個NRF2401無線模塊與滅火機器人連接可以實現對滅火機器人進行無線遠程手動控制^[4]。

2 系統(tǒng)硬件設計

　　根據設計要求，本系統(tǒng)主要由STM32F411RE、傳感器模塊、直流電機驅動模塊、風扇模塊、電源模塊等構成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2.1 控制模塊

　　由于系統(tǒng)各傳感器模塊要不斷采集環(huán)境信息，要求控制芯片有較高的實時處理能力和處理速度，基于此，本設計選用高性能的嵌入式STM32F411RE。該芯片使用ARM先進架構的Cortex—M4內核，CPU頻率可達84MHz，具有兩個16位用于高速數據采集的ADC，I/O端口作為輸入口讀取檢測端口和傳感器組的數據，作為輸出端口用于驅動電機。4個PWM定時器用于驅動大功率直流電機。芯片具有速度快、功耗低、可靠性高、實時性強等優(yōu)點^[5]。

2.2 電源模塊

　　通過開關電源為系統(tǒng)提供12V電壓，采用集成LM2576S-5.0 DC-DC穩(wěn)壓芯片將12V變換為5V，以滿足STM32最小系統(tǒng)板供電問題。遠程控制時，系統(tǒng)采用鋰電池充電運行，保證滅火機器人可以遠程控制。此外，電源模塊也可以采用太陽能電池板的方式，保證滅火機器人具有自行充電功能，多種電源供電模式可以保整滅火機器人的正常運行與操作^[6]。

2.3 火焰?zhèn)鞲衅髋c機械臂

　　火焰?zhèn)鞲衅魇且环N模擬傳感器，可以將檢測到的熱源信號轉變成機器人可以識別的電信號，具有信號輸出指示，輸出有效信號為低電平?；鹧?zhèn)鞲衅骺梢杂脕頇z測波長在760納米到1100納米范圍內的熱源。其中，當紅外波長在960納米附近時，其靈敏度最大，探測角度達60度，滿足對火焰的檢測指標^[7]。

　　機械臂由兩個舵機控制，通過控制兩個舵機，可以實現對障礙物的準確抓取，從而為機器人正常行走、尋找火焰、清除障礙物等提供了保證?；鹧?zhèn)鞲衅髋c機械臂的電路設計如圖2所示。

2.4 紅外測距傳感器

　　紅外測距傳感器主要用來檢測障礙物(如墻壁等)，防止滅火機器人撞墻。本設計采用光電式紅外傳感器E18-D80NK作為紅外測距傳感器，它是集紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊于一體的數字式傳感器，有效檢測范圍為3cm～80cm可調，指向角≤15°，滿足滅火機器人的紅外測距，檢測障礙物的要求^[8]。

2.5 無線模塊

　　通過選用基于ZigBee協(xié)議的NRF24L01無線模塊，可以實現遠程控制滅火機器人的各項操作功能。NRF24L01無線模塊通過SPI與外部MCU通信，最大的SPI速度可以達到10MHz，2.4G全球的ISM頻段，免許可證使用，最高工作速率2Mbps，高效的GFSK調制，抗干擾能力強，125個可選的頻道，滿足多點通信和調頻通信的需要?？梢栽O置自動應答，確保數據可靠傳輸。無線控制端與機器人連接框圖如圖3所示。

2.6 電機驅動模塊

　　滅火機器人的車身電機采用L298N芯片驅動，用兩個L298N驅動4個直流減速電機，通過控制模塊輸出四路PWM信號驅動L298N，通過改變PWM的脈沖占空比，調節(jié)車輪的不同轉速，控制機器人車身的前進與后退等。電機驅動模塊電路如圖4所示。

2.7 攝像頭模塊

　　攝像頭模塊采用WiFi攝像頭，由滅火機器人的電源模塊給其供電，在連接WiFi網絡的情況下，實現滅火機器人與計算機主控端的通信，在計算機主控端界面上可以實時看到滅火機器人的滅火情況，可以通過攝像頭反饋回來的圖像，通過NRF24L01無線模塊等構成的手持控制器，手動遠程控制滅火機器人的前進、后退、清障和滅火等功能^[9]。

3 軟件設計與系統(tǒng)測試

　　軟件部分的設計采用模塊化的軟件設計思想。軟件設計的整體流程圖如圖5所示。開機首先是自啟動，確定是否進入無線模式，通過按鍵進行選擇，一旦進入無線模式，可以通過按鍵控制滅火機器人的前進、后退、左轉、右轉等，還可以控制滅火機器人準確地夾起障礙物，通過攝像頭反饋回來的視頻，控制機器人準確到達火災現場進行清理障礙物和滅火等操作。進入自動模式(初始默認)時，機器人將會首先判定周圍是否有火源，如果沒有火源，機器人會自動尋找障礙物，通過紅外和超聲波傳感器的配合對障礙物進行準確定位，然后清理障礙物，繼續(xù)尋找火源，一旦找到火源，就通過風扇滅火、噴水滅火等多種滅火方式，有效完成滅火任務。

　　完成軟硬件設計之后就開始對本設計進行系統(tǒng)整體測試工作。首先進入無線模式進行測試，通過無線控制端的按鍵可以遠程控制機器人的前進、后退、機械手準確抓取障礙物以及滅火等操作。設為自動模式后，機器人可以自動尋找障礙物和滅火，經過實驗驗證整個系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，和較強的抗干擾能力。滅火機器人與無線控制端的實物圖如圖6所示。

4 結束語

　　本文基于STM32F411RE控制器，設計了一款智能清障滅火機器人，對其硬件與軟件設計進行了介紹，并進行了系統(tǒng)實驗驗證。實驗結果表明，所設計的智能清障滅火機器人能夠可靠地進行清障與滅火工作，適宜應用在有滅火需求的消防安全領域，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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　　[9]蔡自興.智能控制(第2版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第8期第27頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。