智能滅火機(jī)器人自動(dòng)避障和火焰搜索的設(shè)計(jì)方案

盛彬++喬棟

摘 要智能滅火機(jī)器人在實(shí)際中的工作需要系統(tǒng)的合作，本文主要對(duì)智能滅火機(jī)器人的火焰搜索和自動(dòng)避障進(jìn)行了分析，分析的角度從軟件和硬件兩個(gè)方面入手。本文對(duì)智能滅火機(jī)器人兩個(gè)系統(tǒng)的分析采用了實(shí)例分析的方法進(jìn)行，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明火焰搜索系統(tǒng)以及自動(dòng)避障系統(tǒng)都能夠很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

【關(guān)鍵詞】智能滅火機(jī)器人 自動(dòng)避障 火焰搜索 設(shè)計(jì)方案

微電子與人工智能技術(shù)的發(fā)展讓我們的生活發(fā)生了很大的改變，尤其是智能機(jī)器人的出現(xiàn)更是大大提高了生產(chǎn)力，代替了人類(lèi)進(jìn)行很多人類(lèi)難以完成的工作。滅火智能機(jī)器人一直是人們討論的話(huà)題，如果滅火機(jī)器人能夠順利完成，那么滅火作業(yè)就可以用機(jī)器人代替消防隊(duì)員進(jìn)行作業(yè)。本文的研究主要從軟件和硬件兩個(gè)方面入手并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證證明了滅火智能機(jī)器人問(wèn)世的可能性。

1 滅火智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

智能滅火機(jī)器人運(yùn)用四驅(qū)小車(chē)主體結(jié)構(gòu)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)四個(gè)輪子控制速度，進(jìn)而對(duì)小車(chē)前進(jìn)速度與后退速度進(jìn)行控制。將紅外避障傳感器安裝在車(chē)體中間，一旦距離墻壁較近，就能及時(shí)轉(zhuǎn)彎，避免撞墻，充分發(fā)揮滅火機(jī)器人的防撞墻作用。同時(shí)，將舵機(jī)控制的機(jī)械手臂、超聲波模塊安裝在車(chē)身上，一旦有障礙物，可使用機(jī)械手臂將障礙物清除，在小車(chē)前方裝有火焰?zhèn)鞲衅?，能?shí)現(xiàn)多角度、全方面的尋找火焰信號(hào)，并將信號(hào)傳送給控制模塊，由控制模塊對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行控制，在達(dá)到火源邊緣后，傳感器把信號(hào)傳輸給控制模塊，并將滅火程序啟動(dòng)，小車(chē)使用一系列滅火方式，在最短的時(shí)間內(nèi)完成滅火任務(wù)。同時(shí)還要在機(jī)器人身上安裝一個(gè)全方位的攝像頭，這樣就可以將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況馬上進(jìn)行傳輸，通過(guò)使用NRF2401無(wú)線模塊讓智能滅火機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，讓遠(yuǎn)離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制對(duì)智能滅火機(jī)器人進(jìn)行控制。

2 智能滅火機(jī)器人的系統(tǒng)硬件介紹

2.1 控制模塊功能

智能滅火機(jī)器人系統(tǒng)硬件中的控制模塊主要由電源模塊、風(fēng)扇模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、STM32F411RE等具體的模塊構(gòu)成，具體框架如圖1。在智能滅火機(jī)器人上安裝的傳感器要求有采集環(huán)境信息的功能，因此對(duì)傳感器的要求較高，故本設(shè)計(jì)在進(jìn)行傳感器選擇的時(shí)候也充分考慮到了這一點(diǎn)，因此選用性能較好的STM32F411RE芯片。STM32F411RE芯片的CPU頻率最高可以達(dá)到84MHz，主要優(yōu)點(diǎn)包括實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、功耗低、速度快等。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊功能

滅火機(jī)器人車(chē)身電機(jī)使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)，在控制模塊下，輸出四路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)L298N，并改變PWM脈沖占空比，對(duì)車(chē)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制機(jī)器人的前進(jìn)和后退。

2.3 無(wú)線模塊功能

通過(guò)NRF24L01無(wú)線模塊，可對(duì)滅火機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。NRF24L01無(wú)線模塊與SPI和外部MCU通信，最高工作效率可達(dá)2Mbps，其抗干擾能力強(qiáng)、可選頻道多，滿(mǎn)足調(diào)頻與多點(diǎn)通信實(shí)際需要。同時(shí)，還能設(shè)置自動(dòng)應(yīng)答，保證穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)。

2.4 紅外測(cè)距傳感器功能

紅外測(cè)距傳感器一般用在障礙物檢測(cè)，避免滅火機(jī)器人撞到墻面。本文中的設(shè)計(jì)運(yùn)用光電式紅外傳感器E18-D80NK，此紅外測(cè)距傳感器是一種數(shù)字式傳感器，集紅外發(fā)射模塊與紅外接收模塊于一身，4cm～85cm范圍為有效檢測(cè)范圍。

2.5 火焰?zhèn)鞲衅鞴δ?/p>

火焰?zhèn)鞲衅魇且环N模擬傳感器，能夠?qū)⒁呀?jīng)檢測(cè)的熱源信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)器人可有效識(shí)別的信號(hào)，具有信號(hào)輸出指示作用。800納米-1100納米范圍內(nèi)的熱源，火焰?zhèn)鞲衅鞫寄軝z測(cè)到。其中在紅外波長(zhǎng)在1000納米附近時(shí)，其靈敏度會(huì)很大，約有60度的探測(cè)角，正好符合檢測(cè)火焰的指標(biāo)。機(jī)械臂由兩個(gè)舵機(jī)控制，在兩個(gè)舵機(jī)作用下，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確抓取障礙物，進(jìn)而為機(jī)器然準(zhǔn)確行走、障礙物清除奠定基礎(chǔ)。

2.6 電源模塊功能

在開(kāi)關(guān)電源作用下，為系統(tǒng)提供出12V電壓，以達(dá)到最小系統(tǒng)板塊要求。在遠(yuǎn)程控制過(guò)程中，系統(tǒng)利用鋰電池充電運(yùn)行，確保能夠遠(yuǎn)程控制滅火機(jī)器人。同時(shí)，電源模塊可利用太陽(yáng)能電池板方式，確保能夠使滅火機(jī)器人自動(dòng)執(zhí)行充電功能。

2.7 攝像頭模塊功能

攝像頭模塊利用Wi-Fi攝像頭，由滅火機(jī)器人電源模塊負(fù)責(zé)供電，在連接網(wǎng)絡(luò)的狀況下，實(shí)現(xiàn)滅火機(jī)器人和計(jì)算機(jī)主控端實(shí)時(shí)通信，在計(jì)算機(jī)主控端界面上就能夠看到滅火機(jī)器人的情況，即實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀看攝像頭記錄的圖像，并利用手持控制器，對(duì)滅火機(jī)器人遠(yuǎn)程控制。

3 軟件的設(shè)計(jì)部分以及系統(tǒng)測(cè)試

智能滅火機(jī)器人的軟件部分設(shè)計(jì)分為若干個(gè)模塊進(jìn)行的整體設(shè)計(jì)。智能滅火機(jī)器人的開(kāi)機(jī)模塊使用的是自動(dòng)啟動(dòng)程序，啟動(dòng)完成之后要用手動(dòng)按鍵的方式選擇是否需要進(jìn)入無(wú)線模式，無(wú)線模式下按鍵就可以控制智能滅火機(jī)器人的走動(dòng)比如：右轉(zhuǎn)控制、左轉(zhuǎn)控制、后退控制、前進(jìn)控制等，如果在前進(jìn)的過(guò)程中遇到障礙物可以通過(guò)操作將障礙物夾起進(jìn)行道路清理。自動(dòng)模式下智能滅火機(jī)器人會(huì)自動(dòng)判定自身周?chē)欠裼谢鹪闯霈F(xiàn)，如果沒(méi)有火源機(jī)器人就會(huì)自動(dòng)前進(jìn)去尋找火源，在這個(gè)過(guò)程中如果遇到障礙物就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行清理，然后繼續(xù)尋找火源，直到找到火源之后機(jī)器人會(huì)選擇噴水、風(fēng)扇滅火等方式進(jìn)行滅火。軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)全部完成之后就要進(jìn)行整體的系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試時(shí)首先需要驗(yàn)證的就是無(wú)限模式能否正常運(yùn)行，測(cè)試時(shí)通過(guò)控制端對(duì)機(jī)器人進(jìn)行后退、前進(jìn)、清除障礙物、滅火等實(shí)際行動(dòng)的控制。其次是自動(dòng)模式的測(cè)試，自動(dòng)模式的測(cè)試比較簡(jiǎn)單，只要直接開(kāi)啟即可，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了智能滅火機(jī)器人的各個(gè)系統(tǒng)，能夠較好的完成預(yù)定的任務(wù)。

4 總結(jié)

本文對(duì)于智能滅火機(jī)器人的探討是在STM32F411RE控制器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，并具體從軟件和硬件兩個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)火焰搜索系統(tǒng)和自動(dòng)避障系統(tǒng)都進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證得到了可以完成智能滅火機(jī)器人的結(jié)論，智能滅火機(jī)器人的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)引起廣大的關(guān)注，成功引入到消防領(lǐng)域后會(huì)解決很多以前難以解決的難題。

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作者簡(jiǎn)介

盛彬（1986-），女，漢族，遼寧省丹東市人。碩士研究生，助教。研究方向?yàn)榭刂乒こ?、電氣工程?/p>

作者單位

山西大同大學(xué) 山西省大同市 037009