基于ARM的滅火機器設計

黃睿　汪斌

摘 要： 以室內環境為研究對象，設計了一個自主行走的滅火機器人。系統以ARM單片機為核心控制單元，結合避障傳感器、紅外傳感器和灰度傳感器等實現了機器人自主行走并滅火。根據環境參數要求，對機器人的設計方案進行了合理的選擇和分析，實現了機器人穩定、快速、精確消滅火源。通過實例驗證，設計方案穩定可靠，機器人可在10秒內完成尋找火源并滅火。

關鍵詞： PWM電路； 測障傳感器； 火焰傳感器； 直流電機

中圖分類號：TP312 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）01-11-03

0 引言

目前很多高等院校和研究院所從事各類機器人的研究工作，已經在機器人的感覺識別、操作、移動技術、人機接口技術、智能化技術等方面取得了可喜的成就。這些成就為滅火機器人的研制創造了良好的環境條件。本文針對滅火機器人的硬件條件和滅火比賽的具體功能要求，進行了智能滅火機器人精確控制研究，實現機器人快速穩定地滅火。

1 研究任務

本研究是針對家庭環境下的滅火機器人，讓機器人在室內環境內自主完成火源的查找并消滅火源，以火源查找與滅火的精確性和快速性為設計要求。以蠟燭模擬火源，隨機分布在場地中，模擬滅火場地如圖1所示。

2 系統工作原理及功能簡介

本系統采用32位ARM內核單片機作為主機控制模塊。采用紅外避障傳感器來識別墻壁和障礙物，用火焰傳感器來檢測火源。單片機對傳感器識別到的信號加以分析和判斷，通過對直流電機的控制實現小車前進和滅火的任務。系統工作原理框圖如圖2所示。

3 硬件設計

3.1 紅外避障電路

紅外避障傳感器是一種集發射與接收于一體的光電傳感器，根據高頻調制的紅外線在待測距離上往返產生的相位移推算出光束度越時間Δt，從而根據DCΔt/2計算出里待測物體的距離。這里選擇納英特公司的紅外避障傳感器，數字量輸出，不需要進行AD轉換，可直接連接單片機的IO口。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，額定工作電壓為5V，可以廣泛應用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。

如圖3所示，本紅外避障傳感器引出三條接口線，分別對應VCC、GND、OUT。它的輸出狀態是0、1。即遇到障礙物時為低電平，沒有遇到障礙物時為高電平。

3.2 火焰檢測電路

火焰傳感器是機器人專門用來搜尋火源的傳感器。為了對火焰實現準確定位，我們采用多通道火焰傳感器，使用多個火焰傳感器協同感知的辦法，來判斷火源相對于機器人的位置。在安裝時考慮檢測的角度，將傳感器安放在與火焰同高的水平面上。這些火焰傳感器分布在機器人的傳感器板的正前，正左，正右。火源傳感器能夠探測到波長在700納米-1000納米范圍內的紅外光，其中紅外光波長在880納米附近時的靈敏度達到最大。

在設計時首先設定一個閥值，開機默認閥值為100，可通過機器人單片機的程序來更改閥值，范圍在20～200。機器人在行進過程中，如果測到的最大值小于閥值，則表示沒有火焰，此時傳感器采用折半查找的方法來尋找最大值，每次采集6個通道并找出最大值，保存好最大值以及其通道號，檢測一次大概需要216uS，傳感器上的指示燈呈流水燈狀態。如果測到的最大值大于閥值，則表示有火焰，此時傳感器采用追蹤法來尋找最大值，每次只檢測當前最大值所在通道以及其左右兩邊的通道，再比較這三個通道的數據，保存好其中最大值以及其所在通道號，將此次最大值的通道號作為下一次檢測時的最大值通道。火焰傳感器原理圖如圖4所示。

3.3 直流電機驅動電路

直流電機的驅動電路采用H型PWM電路。用單片機控制驅動電路，使之工作在占空比可調的開關狀態，精確調整電動機轉速。電路中，H橋式電機驅動電路包括四個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。當IO2口為低電平，IO1口為高電平，此時Q1、Q4導通，Q2、Q3截止，電動機正常工作。改變IO2口的高電平周期，即改變PWM調制脈沖占空比，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。直流電機控制電路圖如圖5所示。

3.4 控制主板設計

本滅火機器人的主機控制模塊采用32位ARM內核的單片機，該控制器存儲容量大、運行速度快、外圍接口豐富、穩定可靠，支持C語言編程，方便編程。滿足設計所需的AD轉換、LCD液晶顯示、電機控制、按鈕控制等要求。該控制器采用3.3V供電，工作電流在20mA以下，可謂是低功耗節能的控制器。為了精確定位機器人的行走方位，在設計時還安裝了指南針傳感器，方便機器人方位的確定。主機控制模塊原理圖如圖6所示。

4 系統軟件設

4.1 家用滅火機器人系統總體流程

此部分是小車運行的核心部分，控制小車所有運行狀況。系統總體流程是：小車啟動后，由入口進入場地，能夠避開障礙物前進，一旦檢測到有火源，就由單片機控制啟動風扇，進行滅火。滅火完成后，返回原地。然后繼續前進，重復剛才的過程，直到小車達到出口處才表示結束本次任務。在此過程中，各個模塊彼此配合，完成各自的任務。主程序控制流程圖如圖7所示。

4.2 小車滅火的主程序軟件流程圖

如圖8所示，首先對小車進行初始化，接著小車前進，前進的同時能夠避開墻壁，通過過道，并能夠檢測到火源，如果檢測到火源的存在，則停止前進，調整車頭方位，啟動風扇滅火，接著判斷是否將火滅掉，如果火已經熄滅，則小車繼續前進尋找下一個火源，如果沒有熄滅則風扇繼續開啟。主程序流程圖如圖8所示。

4.3 小車避障前進程序流程圖

避障前進程序首先采集紅外避障傳感器發來的數據，判斷當前小車周圍是否有墻壁或障礙物，然后再執行操作，指揮小車在不與墻壁或障礙物相撞的情況行走。避障前進程序流程圖如圖9所示。

4.4 火源模塊程序流程圖

如果火焰傳感器的信號顯示火焰在小車的前方，則小車繼續前進一段距離，到合適位置，啟動風扇滅火；如果檢測到火焰在小車的左側，則小車左轉一定角度，在正對火源方向啟動風扇滅火；如果檢測到火焰在小車的右側，則小車右轉一定角度，在正對火源方向啟動風扇滅火；若沒有檢測到火源則繼續前進。火源模塊程序流程圖如圖10所示。

5 結束語

本設計是基于實際比賽要求而設計的，并參加了比賽，取得了良好的成績。各部分的設計以及各傳感器的使用都是經過多次比較和多次試驗而確定的。機器人歷時10s內完成滅火任務。設計中采用了嵌入式系統內核，大大提高了機器人處理信號的能力，采用了PWM信號控制大功率直流電機，在速度和精度方面有了很大的改進。多通道外火焰傳感器，很好地完成了對火源的精確定位任務，提高了滅火可靠性和快速性。

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