動(dòng)用你的智慧DIY一個(gè)家庭滅火機(jī)器人吧，附軟硬件的系統(tǒng)解決方案

1.項(xiàng)目的內(nèi)容和具體目標(biāo)等

首先我介紹一下機(jī)器人產(chǎn)生的背景，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，也同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹碓讲粩嗵接懽匀贿^程中，在改造自然過程中，認(rèn)識(shí)自然過程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過程中的一個(gè)客觀需要。

那么什么是機(jī)器人呢？人們一般的理解來看，機(jī)器人是具有一些類似人的功能的機(jī)械電子裝置，或者叫自動(dòng)化裝置，它仍然是個(gè)機(jī)器，它有三個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是有類人的功能，比如說作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動(dòng)作，它還有一個(gè)特點(diǎn)是根據(jù)人的編程能自動(dòng)的工作，這里一個(gè)顯著的特點(diǎn)，就是它可以編程，改變它的工作、動(dòng)作、工作的對(duì)象，和工作的一些要求，它是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。

隨著社會(huì)與國家的發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)迅速增長(zhǎng)的同時(shí)，各種危險(xiǎn)場(chǎng)所不可避免的火災(zāi)頻繁出現(xiàn)，給社會(huì)安全造成了很多隱患，于是現(xiàn)代火災(zāi)及時(shí)補(bǔ)救已成為迫在眉睫需要解決的問題，救火早一刻就少一分損失，消防救援人員固然速度已經(jīng)很快，但也需要一段不小的時(shí)間，而且進(jìn)入救火現(xiàn)場(chǎng)還有生命危險(xiǎn)的可能，于是滅火機(jī)器人的理念誕生了，笨設(shè)計(jì)主要就是針對(duì)滅火機(jī)器人的制作與研究，小車以AT89S52單片機(jī)為控制核心，加以電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光電傳感電路、火焰檢測(cè)電路、滅火風(fēng)扇以及其它電路構(gòu)成。電源電路提供系統(tǒng)所需的工作電源，專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制小車的前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)向，光電對(duì)管完成尋跡和避障，光敏電阻傳感器檢測(cè)火焰，滅火風(fēng)扇進(jìn)行滅火。本設(shè)計(jì)制作的消防小車具有簡(jiǎn)易滅火功能，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)滅火的目的。

通過滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)，我們可以了解機(jī)器人滅火任務(wù)， 知道簡(jiǎn)單的程序算法，掌握通過機(jī)器人識(shí)別白線、機(jī)器人檢測(cè)火焰等方法滅火的方法。 通過制作滅火機(jī)器人我們可以弄懂簡(jiǎn)易滅火機(jī)器人的搭建、火焰?zhèn)鞲衅鞯氖褂?，知道機(jī)器人尋找火源完成簡(jiǎn)單滅火任務(wù)。此外我們可以培養(yǎng)觀察能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)造能力，養(yǎng)成良好的思維習(xí)慣。通過對(duì)光學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械原理以及美學(xué)等的綜合運(yùn)用，提高知識(shí)的綜合運(yùn)用。通過競(jìng)賽機(jī)制，鍛煉我們的競(jìng)爭(zhēng)和合作意識(shí)，鍛煉學(xué)生比賽時(shí)的靈活性。最終目標(biāo)，我們?cè)O(shè)計(jì)出一種快速滅火的機(jī)器人，能夠有效地消滅火災(zāi)，為人們減少火災(zāi)損失；為人們生活帶來方便。

2.研究方法、研究方案及可行性

一、硬件

通過對(duì)比賽規(guī)則的研究,設(shè)計(jì)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示

1.1傳感器部分

傳感器檢測(cè)環(huán)境信息,描述機(jī)器人與環(huán)境的相互關(guān)系。針對(duì)比賽規(guī)則,機(jī)器人主要使用了紅外傳感器、灰度傳感器及相應(yīng)的信號(hào)處理電路。機(jī)器人滅火裝置是一個(gè)風(fēng)扇,當(dāng)機(jī)器人接近火源時(shí)自動(dòng)打開風(fēng)扇,吹滅火焰。用LCD作為輸出顯示。紅外傳感器有兩種,一種用來檢測(cè)障礙,避免撞到墻壁同時(shí)又可以尋找房間的門。紅外傳感器能夠檢測(cè)到前方10cm～80cm,90°范圍內(nèi)的比0.03平方米面積大的障礙物。

紅外傳感器由兩個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管組成。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線,紅外線在遇到障礙物后被反射回來,紅外接收管收到被反射回來的紅外線后,通過A/D轉(zhuǎn)換送單片機(jī)進(jìn)行處理。另外,一種紅外傳感器用來探測(cè)火源。這種火焰紅外傳感器可以探測(cè)到波長(zhǎng)在700nm～1000nm范圍內(nèi)的紅外光,適宜用來探測(cè)火源或熱源,探測(cè)角度為60°。

紅外傳感器將外界紅外光光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為0～255范圍內(nèi)的數(shù)值。外界紅外光越強(qiáng),數(shù)值越小。因此，越靠近熱源,機(jī)器人顯示讀數(shù)越小。根據(jù)函數(shù)返回值的變化能判斷紅外光線的強(qiáng)弱，從而能大致判別出火源的遠(yuǎn)近?；叶葌鞲衅饔脕頇z測(cè)場(chǎng)地內(nèi)的路標(biāo),以便準(zhǔn)確找到房間和有效滅火范圍。比賽場(chǎng)地地面除了表示起點(diǎn)的圓圈、房間的門和有效滅火范圍是白色的外,其余都是黑色的?；叶葌鞲衅饔晒饷綦娮韬桶l(fā)光二極管組成，發(fā)光二極管照射到地面的反射光線被光敏電阻接收，其電阻值根據(jù)反射光線強(qiáng)弱而改變。地面灰度大,光敏電阻值大；地面灰度小，光敏電阻值小。阻值的變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸入到機(jī)器人主板上的微控制器，再由微控制器中的A/D轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.2電源模塊

采用直流電源，工作電壓為20V，可提供40 A的穩(wěn)定供電電流，是普通電池的lO倍。

1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中需要改變速度和方向．要求電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器具有良好的電壓調(diào)整特性。這里采用大功率MOS驅(qū)動(dòng)器，在ll一25 V電壓下?？商峁?0 A的額定電流。此驅(qū)動(dòng)器采用雙極性驅(qū)動(dòng)。通過控制PWM的占空比實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，這樣機(jī)器人實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境下快速準(zhǔn)確達(dá)到目標(biāo)速度川。4路PW信號(hào)驅(qū)動(dòng)4臺(tái)大功率直流電機(jī)/控制輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。滅火風(fēng)扇直流電機(jī)由控制器的伺服電機(jī)輸出端口的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。

1.4其他模塊

滅火模塊主要包括微型電風(fēng)扇和風(fēng)扇直流電機(jī)。當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)并趨近火源后?？刂破鲉?dòng)風(fēng)扇滅火。

為提高比賽成績(jī)。采用聲音啟動(dòng)模式，控制器的語音采集端口讀取聲音信號(hào)。當(dāng)信號(hào)值大于某一值。

機(jī)器人啟動(dòng)。

二、軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上根據(jù)實(shí)際地圖采用左手走規(guī)則，左手走規(guī)則是指機(jī)器人始終沿著左邊的墻壁行走，一直走完全程。該規(guī)則要求機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)沿著墻壁前進(jìn),在場(chǎng)地轉(zhuǎn)彎處或是門口時(shí)，機(jī)器人能自動(dòng)轉(zhuǎn)過去；當(dāng)前方有障礙物時(shí),機(jī)器人能自動(dòng)躲避。機(jī)器人按如下路線搜索火源：H→一號(hào)房間→二號(hào)房間→三號(hào)房間→四號(hào)房間在搜索到火源并滅火后，再按所設(shè)路線返回，在一、二號(hào)房間滅完火后按右手規(guī)則返回，在三、四號(hào)房子滅完火后按左手規(guī)則返回，這樣設(shè)計(jì)的目的是為了節(jié)省時(shí)間。程序設(shè)計(jì)時(shí)，總體任務(wù)可劃分成四個(gè)模塊：?jiǎn)?dòng)模塊、搜索火源模塊、滅火模塊、回家模塊(流程圖略)。啟動(dòng)模塊,本模塊主要是采用各種不同的方法。(如手動(dòng)啟動(dòng)或聲音啟動(dòng))讓機(jī)器人從標(biāo)有H的白圈出發(fā)。

搜索火源模塊，本模塊主要是對(duì)每個(gè)房間按預(yù)定順序進(jìn)行搜索，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)某房間門口時(shí)，底部的灰度傳感器搜索到門口白線的存在，如果此時(shí)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到的亮度大于某一值(這一值由當(dāng)時(shí)環(huán)境與火焰亮度的差值而設(shè)定)時(shí)，退出該房間繼續(xù)搜索其余房間，否則，切換到滅火模塊。滅火模塊，此模塊主要完成趨光、滅火等功能,當(dāng)搜索到火源后即執(zhí)行完搜索火源模塊，機(jī)器人會(huì)趨向光強(qiáng)的方向(蠟燭)行走，當(dāng)機(jī)器人底部的灰度傳感器檢測(cè)到蠟燭外圍的白線時(shí)，機(jī)器人停止前進(jìn)，打開風(fēng)，吹滅蠟燭。回家模塊，滅火成功后紅外傳感器檢測(cè)到其亮度降到與外界差不多的時(shí)候,切換到回家模塊。根據(jù)搜索火源模塊檢測(cè)到的地面白線次數(shù)W，判斷機(jī)器人處于哪個(gè)房間，進(jìn)而決定回家的方式。當(dāng)W=3時(shí)用右手定則回家,當(dāng)W=4或等于5時(shí)用左手定則回家，當(dāng)W為其他值時(shí)按右手定則回家。當(dāng)進(jìn)人白圈后,光敏傳感器檢測(cè)到地面灰度持續(xù)小于某一值超過一定時(shí)間則機(jī)器人停止。

三、系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試分模塊調(diào)試和系統(tǒng)總調(diào)試兩個(gè)階段。首先,分別對(duì)四個(gè)模塊進(jìn)行檢測(cè)與調(diào)試,期間也遇到很多問題,特別是對(duì)搜索火源模塊的調(diào)試最為重要和繁瑣;單個(gè)模塊調(diào)試完畢后,需要根據(jù)場(chǎng)地具體情況進(jìn)行系統(tǒng)總調(diào)試,在這個(gè)階段主要是考慮如何在保證滅火成功的情況下縮短滅火所需的時(shí)間,以爭(zhēng)取更好的成績(jī)。