新型滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：該文介紹了一款自主研發(fā)的滅火機(jī)器人，其控制核心采用ATmega 168v單片機(jī)，以火焰?zhèn)鞲衅鳎t外光電傳感器組成檢測(cè)系統(tǒng)，利用直流電機(jī)做驅(qū)動(dòng)，在控制策略上采用“迷宮走法”和“右手法則”配合使用，機(jī)器人自動(dòng)尋找火源，找到火源后，機(jī)器人啟動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行滅火。

關(guān)鍵詞：ATmega；168v單片機(jī)；傳感器；滅火機(jī)器人

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)35-2246-03

The Design and Implementation of Fire-fighting Robot

ZHANG Jing-chuan， LIU Li-yang， FU Jia-xiang

(School of Electronic Science And Information Technology，Guizhou University，Guiyang 550003，China)

Abstract: This paper introduced an independent research and development of fire-fighting robots，we adopt 8-bit ATmega 168v Singlechip as core ofits controller，taking flame sensor，infrared sensor to compose the test system，using L298N chip to drive permanent magnetic DC motors，On control strategy，“maze rule”and“the right hand rule”are used in coordination.The robot find the fire source automatically，find the fire and blow out the fire.

Key words: aTmega;168vSinglechip;transducer;fire-fighting robot

1 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能化也提出了進(jìn)一步的要求，智能機(jī)器人的研究在實(shí)際應(yīng)用中就有了很大的發(fā)展空間，機(jī)器人技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的學(xué)科，它涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、智能控制等領(lǐng)域。智能機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用了信息技術(shù)中的感測(cè)技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)等，是信息技術(shù)課程和相關(guān)科技活動(dòng)的良好載體。一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)看好智能機(jī)器人教育對(duì)未來高科技社會(huì)的影響，我國也已經(jīng)在這一方面做出了一些積極的努力。

機(jī)器人滅火比賽是近幾年在國內(nèi)外被廣泛推廣和發(fā)展的一個(gè)機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目。由于其對(duì)參賽選手的技術(shù)水平和參賽機(jī)器人的成本門檻較低，因此是在機(jī)器人入門級(jí)玩家里被廣泛開展的一項(xiàng)機(jī)器人競(jìng)技項(xiàng)目。隨著此比賽的普及影響力的加大，想了解的人越來越多。

2 滅火機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)滅火機(jī)器人的功能要求，設(shè)計(jì)的滅火機(jī)器人主要由控制器、傳感器模塊、滅火模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、以及電源模塊等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 控制器

控制器核心采用ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega 168v單片機(jī)，它具有16K系統(tǒng)內(nèi)可編程的FLASH，工作于20 MHZ時(shí)性能高達(dá)20 MIPS，擁有兩個(gè)獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器\\計(jì)數(shù)器，一個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器\\計(jì)數(shù)器。8路10位ADC（TQFP與MLF封裝）；23個(gè)可編程的I\\O口，工作電壓：1.8V~5.5V，是一款優(yōu)秀的高性能、低功耗的8位AVR微處理器。

CPU的主要任務(wù)是保證程序的正確執(zhí)行。因此它必須能夠訪問存儲(chǔ)器，執(zhí)行運(yùn)算，控制外設(shè)以及處理中斷。為了得到最大程度的性能以及并行性，AVR采用了Harvard結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線。程序存儲(chǔ)器的指令通過一級(jí)流水線運(yùn)行。CPU在執(zhí)行一條指令的同時(shí)讀取下一條指令。這個(gè)概念實(shí)現(xiàn)了指令的單時(shí)鐘周期運(yùn)行。程序存儲(chǔ)器為可以在線編程的FLASH。在本次設(shè)計(jì)中使用ATmega 168v的另一個(gè)原因是，它有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。ADC通過逐次逼近的方法將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)10位的數(shù)字量。最小值代表GND，最大值代表AREF引腳上的電壓再減去1 LSB。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果為10位，存放于ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCH及ADCL中。

有了ADC轉(zhuǎn)換，外部傳感器反饋回來的模擬量值，通過轉(zhuǎn)換變成精確的數(shù)字量值，提高了程序運(yùn)行的精確度，同時(shí)也減少了外部傳感器的使用數(shù)量。本來需要使用三個(gè)傳感器才能完成沿墻走的功能，現(xiàn)在只需要兩個(gè)就能完成，而且更精確的控制了離墻的距離，減少了碰壁的次數(shù)。

2.2 傳感器模塊

傳感器是機(jī)器人的感覺器官。在本設(shè)計(jì)中，機(jī)器人能否順利檢查每個(gè)房間火源情況，準(zhǔn)確找到火源并確保將火源熄滅，關(guān)鍵取決于傳感器。本設(shè)計(jì)中紅外光電傳感器采用CNY70，用它去檢測(cè)障礙物（0-5cm）。它本身具有一個(gè)發(fā)射端和一個(gè)接收端，接收端根據(jù)接收的信號(hào)強(qiáng)弱，反饋一個(gè)電壓值，單片機(jī)通過ADC轉(zhuǎn)換從而控制機(jī)器人的動(dòng)作（控制距離墻的遠(yuǎn)近），實(shí)驗(yàn)證明通過ADC轉(zhuǎn)換可以將機(jī)器人控制距離墻1-3cm前進(jìn)而不碰壁，比使用三個(gè)傳感器但不進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換效果更好。火焰?zhèn)鞲衅鞑捎眉t外光電傳感器GFK125，在此設(shè)計(jì)中對(duì)GFK125傳感器進(jìn)行了改造，去除了它的發(fā)射端，只保留它的接收電路。因?yàn)橛盟z測(cè)火焰，就不需要它自身發(fā)出信號(hào)了。如圖3所示。

2.3 驅(qū)動(dòng)模塊

CPU輸出PWM信號(hào)，電壓為脈沖形式。由于輸出的電流很小，直接將CPU的輸出和直流電機(jī)的輸入相連是不能使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的。使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的目的就是將CPU的輸出電流放大，從而獲得足夠大的力矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 本設(shè)計(jì)采用LG9110芯片做為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它的兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力。

2.4 滅火模塊

由微型風(fēng)扇和簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路組成，當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)火源時(shí)由單片機(jī)來啟動(dòng)該模塊熄滅火源。

3 滅火機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人滅火設(shè)計(jì)中，主要采用了“迷宮走法”和“右手法則”，其思想就是通過紅外光電傳感器感知到墻壁(障礙物)的存在，從而控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)沿墻走的功能。以沿右墻走為例，分別在機(jī)器人的前、右兩處各放置一個(gè)紅外傳感器，前方傳感器用于檢測(cè)前方障礙物，若檢測(cè)到障礙物則左轉(zhuǎn)90度后再直線前進(jìn)。右邊的傳感器用來檢測(cè)右方障礙物，由于ATmega 168v單片機(jī)具有ADC轉(zhuǎn)換功能，所以傳感器反饋的強(qiáng)弱信號(hào)單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換變成了不同的數(shù)字量，進(jìn)而更精確的控制機(jī)器人的動(dòng)作，如果距離墻太遠(yuǎn)，則右轉(zhuǎn)；如果距離墻太近，則左轉(zhuǎn)。通過不斷調(diào)整，使機(jī)器人始終運(yùn)行在距離墻1-3CM的位置，實(shí)現(xiàn)了沿著墻走，從而進(jìn)入每一個(gè)房間尋找火源。

機(jī)器人進(jìn)入房間后，通過前端左右兩個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)房間進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)樵诔绦蛑性O(shè)定的感應(yīng)火焰的值非常低，即使很微弱的火光，傳感器依然可以檢測(cè)的到它的存在。如果機(jī)器人沒有檢測(cè)到火源，則立即退出房間，對(duì)其他房間進(jìn)行檢測(cè)；如果火焰?zhèn)鞲衅鞲杏X到火焰，則啟動(dòng)尋光程序，進(jìn)行滅火。由于是左右兩個(gè)傳感器，單片機(jī)會(huì)有兩個(gè)反饋電壓值，通過對(duì)兩個(gè)傳感器反饋的電壓值大小進(jìn)行比較，從而控制機(jī)器人如何動(dòng)作，左邊光強(qiáng)說明機(jī)器人左邊距離火源近些，應(yīng)向左轉(zhuǎn)，反之，則右轉(zhuǎn)，通過不斷的比較，逐漸靠近火源，光強(qiáng)達(dá)到一定的強(qiáng)度，機(jī)器人啟動(dòng)風(fēng)扇熄滅火源。熄滅火源后，機(jī)器人退出房間，同樣的程序繼續(xù)檢查其他房間，直至所有房間全部檢查完畢，回到出發(fā)地點(diǎn)。圖4是程序流程圖。

主要程序框架：

#include

#include

void main(void)

{

unsigned int i;

PortInit();//初始化

timer0_init();

adc_init(); //ADC初始化

while(1)

{

mic_startup();//聲控啟動(dòng)

forward();

delay_ms(500);

for (i=0;i<4;i++)

{

rsfzqx(); //右手法則

jfj(); //進(jìn)房間

}

rsfzqx();

forward();

delay_ms(200);

stop();

}

}

4 結(jié)束語

通過自己動(dòng)手對(duì)滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)、編程、理論與實(shí)踐的結(jié)合，使我了解了ATMEL公司的ATmega168v單片機(jī)，對(duì)智能控制有了進(jìn)一步的理解，隨著科技的發(fā)展，以機(jī)器人為代表的智能控制應(yīng)用也是越來越廣泛，希望本文可以給大家一定的參考和幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳雙力.AVR-GCC與AVR單片機(jī)C語言開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2] 劉森慕，春棣.基于可編程邏輯器件的嵌入式系統(tǒng)硬件原型設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006:1-2.

[3] 余成波.傳感器與自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，2001.