基于單片機(jī)滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)

王哲　孫洪超　張皖軍

摘要：以STM32F103T8B6單片機(jī)為核心處理器，設(shè)計(jì)了一款滅火機(jī)器人，完成硬件原理圖繪制，電路板的制作及程序的調(diào)試。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的滅火機(jī)器人能準(zhǔn)確尋找火源位置并成功滅火，在尋找火源位置的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)避障功能，系統(tǒng)性能穩(wěn)定達(dá)到預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器人；滅火；避障

中圖分類號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.10.004

0引言

最早的滅火機(jī)器人是日本東京消防廳 “彩虹5號(hào)”機(jī)器人，科技的進(jìn)步伴隨智能化的提高，消防機(jī)器人也有了長(zhǎng)足的的發(fā)展[1]。在分析消防機(jī)器人特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于STM32F103T8B6的滅火機(jī)器人，其具有一定的智能性，可通過(guò)檢測(cè)外部環(huán)境，沿指定路徑到達(dá)火場(chǎng)后快速準(zhǔn)確找到火源，成功滅火。

1硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)具有計(jì)算機(jī)的基本功能是機(jī)器人控制系統(tǒng)的大腦和中樞神經(jīng)。本設(shè)計(jì)由STM32F103T8B6單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、火焰?zhèn)鞲衅髂K、循跡傳感器模塊和超聲波傳感器等組成。

STM32F103T8B6是一款常用的單片機(jī)，具有良好的性能，USB專用的48 MHz時(shí)鐘由內(nèi)部主PLL直接產(chǎn)生[2]。下載芯片型號(hào)選用CH430G，其性能穩(wěn)定且易于購(gòu)買[3]。電源轉(zhuǎn)換芯片采用TPS5410和LM117，分別轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V供電控制系統(tǒng)、各路傳感器及驅(qū)動(dòng)模塊。LM117的輸入電壓最大可以達(dá)到30 V左右，輸出電壓可以達(dá)到1.5～32 V，LM117的穩(wěn)壓效果比較出色，不過(guò)在使用的時(shí)候要特別注意功耗問(wèn)題和散熱問(wèn)題。LM117一共有三個(gè)有效管腳，一個(gè)電壓輸入管腳一個(gè)電壓輸出管腳一個(gè)電壓調(diào)節(jié)管腳。輸入管腳輸入正電壓，輸出管腳接負(fù)載， 電壓調(diào)節(jié)引腳一個(gè)引腳接電阻在輸出引腳，另一個(gè)連接可調(diào)電阻并接地。輸入和輸出引腳對(duì)地要接濾波電容。TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片可同時(shí)驅(qū)動(dòng)滅火機(jī)器人的兩個(gè)電機(jī)，控制滅火機(jī)器人的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等。TB6612FNG的邏輯電平采用3.3 V的直流電源，并在VCC電源輸入接01 μF的電容，在VM電源輸入端并聯(lián)一個(gè)0.1 μF的電容和10 μF的電解電容。以滅火機(jī)器人前進(jìn)方向?yàn)檎较?，在其正前方的中間位置安裝循跡傳感器模塊，從左至右依次命名為T1、T2、T3、T4。

火焰?zhèn)鞲衅饔糜跍缁饳C(jī)器人檢測(cè)火源位置，利用紅外線對(duì)火焰非常敏感的特點(diǎn)，特制紅外線接收管檢測(cè)火焰，將亮度轉(zhuǎn)化為電平信號(hào)傳遞主控芯片[4、5]。同樣以滅火機(jī)器人前進(jìn)方向?yàn)檎较?，在其左?cè)、正前方和右側(cè)的位置分別安裝火焰?zhèn)鞲衅髂K，依次命名為F1、F2、F3。

滅火裝置用5 V直流風(fēng)扇并以TB6612控制，找到火源后，控制風(fēng)扇熄滅火源。

2安裝調(diào)試

滅火機(jī)器人的安裝工作主要是對(duì)自己設(shè)計(jì)的電路板進(jìn)行元器件的焊接，對(duì)滅火機(jī)器人的搭建和選擇合適的位置，對(duì)各個(gè)傳感器模塊進(jìn)行安裝以及電源線、信號(hào)線、電機(jī)連接線的接線任務(wù)。硬件調(diào)試主要檢查焊接是否正確，串口通信是否正常。軟件調(diào)試主要實(shí)現(xiàn)以下功能：使開啟電源后滅火機(jī)器人直行，通過(guò)尋跡模塊判別規(guī)定路線并沿規(guī)定路線行走，進(jìn)入房間尋找火源，熄滅火源后，退出房間。根據(jù)要求調(diào)試不斷調(diào)整傳感器位置，使控制效果最優(yōu)。

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的滅火機(jī)器人，通過(guò)檢測(cè)傳感器信號(hào)，判斷當(dāng)前機(jī)器人周邊環(huán)境并進(jìn)行不同的動(dòng)作。采用PWM占空比調(diào)控機(jī)器人的電機(jī)速度，用速差控制機(jī)器人轉(zhuǎn)向。循跡傳感器模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿設(shè)定路線尋跡，超聲波傳感器模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障功能，火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)火源位置后，打開滅火裝置滅火。通過(guò)室內(nèi)環(huán)境模擬測(cè)試，設(shè)計(jì)的滅火機(jī)器人沿指定路線前進(jìn)，可以快速的找到火源并準(zhǔn)確滅火，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張建中，李東民，張陟峰.轉(zhuǎn)臂式滅火機(jī)器人滅火技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代制造工程，2010（7）：139.

[2]王瑞.智能滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)及制作研究[J].科技視界，2013（9）：92.

[3]李茜，杜剛，魏利卓，等. 智能滅火機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（8）：227.

[4]胡曉軍，蔡蘭蓉，王英杰. 滅火機(jī)器人控制技術(shù)研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014（8）：78.

[5]林小杰，吳凡. 滅火機(jī)器人競(jìng)賽中火焰搜索路徑的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 浙江樹人大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（3）：5.endprint