全自動循跡滅火機器人的設計

張仁尊

摘 要：本系統以stm32F103VCT6Mini微控制器為核心控制單元，以安裝在車體兩側紅外傳感器來循跡，采用灰度傳感器檢測進入房間的白線，通過聲音傳感器啟動，使用火焰傳感器來檢測火焰，并用風扇來滅火，車身主要以相隔30度的五個紅外傳感器來調整車身的角度，實現了對運動方向的控制。在這篇文章里，我們對小車創造時我們的整體想法等各個參數的介紹，仔細地說明了我們的創意。

關鍵詞：滅火機器人；stm32F103VCT6Mini；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.210

1 實現功能與設計方案

我們想制作一個可以全自動運作的機器人，它可以在任何地方識別地形，自主完成滅火工作。要想完成這個工作需要考慮很多方面。比如地面摩擦、機器人電機的轉速差、各個齒輪間的摩擦等多個因素，我們用一個小屋來模擬現實家庭中機器人處理火警的過程，蠟燭代表家里燃起的火源，機器人必須找到并熄滅它。

針對以上的實現功能，我們打算設計一個一輛兩個大輪轉動，兩的萬向輪配合使用的車子，滅火工具在經過討論之后，我們打算使用風扇這樣一個相對難度較低的滅火器件。

2 機器人設計制作原理

滅火機器人主要以stm32為控制核心，他通過紅外火焰傳感器確定火災位置，通過紅外傳感與地面灰度傳感器進行地形識別，我們采用雙電機驅動來使其運動。通過無線藍牙模塊啟動小車后，機器人沿著場地里的右面墻壁行走，當搜尋到有蠟燭的房間時，紅外傳感器電壓會變低，低于設定好的電頻值，單片機接受信號，驅動電機，完成滅火。

3 模擬房子介紹

我們用的模擬場地的墻壁33cm高，材質為木頭與金屬。所有地板為黑色的金屬地板。墻壁為白色木質板。為了更加形象，我們在地板、門口鋪設地毯，模擬家庭。場地中所有的走廊和門口寬都是46cm，我們采用2.5cm寬的金屬標識表示房間入口。

4 系統硬件設計

我們設計的目的是設計一個在規定區域能自主搜索火源并實施滅火的智能機器人小車，本次設計使用的主控芯片使用了stm32單片機，我們有它完整的庫，所以程序編寫方面不成問題，主要工作是設計驅動跟改善機械結構上。

機器人機械部分安裝及改造：我們采用3D打印技術一次性打印出車體的框架。在電路板方面，我們用AD將穩壓模塊，電機驅動，stm32芯片全都集成到了一個板子上，節省了車體空間。因為是用3D打印的車體，所以車體堅固，重量小，便于其轉彎，提速。

傳感器的設計安裝、系統電路板的固定及連接：我們把五個紅外管放在底盤上面，三個大致岔開60度，車體后面安裝了兩個大致岔開120度的紅外對管。這樣能夠使探測的范圍更大，有利于對墻壁的探測。系統電路板用銅柱架空，為了達到滅火的高度，將風扇和火焰傳感器也加高。

5 系統軟件設計

軟件設計方案是以上述硬件電路為基礎的，我們采用C語言編寫，在將程序分為多個部分，一號房間，二號房間，三號房間，四號房間，一號返回，二號返回，三號返回，四號回家。用結構化程序完成小車的既定任務，方便，簡潔，有效。包括電機控制模塊、傳感器模塊的程序設計與實現。

6 滅火機器人行進路線分析

當小車處于起點，小車一是可以不通過臺階，繞著1號房間向外搜索。二是直接過臺階，然后開始搜索。結合我們小車的特點和前面分析，我們選擇不過臺階。

起跑后，小車處于1號和4號房間中間，由圖可知，沿著左走的方案比較好，因此我們采用是左手規則，首先搜索的是1號房間，如圖中的綠色箭頭。當在1號房間發現火源時，小車進入房間并滅火，滅火后按最左側路線返回；如沒有發現火源，小車繼續按左手規則搜索房間，在第2個房間里有火源時，無論在那個角，火焰傳感器都能檢測得到，如果沒有檢測到，則直接搜索第3個房間，同理，然后搜索第4號房間，不管有沒有搜索到火源，從4號房間出來都繞著4號房間返回起點，因為回家過程中的時間不記入總時間，而繞行比較安全，小車比較好控制。

在選擇回家的路徑時，因為回家時間不算，所以針對這問題，我們的想法是減慢回家的速度，爭取成功率和穩定性。而且路線的選擇我們選的是從第一個房間里出來的是繞遠路的行駛路線，從第二個房間里出來是直線回家，但是不會再搜索其余的房間，因此我們在回家的程序上進行了很多討論，最終確立了一個最佳方案。

7 實驗心得與結論

本次的全自動循跡滅火機器人的設計對我來說是個非常好的經歷，它使我學會了keil這個編譯環境。并且我對C語言的理解加深，對stm32芯片的各個模塊的運用更加嫻熟。使我在學習創造方面有了質的飛躍。再設計制作中我也認識了很多大神朋友，他們教會了我很多東西，我在未來的制作中可以避免很多錯誤，豐富了知識儲備。我體會到硬件設計如果比較好的話，軟件編程是比較容易的，所以這才啟發我如果想搞好硬件，軟件必須要懂，要想編出一個比較漂亮的程序，硬件設計也要必須懂，只有軟硬兼顧，這才能開發出一個比較好的系統。

此外，由于地面的摩擦、機器人慣性、機器人電機的轉數差、齒輪箱與輪子的摩擦等因素，控制機器人直行和轉90度有一定的難度，要經過反復的調試、降低機器人的速度、通過傳感器矯正等才能達到比較精確的控制。所以在做的過程中，選擇一個好的、穩定的車模是必須的。

參考文獻：

[1]國際賽制機器人滅火比賽規則[S].PDF.

[2]公茂法.黃鶴松.楊學蔚.單片機原理與實踐[M].北京航空航天大學出版社，2009（03）.

[3]譚浩強.C程序設計（第四版）[M].北京：清華大學出版社，2010（06）.

[4]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2003（12）.

[5]黃智偉.全國大學生電子設計競賽電路設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006（12）.

[6]文艷，譚鴻.Protel 99 SE電子電路設計[M].北京：機械工業出版社，2006（08）.