競賽用滅火機器人控制技術研究與實現

張博，劉傳武

競賽用滅火機器人控制技術研究與實現

張博，劉傳武

滅火機器人比賽場地中順利完成滅火任務，需要依靠一套穩定、完善的搜尋火焰并有效熄滅火焰的路徑。該機器人采用C51單片機為主控芯片，結合使用步進電機和火焰傳感器來判斷火源位置，利用超聲波測距傳感器與直流電機完成機器人的行走和自動避障等功能。在控制算法上，采用“左右手定則”和無火不入房的策略，提高了尋找火源的效率。實際應用表明，該機器人具有開放性好，快速、準確滅火的良好性能。

滅火機器人；智能優化；傳感器；控制算法

0 引言

機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度協同性的自動化機器。機器人技術涉及到機械運動學、動力學、控制工程、計算機科學、傳感器技術、信息處理、仿生學、人工智能等多個領域。機器人技術是一個國家科技水平的重要標志和體現，它在社會生產的許多方面都得到了廣泛的應用，近年來，隨著計算機的廣泛普及，機器人逐漸由工業生產走向人們的生活，如此廣泛的應用使得提高全體國民對機器人的理解顯得尤為重要，普及機器人教育勢在必行。

為了普及機器人科學技術，培養學生創新能力，促進機器人技術的發展，國內外相繼出現了一系列的機器人競賽，機器人競賽是一種高技術對抗活動，它涉及人工智能、智能控制、機器人、通信、傳感器等多個領域的前沿研究和技術融合，集高技術、娛樂和比賽于一體，引起了社會的廣泛關注和極大興趣。

通過競賽有力地推動了大學生實踐創新能力的提高，促進了大學實踐教學的改革，同時也為廣大學生提供了學習和創新的舞臺，這對于進一步推動高校的機器人教育和學生創新素質培養無疑是一個良好的開端。其中滅火比賽是開展范圍最廣、影響最大的機器人競賽項目之一。滅火策略算法作為滅火機器人工作時的大腦判斷智商，在以往的實際比賽中已經表現為主導因素。針對這種狀況，本文對最近兩年內作者參加中國教育機器人滅火比賽的策略算法進行分析研究，使得滅火機器人在滅火效率得到了明顯的提高。

1 總體設計思路

通過對比賽規則的分析（用蠟燭模擬火源，隨機分布在場地中，要求在最短的時間內找到火源并將其撲滅），在最短的時間內完成比賽所規定的任務為勝，對機器人完成整個動作要求做如下設計：機器人在直流電機的驅動下完成前后及轉彎等動作；在運動的過程中利用超聲波傳感器和循跡模塊實現自動避障[1,2]和房間定位功能；當機器人定位火源的房間后，由直流電機和循跡模塊共同工作，驅動機器人運動至滅火位置，隨后通過驅動強力風扇實現滅火任務；滅火完成后返回出發區域。

2 硬件平臺

滅火機器人硬件平臺[3]由C51+AVR 控制器、超聲波傳感器、火焰傳感器、傳感器開關和直流電機組成。滅火機器人控制平臺的架構如圖1所示：

圖1 滅火機器人系統架構圖

2.1 連續旋轉伺服電機

兩個連續旋轉舵機提供機器人移動所需的動力，使機器人能容易的實現前進、后退、轉向。連續旋轉舵機能正反兩個方向連續旋轉，不過其速度有限制，以致機器人不會移動的很快。

連續旋轉舵機使用前一定要調零，具體調零方式為：給舵機一個循環的脈沖，脈沖時間間隔為20ms，脈沖寬度為1.5ms。如果電機不動表示已經調好零點；如果電機旋轉，則可用螺絲刀調節電機模塊內的微調節電阻讓電機保持靜止為止；如果往一個方向調電機轉速加快，則反方向調。

2.2 超聲波傳感器

機器人系統的兩個超聲波傳感器分上下安裝，用來檢測接水路線上的障礙物或行人，并發出警示，以免撞到行人或撞壞機器人。

超聲波傳感器提供了精確的、非接觸式的距離測量，測量范圍從2cm到500cm，它非常方便與單片機連接，只需要兩個I/O口就可以控制。

2.3 火焰傳感器

遠紅外火焰傳感器[4,5]可以用來探測火源或其它一些波長在760納米～1100納米范圍內的熱源，其中紅外光波長在940納米附近時，其靈敏度達到最大。

使用時VCC接5V電源，GND接地，并將SIG1、SIG2接單片機I/O接口，輸出為0~5V電壓信號。通過單片機A/D采集讀取兩路模擬信號得到自身距火焰的距離，距離近輸出電壓低，距離遠輸出電壓高。引腳定義及功能如表1所示：

表1 引腳定義及功能

2.4 傳感器開關

開關傳感器常用于開關量的控制，用微處理器的I/O口直接驅動，控制一組傳感器的電源開關。

可以控制大電流電源的通斷，最大支持2A電流通過，可以作為外部用電模塊的電源總開關。或者使用于各種傳感器的掉電模式，不工作時直接控制使得傳感器進入掉電保護。引腳定義及功能如表2、表3所示：

表2 J1接口定義及功能表

表3 J2接口定義及功能表

3 系統軟件設計

根據對比賽規則[6]的分析，決定采用“左右手定則”來實現對機器人路徑[7]的規劃。所謂左右手定則，就是根據比賽場地的實際地形分布，在某段時間內遇到岔路口向左（右）運動，以后都向右（左）運動的方式。在比賽中采用先右后左的策略，在每個房間的門口檢測，如果發現火源，則進入房間滅火，滅火后再次利用火焰傳感器對火源檢測以確定是否將火源撲滅，否則不進入該房間，繼續搜尋下一個房間。此外在機器人前進的過程中，由于某些原因（如控制電路的延時性、摩擦阻力不同、電機性能不同等）會導致左右兩側的直流電機不同步，致使機器人的運動路線產生偏移。在此需要設計前進位置偏移檢測程序來糾正機器人的位置偏差，主要原理是在前進過程中每隔很短的時間，利用超聲波測距傳感器對兩側距離進行檢測，若發現兩次檢測的距離不同，則對偏離方向進行計算，并反饋給處理器對機器人的位置進行調整。機器人控制流程如圖2所示：

圖2 滅火機器人控制流程圖

本機器人的智能優化[10-13]目的是快速找到火源并將其撲滅之后安全回家，完成任務用時最短者獲勝。其中直線運動時位置調整次數、撞墻次數、房間搜尋安排、能否準確定位火源位置等制約著比賽時間。

4 總結

滅火比賽的任務是盡快找到火源，并把它撲滅。成功滅火并且用時最短者獲勝。機器人滅火場地如圖3、圖4所示：

圖3 競賽用滅火機器人

圖4 標準滅火比賽場地

比賽用時長短的制約因素主要有：沿墻走直線時調整次數、碰墻次數、正確轉彎次數、找準火源次數、成功滅火次數。沿墻走直線時調整次數越少，碰墻次數越少，所用時間越短；正確轉彎次數越多，找準火源次數越多，成功滅火次數越多，所用時間越短。在標準滅火比賽場地（249cm*249cm）上，統計了10次比賽的一些數據，如表4所示：

表4 滅火比賽有關數據

通過實際測驗，該機器人性能穩定，運行速度較快，能較好完成滅火任務并安全回家，具有一定的實用性。

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Study and Implementation of Control Technology of Fire-fighting Robots for Contest

Zhang Bo, Liu Chuanwu
(Electronic and Information Engineering, Changsha Normal University, Changsha 410100, China)

In order to complete fire-fighting tasks, firefighting robots need a stable fire-search path to effectively put out the flames. C51 single chip is adopted as control core for the system, combining with stepper motor and fire sensor to judge the fire location, then uses ultrasonic distance sensor with DC motor to complete automatic robot walking and walls etc. In terms of the control algorithm， the "left/right hand rule" and the strategy of “no fire， no entrance” are used to improve the efficiency of fire searching. Application shows the robot has many features such as openness, speediness and nicety.

Fire-fighting Robot; Intelligent Optimization; Sensor; Control Algorithm

TP242

A

1007-757X(2016)08-0021-03

2016.02.20）

湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目（No.2015607）；湖南省自然科學基金項目（No.2015JJ6007）；湖南省教育廳科學研究項目（No.15C0103）

張 博（1980-），男，長沙市人，碩士，講師，研究方向：模式識別、人工智能、圖像處理，長沙，410100

劉傳武（1995-），男，益陽市人，在校學生，研究方向：計算機控制技術，長沙，410100