基于單片機(jī)的輪式滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)

馮世鑫，鄭闖

（1.太原技師學(xué)院，山西 太原 030021；2.沈陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車分院，遼寧 沈陽 110015）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中應(yīng)用越來越廣泛。輪式驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人作為比較常見的形式之一，屬于移動(dòng)機(jī)器人的一類，具有運(yùn)動(dòng)效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、可搭載性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在AGV、救援機(jī)器人、探測機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的實(shí)踐。在未來的機(jī)器人發(fā)展過程中，移動(dòng)機(jī)器人將擁有廣闊的應(yīng)用前景。本文設(shè)計(jì)的一款以單片機(jī)作為控制核心，能夠?qū)崿F(xiàn)對某小型火場進(jìn)行火源自動(dòng)尋找和自動(dòng)滅火的功能。

1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輪式滅火機(jī)器人以89S52為控制核心，在尋找火源的過程中以光電傳感器實(shí)現(xiàn)避障，同時(shí)通過紅外傳感器實(shí)現(xiàn)對火源的探測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)火源后，采用噴水系統(tǒng)作為滅火手段，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位火場、高效實(shí)施滅火的功能。單片機(jī)作為常用的系統(tǒng)控制核心，具有體積小、成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)、編程簡便等特點(diǎn)，適用于小型電子系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，故本系統(tǒng)選擇單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心。火光中包含紅外線，故選用紅外傳感器作為火焰的檢測手段。在機(jī)器人移動(dòng)中，會(huì)遇到障礙，選擇光電傳感器對障礙物進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到障礙時(shí)將信號(hào)傳送至單片機(jī)后，由單片機(jī)發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障。

如圖1所示為輪式滅火機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)前向通道包含2類傳感器，即紅外傳感器和光電開關(guān)傳感器；后向通道包含2類執(zhí)行器，分別是滅火系統(tǒng)執(zhí)行器和直流減速電機(jī)。本系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)功能是輪式機(jī)器人的關(guān)鍵功能之一，只有首先實(shí)現(xiàn)輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能，才能在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)檢測、避障和滅火等功能。本設(shè)計(jì)選用雙減速電機(jī)作為輪式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式。減速電機(jī)具有扭矩大的特點(diǎn)，在執(zhí)行滅火和避障任務(wù)時(shí)具有一定的優(yōu)勢。

圖1 輪式滅火機(jī)器人系統(tǒng)整體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 多路電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)多路電源模塊的功能是為輪式機(jī)器人中各個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)壓電源：光電開關(guān)傳感器供電電壓為+5V；紅外傳感器供電電壓為+5V；最小系統(tǒng)供電電壓為+5V；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)供電電壓為+24V；小型噴水滅火系統(tǒng)供電電壓為+24V。輪式機(jī)器人選用額定電壓為24V、容量為10000mAh的鋰電池作為系統(tǒng)供電電源。

綜上可知，本系統(tǒng)的供電電壓基本分為兩類，即+24V和+5V。+24V供電部分采用鋰電池直接供電，其額定電壓為+24V，充滿電量后電壓小于+26V，滿足直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和小型噴水滅火系統(tǒng)供電電壓范圍的要求，因此本部分不再做穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)。而+5V電路選用穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)，其電路原理圖如圖2所示。

其中，穩(wěn)壓模塊選擇三端穩(wěn)壓模塊LM7805，該模塊成本較低，輸入電壓大于+7.5V即可穩(wěn)壓輸出+5V電壓，輸出電流可達(dá)1A，功率5W，足夠?yàn)閭鞲衅骱涂刂坪诵奶峁┛煽糠€(wěn)定的電壓輸出。C1選用25V/1000μF電容；C2選用16V/1000μF電容，以防止負(fù)載突變時(shí)提供臨時(shí)電源輸出；C3和C4電容是防止三端穩(wěn)壓芯片自激振蕩。D1是電源指示LED，選用紅色。通過該設(shè)計(jì)電路可以實(shí)現(xiàn)將額定電壓為24V的鋰電池輸入電壓穩(wěn)壓為+5V，為傳感器和控制核心供電。

圖2 直流穩(wěn)壓電源電路

2.2 系統(tǒng)整體電路接線設(shè)計(jì)

如圖3所示為輪式滅火機(jī)器人系統(tǒng)整體電路圖，其中，U3是系統(tǒng)控制核心AT89S52單片機(jī)，電路設(shè)計(jì)中包含其按鈕復(fù)位電路和晶體振蕩器電路，以構(gòu)成最小系統(tǒng)電路；A1-A4位4個(gè)光電開關(guān)傳感器，作用是分布于輪式滅火機(jī)器人四周，以達(dá)到檢測障礙物的目的；A5和A6是紅外傳感器，目的是檢測環(huán)境內(nèi)的火源；U4和U5是兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制電機(jī)部分分別與U6和U7兩個(gè)電機(jī)進(jìn)行接線；U8是滅火系統(tǒng)裝置，該裝置內(nèi)部集成控制繼電器等元件，與單片機(jī)I/O口直接接線，采用數(shù)字量控制，具有控制方便的特點(diǎn)，在使用時(shí)，只需單片機(jī)發(fā)出低電平控制指令，即進(jìn)行噴水作業(yè)，反之單片機(jī)給出高電平指令，停止噴水作業(yè)。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 PWM調(diào)速部分軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用PWM調(diào)速形式實(shí)現(xiàn)控制，PWM即脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，具有調(diào)速穩(wěn)定的特點(diǎn)。輪式機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，采用PWM調(diào)速，可以合理控制其運(yùn)行節(jié)奏，控制電機(jī)速度時(shí)主要以采用占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，占空比與輸出電壓成正比，即0%占空比對應(yīng)速度0，即0V電壓；100%占空比對應(yīng)全速，即24V電壓。在設(shè)計(jì)PWM軟件程序過程中，本設(shè)計(jì)采用定時(shí)中斷法，以單片機(jī)的I/O口為信號(hào)輸出端。電機(jī)控制頻率1kHz，定時(shí)中斷設(shè)置0.1ms。定時(shí)中斷初始化程序，這里不贅述；PWM核心程序語句中，pwm_i是中斷計(jì)數(shù)變量，IO_ZUO和IO_YOU是機(jī)器人兩側(cè)電機(jī)的占空比輸出變量。具體程序如下：

3.2 系統(tǒng)主程序流程設(shè)計(jì)

圖3 輪式滅火機(jī)器人系統(tǒng)整體電路圖

圖4 主程序流程圖

圖4所示為輪式滅火機(jī)器人主程序流程圖。將機(jī)器人防止在滅火區(qū)域內(nèi)，然后將系統(tǒng)上電，完成系統(tǒng)初始化工作，包括定時(shí)中斷初始化、傳感器自檢、滅火系統(tǒng)自檢和驅(qū)動(dòng)自檢等。自檢完畢后發(fā)出自檢結(jié)束信號(hào)，隨后自動(dòng)運(yùn)行至活在區(qū)域內(nèi)，開始巡航搜索火源。在搜索過程中，當(dāng)輪式機(jī)器人四周的光電傳感器檢測到有障礙物時(shí)，輪式機(jī)器人選擇合理避障。在遇到疑似火源后，輪式機(jī)器人在保持自身安全的距離內(nèi)，將對準(zhǔn)火源，執(zhí)行滅火指令，直至該處火源成功消滅。當(dāng)完成一處火源滅火后，繼續(xù)進(jìn)行巡航并搜索火源，直至將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的火源消滅。

3.3 巡航路徑規(guī)劃

在未知區(qū)域內(nèi)進(jìn)行滅火時(shí)，由于地勢情況復(fù)雜、火源位置未知，為了提高滅火效率，必須進(jìn)行合理的路巡航徑規(guī)劃，達(dá)到以最短時(shí)間內(nèi)消滅所有火源的目的。本設(shè)計(jì)路徑規(guī)劃的方法是：通過行走距離的測算和光電傳感器檢測的反饋，對每次行走的位置進(jìn)行記錄和分析，在下一次運(yùn)行時(shí)，避免走過無火患路線，從而提高運(yùn)行效率。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款以單片機(jī)為控制核心的輪式滅火機(jī)器人，通過系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，闡述了輪式滅火機(jī)器人基本功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法，初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能、對障礙物的檢測識(shí)別功能、對火源的檢測識(shí)別功能和滅火功能。在今后的實(shí)踐過程中，為了完善機(jī)器人功能，可以加入若干傳感器（如攝像頭傳感器），從而豐富機(jī)器人的檢測手段，提高滅火效率。同時(shí)加入位置傳感器和SD卡記錄模塊，通過wifi模塊和手持儀器進(jìn)行通信，從而繪制出火場情況，傳輸火場圖像，豐富救援手段。可見，輪式滅火機(jī)器人在未來的發(fā)展中，將具有更廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用價(jià)值。

[1]李小燕,陳帝伊,馬孝義.智能滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2010,3.

[2]柏龍灝,柏硌,趙剛要.智能滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法研究[J].合肥學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,10.

[3]林小杰,吳凡.滅火機(jī)器人競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.