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智能巡检灭火机器人的设计方法研究与实现摘要：为了实现对室内火灾的自动巡检、报警以及扑灭，设计了一种基于可见光及红外图像融合的智能灭火机器人。
在巡检模式下，四轮小车自主移动，安装于其上的可见光摄像头定时捕捉系统周围的图像，并通过基于RGB颜色的火焰特征算法识别是否有火灾的发生。
为了防止误识别的发生，采用红外图像验证火焰的真实性；在灭火模式下，系统首先通过网络向上位机发送火灾信号，同时通过视觉定位火焰方位，通过超声模块和红外避障模块实现自动避障并靠近火焰。
当距离小于设定阈值时，启动喷淋系统，实现火灾扑灭功能。
实验表明，在室内环境下，融合可见光及红外图像的火焰识别算法可对火焰进行准确识别。
关键字：可见光；红外图像；火焰特征；避障1.引言本文提出了一种基于可见光和红外图像融合算法的智能灭火机器人。
该系统由可见光摄像头、红外摄像头、超声测距模块以及四轮移动小车组成，其中可见光及红外摄像头经过校准，拍摄场景重合，采用树莓派作为其核心控制模块。
在未发现火情的情况下，载有摄像头的小车按设计路线完成巡检工作，其上方的可见光摄像头则实时捕捉周围场景图像，并通过基于RGB颜色的火焰特征算法识别是否有火点产生。
为了避免环境光线对识别算法产生的影响，一旦在图片中发现火点，则启动红外摄像头采集环境中的红外数据，当数据矩阵中的任何一个元素数值超过设定的温度阈值，则认为有起火点。
根据起火点在图像中的位置，树莓派控制小车向起火点方向移动，其间通过安装于车辆前方的超声测距模块实现避障。
当车辆与起火点距离足够近时，系统启动喷淋系统。
1.基于RGB颜色的火焰识别算法该算法本质上是一种统计学中的抽样调查方法，其核心为找出火焰颜色中RGB分量的特征规律。
根据相关参考文献可知，可通过如下公式1的方法获取RGB各颜色分量的平均值Av。
其中下标m取值R、G、B表示对应的颜色通道；k的取值为图片中像素点的个数，通常取值为图片高与宽的乘积（w*h）；P表示对应的像素点。
摘要面对诸多恶劣的工作环境(如灭火、救援等)，为了有效的避免人员伤亡，就需要采用智能小车去现场来完成相应的任务。
因此研究和开发智能小车引导控制系统具有十分重要的意义。
本系统采用68HC11单片机作为核心控制芯片，设计制作了一款通过红外光电传感器检测路径信息、红外火焰传感器检测火源的智能寻迹灭火小车。
本系统由单片机控制模块、寻迹传感器模块、驱动电机模块、火源传感器模块、风扇模块、电源模块等组成。
实际应用表明，该小车可以在专门设计的场地上实现自主发现火源，自主识别路线，自主行进接近火源并灭火，最终完成灭火的任务。
关键词：单片机，小车，引导控制，传感器AbstractContent: Confronted with so many bad working environment (such as fire fighting, rescue etc), in order to effectively avoid casualties, need to use intelligent go by car scene to complete relevant tasks. Therefore, the research and development of intelligent car guide control system has the extremely vital significance. This system uses 68HC11 as the core control chip, design and make a new electric sensor detection by infrared sensor information, infrared flame path of intelligent tracing test fire extinguishing car. The system is composed of single-chip microcomputer control module, tracing sensor module, drive motor module, ignition sensor module, fan module, power supply module. The practical application indicates that the car can be in a specially designed field on fire, to realize the independent found autonomous recognition route, independent sources and marching close to the fire extinguishing, finally complete task.Keywords: Microcontroller , Car ,Control system, Sensors目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1课题来源与意义 (1)1.2课题背景 (1)1.3课题研究方法 (2)第二章能力风暴机器人的基本构成 (3)2.1外形构造 (3)2.2主板 (4)2.3 68HC11的基本知识 (4)2.4传动结构——齿轮箱 (5)第三章方案设计与论证 (6)3.1总体设计方案 (6)3.2小车的制作方案设计与论证 (6)3.3驱动电机模块的选定 (7)3.4寻迹传感器模块的选定 (7)3.5单片机控制模块的选定 (8)3.6火源传感器模块的选定 (8)3.7灭火模块的选定 (9)3.8电源模块的选定 (9)3.9最终方案 (9)第四章灭火控制方案与策略 (11)4.1 灭火场地 (11)4.2行走方案分析与确定 (11)4.3火焰定位 (13)4.4传感器的布置 (14)第五章灭火机器人灭火装置及结构设计 (15)5.1灭火方案的确定 (15)5.2水泵灭火装置结构设计 (16)5.3灭火机器人外形设计 (19)第六章控制程序设计 (20)6.1智能灭火小车系统总体流程 (20)6.2程序流程图 (21)6.3部分功能代码 (24)结论 (28)致谢 (29)参考文献 (30)第一章绪论1.1课题来源与意义随着时代的发展，机器人已经不是一个陌生的名词了，现在的电影大片中经常性的出现机器人，它们存在于工厂，普通人的家里，科技研究所，马路上等等，它们有智能的也有非智能的，有人型也有普通机械式的，其中对我们这代人来说印象最深刻的就要是风靡一时的好莱坞电影大片《变形金刚》，里面的机器人不但可以变身而且它们有自己的思想，是智能机器人但又高于智能机器人，它们近乎是一个个完整的独立的“人”。
矿井用灭火机器人的硬件电路设计与应用随着人们对矿山安全性的要求日益增强，矿井用灭火机器人技术也日趋成熟。
矿井用灭火机器人可以在矿井内实现自主巡航、定位和灭火等功能，有效提高了矿井灾害的应急处理能力。
本文将重点介绍矿井用灭火机器人的硬件电路设计及应用。
一、硬件电路设计1.控制核心部分控制核心部分选用STM32F103C8T6芯片，它具备较高的计算性能和通信能力，可满足矿井机器人的控制需求。
芯片的主频为72MHz，内置64KB Flash，20KB RAM，支持多种接口，如USB、CAN、I2C、SPI等。
2.通信模块矿井用灭火机器人需要与控制中心进行通讯，选用SIM800L模块作为通讯模块。
SIM800L模块可实现GSM/GPRS通信，并具有较小的尺寸和低功耗的特点。
通过该模块，控制中心可以对机器人进行指令下达和数据传输。
3.分布式传感器为了实现矿井内的灭火和环境状况监测，需要使用多个传感器分布在机器人不同的位置上。
因此，采用分布式传感器方案，使用nRF24L01+无线传输模块进行通讯。
4.动力部分机器人需要持续稳定地运行，因此需要选用合适的电池组合作为动力部分。
根据机器人的体积和负载需求，选择三节18650电池组成11.1V电池板，提供持续的电源。
5.电机驱动机器人需要移动，因此需要选用直流电机作为驱动部分。
为了控制电机的转速和方向，选用A4953芯片作为电机驱动模块，可以实现电机的正反转和PWM控制。
二、应用矿井用灭火机器人的应用包括自主巡航、定位、灭火等多种功能。
1.自主巡航机器人可以通过红外传感器和超声波传感器探测周围的障碍物，确定路径，实现自主巡航。
通过串口与中心控制端交互，获取灭火指令和状况回报。
2.定位在矿井中的定位需要使用多种传感器进行协同，如GPS、IMU、激光雷达等。
通过多种传感器的数据融合，可以实现机器人在矿井中的准确定位。
3.灭火机器人的灭火部分包括水泵、水管和喷嘴等。
机器人可以根据控制中心发来的指令，前往火灾现场实施应急处置，通过水泵进行喷水灭火。
矿井用灭火机器人的硬件电路设计与应用随着矿井的深入开采，其环境条件变得越来越复杂，一旦发生火灾事故，往往会造成严重的人身伤亡和财产损失。
为提高矿井火灾事故的应对速度和效果，现有的矿井灭火设备已经无法满足需求。
研发一种能够在极端环境下进行灭火的机器人成为了必要的措施。
本文将针对矿井用灭火机器人的硬件电路设计与应用进行详细阐述。
矿井用灭火机器人的硬件电路设计主要包括控制模块、传感器模块、执行器模块和电源模块。
控制模块是机器人的大脑，用于控制机器人的运动和灭火装置的操作。
控制模块采用单片机作为核心芯片，通过编程控制机器人的各项功能。
控制模块还可连接无线通讯模块，实现与操作员的无线通讯，让操作员能够实时监控机器人的状态并远程控制机器人的行动。
传感器模块是机器人的感知器官，负责感知矿井环境的温度、气体浓度、湿度等参数，并将感知到的数据传输给控制模块进行处理。
传感器模块可以包括温度传感器、气体传感器、湿度传感器等多种传感器，分布在机器人的不同位置，以提高感知的全面性和准确性。
执行器模块是机器人的执行器官，负责执行控制模块发出的命令，实现机器人的运动和灭火装置的操作。
执行器模块通常包括电机、舵机等驱动装置，用于驱动机器人的轮子、臂杆等运动装置。
执行器模块还需要配备灭火装置，如喷水装置或干粉灭火装置，并能够根据控制模块的指令进行相应的灭火操作。
电源模块是机器人的能量来源，负责为机器人的各个模块提供电源。
由于矿井环境复杂，常常没有外部电源供应，因此电源模块需要采用可充电电池或可更换电池的设计，并具备长时间工作的能力。
电源模块还需要具备过充电保护和过放电保护等功能，以确保机器人的安全运行和电池的寿命。
矿井用灭火机器人的应用主要体现在应对矿井火灾事故的场景中。
当发生火灾事故时，机器人首先通过传感器模块感知矿井环境的温度和气体浓度等参数，然后根据控制模块的指令进行相应的灭火操作。
机器人可以通过执行器模块的运动装置快速移动到火灾现场，并通过灭火装置执行相应的灭火操作，如喷射水流或干粉等。
智能灭火机器人设计方案作者：董蕴慧毕征程张程吕光斌来源：《山东工业技术》2016年第24期摘要：根据制造一个自主控制的机器人在一间平面结构房子模型里运动并找到一根蜡烛尽快将它熄灭的任务，利用开关二极管、滤波电容、电阻、光电耦合、L298N、LM2596等元器件，设计出稳压降压电路和L298N驱动模块的PCB板，并通过STC12C5A60S2单片机导入自己设计的一系列如寻墙、寻火、灭火、回家等子程序，合理布局地面灰度传感器、红外光电传感器并在不断改进和调试下成功制作出能够准确完成任务的灭火机器人。
关键词：机器人；灭火；传感器；电机驱动；稳压电路DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.24.1341 系统的整体方案设计整体选定右手法则，即小车基本一直沿右墙走，当进入房间后，如果没有火，则寻找下一个房间；如果有火，则开始执行寻火程序，直到离蜡烛30cm的检测到白线，再利用风扇将蜡烛熄灭，完成灭火功能。
因此设计的小车要求能够及时调节前进的方向，以便快速进入房间，顺利找到火源。
系统总体设计框图如图1：2 硬件设计该方案是设计一个在规定区域能自主搜索火源并实施灭火的智能机器人小车，设计使用的主控芯片为STC12C5A60S2单片机，设计重点在传感器和电机驱动上2.1 DC-DC 降压电路采用LM2596s-5.0芯片。
输入端给入11.1V～12.8V电压，输出端输出5V电压。
LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。
本方案采用LM2596s-5.0，输入端给入11.1V～12.8V电压，输出端输出5V电压。
该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。
由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。
矿井用灭火机器人的硬件电路设计与应用
矿井用灭火机器人是一种能够在矿井等危险环境中进行灭火救援的机器人。
它可以通过配备的硬件电路来实现自主移动、火源定位、水源供给和灭火等功能。
该机器人的硬件电路设计包括以下几个方面：
1. 控制系统：采用嵌入式处理器作为控制核心，搭配以及相关的电路设计，实现对机器人的整体控制。
控制系统可以实现机器人的移动控制、传感器数据采集和处理、通信等功能。
2. 传感器系统：为了实现火源的定位和环境感知，矿井用灭火机器人配备了多种传感器。
比如红外传感器可以用来检测火源的温度和位置，燃气传感器可用于检测可燃气体的浓度，温湿度传感器可以检测环境的温度和湿度等。
3. 气源供给系统：机器人需要持续的水源供给来进行灭火工作。
为此，矿井用灭火机器人配备了水泵和水箱，并通过相关的电路设计将水泵与控制系统进行连接。
这样可以实现对水源供给系统的控制，确保机器人在灭火过程中不会出现水源不足的情况。
矿井用灭火机器人的应用主要是在矿井等危险环境中进行火灾事故的灭火救援工作。
它可以替代人工进入危险区域进行灭火工作，减少了人员伤亡的风险。
该机器人可以通过遥控或自主导航的方式进行工作。
在火灾发生时，机器人可以根据收到的传感器数据进行火源定位，并通过控制系统自主移动到火源附近。
然后，通过气源供给系统将水源供给到火源位置进行灭火。
在整个过程中，机器人可以实时将火灾信息传递给人员，提供指导和参考。
密级：资料2008版初中灭火（辫子法）设计方案（仅供参考）纳英特机器人事业部总页数正文附录生效日期：编制：审核：批准：目录第一章项目方案概述 (3)1.1 配件清单 (3)1.2 参数说明 (5)1.3 思路描述 (5)第二章机器人的搭建和程序设计 (8)2.1 机器人测试 (8)2.2 机器人的搭建 (8)2.2.1 扩展板的组装 (8)2.2.2 马达和轮子的组装 (9)2.2.3 前后灰度传感器的安装 (10)2.2.4 主机的安装 (10)2.2.5 红外避障传感器的安装 (11)2.2.6 工业红外传感器的安装 (13)2.2.7 大功率的安装 (14)2.2.8 火焰传感器的安装 (15)2.2.9 灭火风扇的安装 (16)2.2.10 辫子和架高火焰的安装 (17)2.2.11 声控传感器的安装 (20)2.2.12 电池包的安装 (21)2.3 机器人的程序设计 (22)2.3.1 初中组程序（图形化程序，解决方案里带有图形化程序原文件） (22)2.3.2 初中组程序（C语言程序） (22)2.4 机器人的使用 (37)第三章常见问题分析 (38)3.1 机器人倒退，原地打转及走弧线 (38)3.2 机器人在场地上不走 (38)3.3 机器人在场地上走的很慢或一开始就倒退 (38)3.4 机器人在场地上走迷宫总是撞到挡板 (38)3.5 机器人在灭火时候不能发现火 (39)3.6 机器人在灭火时对不准火 (39)3.7 机器人掉程序 (39)第一章项目方案概述根据《第九届全国中小学电脑制作活动指南》设计，本套装适合初中组灭火项目使用。
1.1 配件清单本方案所需的配件清单：序号所需配件数量配件在本方案中的功能配件图片N-A-0 101 纳英特积木式机器人平台(V1.0)1 机器人的核心控制中心N-B-01 01 主板扩展 1 扩展模拟接口和伺服电机接口N-A-0201积木套件 1 用来装配机器人及固定传感器N-B-0 4013.0大功率马达驱动模块1 用来增大马达驱动能力N-B-03 011.0功率马达驱动模块1 用于增强灭火风扇的灭火能力N-B-02 02 电源稳压模块1 提供7V～25V之间的稳定直流电压N-C-08 01 声控传感器1 （数字）（能检测环境声音变化）（声控启动）N-C-09 01 底部灰度传感器2 用于检测场地地面标志线（房间门口白线、灭火圈白线、“H”家）N-C-02 01 红外测障传感器11 数字传感器，主要用于迷宫避障碍物N-C-06 01 火焰传感器6 用于检测火焰，前、后各三个（双头）。
智能灭火机器人摘要文章对消防机器人进行了研究。
介绍了消防机器人的背景并简单描述系统硬件、光电传感器和火焰传感器的工作原理，并附以电路图加以说明，通过传感器连接电压比较器输出电平由M F13处理实现寻找火源。
最后由火焰传感器测距输入单片机实现停车并输出信号控制继电器闭合从而控制风扇灭火。
论文详细阐述了程序流程和实现过程。
此设计以数字集成电路技术为基础并以单片机技术为核心。
依据传感器的信号传入单片机实现各种指令处理。
小车在接近火源的过程中左右波动前进，躲避障碍物，最后找到火源打开风扇灭火。
关键词单片机；光电传感器；灭火装置；复眼目录1前言 (3)2机器人的相关概论 (6)2.1机器人的发展 (6)2.2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段 (7)3硬件 (8)3.1机器人外观操作面板介绍 (8)3.2稳压板，灰度检测传感器 (9)3.3光电传感器，复眼 (10)3.4执行机构 (11)4软件电路设计 (12)4.1软件总体设计方案 (13)4.2v j c软件介绍 (14)4.3子程序 (16)4.4硬件电路软件电路 (22)5总结 (25)6参考文献 (26)7源程序 (27)前言目前由于人们的防火意识比较差，生活中火灾频发，消防战士在灭火中牺牲宝贵生命的事件不在少数，迫切要求机器代替人去执行灭火任务。
针对这个问题，前人已经做了很多的研究，有基于M S P430的灭火小车，能实现灭火功能。
还有的是人为地控制机器人的活动和灭火，这样使得不得不靠人来控制，浪费人力资源，不能很好的实现灭火的效果。
此设计在前人研究的基础上，通过不断地学习相关的知识，力求对消防机器人设计达到更深的了解和研究，促进消防机器人在火灾中的应用并推广在相关领域的研究，使消防研究工作不断向前发展，具有很大的学术价值。
在未来智能化和机械化的世界中，尤其是在消防事业中，一款好的机器的使用能够达到事半功倍的效果。
消防机器人的应用前景非常明朗。
消防机器人实战训练方案设计作者：李建伟来源：《消防界》2018年第21期摘要：针对消防机器人在实际灭火救援中遇到的问题，根据不同的应用场景，设计了相应的消防机器人的训练方案，详细介绍了消防机器人训练的目的、使用器材以及操作程序，给出了训练成绩评定办法。
通过本训练方案的实施，可以提高消防机器人的使用效果，迅速提高消防官兵的技能。
关键词：消防机器人;操作规程;实战训练近年来，消防机器人越来越多的应用到实际灭火救援中，由于消防人员对消防机器人的性能、使用方法不熟悉，给执行灭火任务带来一些困难和问题。
为了更好地了解消防机器人的使用方法，提高消防人员使用消防机器人的能力和技巧，增强消防机器人在火灾事故中的救援效果，本文介绍了一系列消防机器人的训练方案，根据不同的应用领域，采取不同的训练措施，以达到快速提升对消防机器人的应用能力的目的。
一、消防机器人实战训练方案（一）消防机器人火场运送训练科目1.训练目的通过该科目训练，使驾驶员及机器人操作员熟练掌握消防机器人的运输，提升消防机器人的火场运输能力，确保在实战中能够第一时间精准、迅速、安全地投入到灭火救援战斗中，提升灭火救援效能。
2.场地器材在长100m训练场上标出起点线和终点线，在50m处标出消防机器人卸装区，在起点线上停放消防机器人运输车1辆，车上消防机器人2台（含遥控器），60m处设置警戒锥5个，每个间隔5m，80m处设置高15cm宽20cm障碍物两处，每个间隔5m。
3.操作程序队员（2名战斗员、1名驾驶员）着全套灭火防护服（头盔、头灯、防护服、防护靴、安全腰带），佩戴空气呼吸器、电台，按指定位置登车，做好操作准备。
听到“开始”的口令后，队员完成下列任务：（1）驾驶员将车辆安全、迅速停靠在指定位置;（2）驾驶员操作车辆踏板，固定车辆;2名操作手分別启动各自的消防机器人，按顺序协同配合将机器人开至地面，架设控制箱支架连接好天线;（3）2名操作手前后相距不小于5m依次前行，分别通过蛇形行驶区和障碍区，最后迅速到达终点，做好战斗准备，最后一辆消防机器人过终点线喊“好”。
智能灭火机器人设计
智能灭火机器人是一种能够在火场进行灭火、监测、和搜索任
务的智能机器人。
其基本设计原则是满足以下需求：
1. 安全性：机器人必须能够具备自身的安全保障，要求其在火
场内能够稳定运行，灭火过程中不对人员、物件造成二次损伤。
2. 灵活性：应用场景复杂，机器人需要能够适应各种火场环境，能够快速移动并转化。
3. 多功能性：机器人需要同时具备搜索、预警、监测、定位、
灭火及报警等多种功能，能够为灭火人员提供有效的辅助帮助。
4. 智能化：机器人核心技术应包含智能化算法系统、感知及控
制系统等，能够实现远程操控和自主决策，提高对火场的敏感度和
及时响应。
5. 续航性：机器人需要长时间在火场内稳定运行，其电池续航
时间应足够长。
基于以上设计原则，智能灭火机器人通常包括以下模块：
1. 硬件模块：机身、轮子、传感器、电池等。
2. 控制模块：控制芯片、通讯板、电机驱动等。
3. 传感器模块：烟雾传感器、红外传感器、温度传感器等。
4. 智能算法模块：深度学习、神经网络等算法优化。
5. 灭火系统模块：水泵、水箱、喷洒系统等。
智能灭火机器人是一种集多项核心技术于一身的高科技产品，
其设计需要多个领域协同努力，才能实现优秀的性能表现。
机器人灭火方案的设计
[摘要] 根据第二届江苏省大学生机器人灭火竞赛规则,对其比赛方案进行设计和优化。
本次比赛所用机器人为上海广茂达公司生产的能力风暴机器人,主要利用红外传感器、灰度传感器对环境进行检测,驱动电机,使机器人在场地中按照设计的方案寻找火源并将其扑灭。
[关键词] 能力风暴机器人灭火
近年来,机器人技术已经取得很大的发展,并引起社会各界广泛关注。
近几年,我国也举办了各式各样的机器人比赛,如机器人足球、机器人灭火、机器人跳舞、创新机器人等,其中以机器人足球比赛、机器人灭火比赛最为引人注目,开展也最为普及。
这在一定程度上促进了我国机器人技术的发展,同时也提高了广大学生的动手能力和创新能力。
一、比赛规则
比赛采用江苏省第二届机器人大赛灭火比赛规则。
在场地中设有四间模型房间,其中在某一房间内放置了点燃的蜡烛一根,让机器人模仿生活中的消防队员灭火,自主地寻找并设法熄灭蜡烛。
1.比赛场地
机器人灭火比赛的场地平面结构如图1所示。
图1 比赛场地平面结构
比赛场地的墙壁为木质材料,高33cm,颜色为白色。
地面为被漆成黑色的光滑木质地板,场地中所有的走廊和门宽都是46cm。
进门处用一个2.5cm宽的白线表示,场地中标有“H”的白色实心圆圈为机器人的出发位置。
2.运行模式
对于所有比赛,得分越低,成绩越好。
有多种运行模式可以选择。
不同模式的得分系数不同,标准模式得分系数是1.0;声音启动模式的得分系数是0.95;回家模式的得分系数是0.8;家具模式的得分系数为0.75。
灭火模式:使用风扇吹风灭火的得分系数为1.0,不使用吹风灭火的方式将火灭掉,系数是0.85。
最终的实际得分:得分=(实际时间+罚分)×模式系数×房间系数
3.罚分标准
接触墙壁。
机器人用身体的任何部分或触角接触墙壁,不论是有意的还是无意的,都受处罚,一次加1分,机器人每贴着墙壁滑动2cm加1分。
扑灭蜡烛后返回出发位置过程中接触墙壁不加分。
接触蜡烛。
机器人用身体的任何部分接触蜡烛或其基座,不论是有意还是无意的都加50分。
如果是在灭火过程中或者在蜡烛熄灭后碰到蜡烛,将不予处罚。
接触部分指机器人本体部分,不包括机器人用作灭火的水、气体或其他东西。
4.房间系数
比赛时,机器人搜索1个房间就找到火源并灭火成功,则房间系数为1.0,搜索2个房间,房间系数为0.85,搜索3个房间,房间系数为0.50,搜索4个房间,房间系数为0.35。
5.可靠性
灭火机器人的可靠性和它的快速性很重要,三次灭火都成功的机器人最后得分减10%(最后得分是机器人两次最好成绩之和)。
三次灭火都成功的可靠性系数为0.9,否则可靠性系数为1.0。
二、硬件设计
通过对比赛规则的研究,设计机器人的系统结构如图2所示。
图2 系统结构
传感器检测环境信息,描述机器人与环境的相互关系。
针对比赛规则,机器人主要使用了红外传感器、灰度传感器及相应的信号处理电路。
机器人灭火装置是一个风扇,当机器人接近火源时自动打开风扇,吹灭火焰。
用LCD作为输出显示。
红外传感器有两种,一种用来检测障碍,避免撞到墙壁同时又可以寻找房间的门。
红外传感器能够检测到前方10cm～80cm,90°范围内的比0.03平方米面积大的障碍物。
红外传感器由两个红外发射管和一个红外接收管组成。
红外发射管发出红外线,红外线在遇到障碍物后被反射回来,红外接收管收到被反射回来的红外线后,通过A/D转换送单片机进行处理。
另外,一种红外传感器用来探测火源。
这种火焰红外传感器可以探测到波长在700nm～1000nm范围内的红外光,适宜用来探测火源或热源,探测角度为60°。
红外传感器将外界红外光光强的变化转化为电流的变化,通过A/D转换器转换为0～255范围内的数值。
外界红外光越强,数值越小。
因此,越靠近热源,机器人显示读数越小。
根据函数返回值的变化能判断红外光线的强弱,从而能大致判别出火源的远近。
灰度传感器用来检测场地内的路标,以便准确找到房间和有效灭火范围。
比赛场地地面除了表示起点的圆圈、房间的门和有效灭火范围是白色的外,其余都是黑色的。
灰度传感器由光敏电阻和发光二极管组成,发光二极管照射到地面的反射光线被光敏电阻接收,其电阻值根据反射光线强弱而改变。
地面灰度大,光敏电阻值大;地面灰度小,光敏电阻值小。
阻值的变化转变成电信号输入到机器人主板上的微控制器,再由微控制器中的A/D转换器将电信号进行转换。
三、软件设计
在软件设计上根据实际地图采用左手走规则,左手走规则是指机器人始终沿着左边的墙壁行走,一直走完全程。
该规则要求机器人能实现沿着墙壁前进,在场地转弯处或是门口时,机器人能自动转过去;当前方有障碍物时,机器人能自动躲避。
机器人按如下路线搜索火源:H→一号房间→二号房间→三号房间→四号房间在搜索到火源并灭火后,再按所设路线返回,在一、二号房间灭完火后按右手规则返回,在三、四号房子灭完火后按左手规则返回,这样设计的目的是为了节省时间。
程序设计时,总体任务可划分成四个模块:启动模块、搜索火源模块、灭火模块、回家模块(流程图略)。
启动模块,本模块主要是采用各种不同的方法(如手动启动或声音启动)让机器人从标有H的白圈出发。
搜索火源模块,本模块主要是对每个房间按预定顺序进行搜索,当机器人到达某房间门口时,底部的灰度传感器搜索到门口白线的存在,如果此时火焰传感器检测到的亮度大于某一值( 这一值由当时环境与火焰亮度的差值而设定)时,退出该房间继续搜索其余房间,否则,切换到灭火模块。
灭火模块,此模块主要完成趋光、灭火等功能,当搜索到火源后即执行完搜索火源模块,机器人会趋向光强的方向(蜡烛)行走,当机器人底部的灰度传感器检测到蜡烛外围的白线时,机器人停止前进,打开风扇,吹灭蜡烛。
回家模块,灭火成功后红外传感器检测到其亮度降到与外界差不多的时候,切换到回家模块。
根据搜索火源模块检测到的地面白线次数W,判断机器人处于哪个房间,进而决定回家的方式。
当W< =3时用右手定则回家,当W=4或等于5时用左手定则回家,当W为其他值时按右手定则回家。
当进人白圈后,光敏传感器检测到地面灰度持续小于某一值超过一定时间则机器人停止。
四、系统调试
系统调试分模块调试和系统总调试两个阶段。
首先,分别对四个模块进行检测与调试,期间也遇到很多问题,特别是对搜索火源模块的调试最为重要和繁琐;单个模块调试完毕后,需要根据场地具体情况进行系统总调试,在这个阶段主要是考虑如何在保证灭火成功的情况下缩短灭火所需的时间,以争取更好的成绩。
依据本方案设计的机器人,在江苏省第二届大学生机器人大赛灭火项目中获得三等奖。
参考文献:
[1]齐丕智.光敏感器件及其应用.北京:科学出版社,1987.
[2]王化祥,张淑英.传感器原理及应用.天津:天津大学出版社,2002.
[3]宗光华.机器人的创意设计与实践.北京:北京航空航天大学出版社,2004.
[4]张福学.现代实用传感器电路.北京:中国计量出版社,1997.
[5]蒋新松.机器人与工业自动化.石家庄:河北教育出版社,2003.。
