基于STM32單片機的智能消防機器人設計研究

張 欽

(淮安生物工程高等職業學校，江蘇 淮安 223200)

消防機器人具有智能化、靈活性特點，尤其在火災撲救中采用智能化消防機器人技術，可有效消除安全隱患。結合消防滅火需求，設計了基于STM32單片機的智能消防機器人。

1 基于STM32單片機的智能消防機器人設計

1.1 設計思路

基于STM32單片機的智能化消防機器人主要由人機互動界面、感知平臺、運動平臺、傳感器檢測設備、車體組成，如圖1所示。

圖1 智能消防機器人的設計Fig.1 Design of intelligent fire fighting robot

將主芯片進行多種任務處理，在機器人外部設置溫度傳感器、氣體和水壓傳感器、超聲波傳感器、陀螺儀設備等，可準確采集火災現場與周圍的數據信息。同時設計了數字通信模塊，以提高數據傳輸效果。車體內部配置了前后攝像頭、高清攝像頭、熱成像攝像頭，可有效進行各類視頻的切換、傳輸處理，并利用高清高亮HDMI接口顯示出來，通過高清圖像模塊進行無線圖像傳輸，在后臺使用遙控器進行攝像頭控制，實時、清晰地將視頻和圖像顯示出來。車體外部設計了自動化火災噴淋系統進行車體的自主降溫，避免火災事故中車體零部件受到損害[1]。

1.2 軟硬件設計

1.2.1 硬件設計

系統硬件由以STM32單片機為核心的下位機和上位機組成，其中STM32單片機芯片是核心控制板，可確保所有功能的實現。

上位機設計。設計目的是準確進行霍爾手柄、操作臺中各個功能控制信號的讀取，利用A/D轉換模式對信號進行轉換，使用數據傳輸模塊將信息數據發送到下位機的主控制器內，獲取操作手柄在坐標系中的實際位置。

下位機設計。為有效進行車體控制需進行運動邏輯分析，如果左側與右側電機正轉速度相同，可控制車輛向前行駛；如果正轉速度不同，可控制車輛向左或向右轉動；如果左側與右側的電機轉速相同但處于反轉狀態，可控制車輛向后行駛；左側與右側電機轉速不同且處于反轉狀態，可使車輛左后倒車或右后倒車。

圖2 霍爾手柄坐標Fig.2 Hall handle coordinates

如圖2所示，將手柄設置為右側上方第一象限，推動到最遠的位置，使整個運動成為圓弧，設置半徑a，將其作為電機電壓最高的數據值，手柄移動位置b，將其作為實際電機電壓的數據值，單片機讀取數據值的過程中，讀取到推桿頂端坐標(x，y)的數據信息，按照下列公式進行b、m和α數據值的計算分析[2]。

m=b/a

表1 電機控制邏輯和計算Tab.1 Motor control logic and calculation

除了進行上述各類動作控制外，還能通過對左側與右側電機的相同轉速控制，進行相反轉向調控，使車輛在原地旋轉。

控制臺操作面板還能進行水炮上仰控制、向下操作控制、左側和右側擺動控制、水流噴射措施切換等，同時進行觀察云臺、蜂鳴器、剎車、照明系統控制等。

1.2.2 軟件設計

軟件設計思路。系統軟件設計要以KEIL環境為基礎進行控制板編程，采用C語言進行控制程序編寫，由于STM32單片機芯片具有單個周期DSP指令與FPU浮點單元，計算性能較高，因此可節約數據信息計算時間，還能為程序執行、數據信息傳輸等提供支持，加快數據處理和傳輸速率，滿足系統設計標準要求[3]。

上位機控制軟件設計。應完善軟件的操作流程，如圖3所示。需完成系統和通信模塊的初始化操作，進入到主循環部分，如果由人工進行操作，可通過A/D轉換模式對控制信號轉換，進入單片機進行緩存處理，再輸送到數據傳輸模塊，發送到下位機設備中。在此期間，單片機能夠從數據傳輸模塊內進行傳感數據信息的讀取，而后發送給數字顯示屏，將相關信息全面顯示出來。

圖3 上位機控制程序的流程Fig.3 Flow of the upper computer control program

下位機控制軟件的設計。如圖4所示，需先進行初始化處理，讀取傳感器數據信息，將數據存儲到寄存器內，利用無線數據傳輸模塊定期將寄存器的數據信息發送到上位機系統中。如果接收到上位機系統發送的控制信號，先進行左側與右側電機控制量的計算分析，轉換成PWM控制信號，借助串口將信號傳送[4]。

圖4 下位機控制軟件操作流程Fig.4 Flow of lower computer control software operation

圖像處理白化算法軟件設計。機器人圖像處理技術具有多元化特點，本設計是將STM32單片機作為核心，主要使用白化算法技術方式有效解決機器人圖像成像問題[5]。消防機器人在進行火災撲救和搶險時可能會出現物體反射光亮、照明強度過高的問題，導致攝像拍攝受到不利影響，出現不確定性的風險，系統采集的圖像和視頻等清晰度難以符合標準。為有效防止此類不確定性因素帶來的影響，應合理設計圖像的白化算法軟件，收集圖像的像素數據值信息，將其轉變成平均數據值與單位方差數據值。軟件實際運行過程中，先進行原始灰度圖像P像素數據值的分析，按照下列公式進行像素方差數據值δ2和平均數據值μ的計算。

完成計算后，將δ2與μ的數據值轉化，根據公式計算分析：

將灰度圖像轉變成彩色圖像，需分別設置3個不同的通道，對δ2與μ數據值精準計算，結合公式進行像素轉化處理。同時在系統運行期間結合硬件平臺特點，合理進行白化算法軟件的應用，通過STM32單片機準確進行計算處理和濾波處理，利用圖像存儲器設備和系統進行畫面截取，使用MATLAB完成圖像效果的觀察[6]。

1.3 整體機械結構設計

車體整體結構設計要在滿足平地行駛要求的基礎上能夠在斜坡區、樓梯區域和積水區域安全駕駛運行，具備一定的特殊功能，如可在洼區正常行駛，同時能爬坡、跨越障礙，可在原地自由旋轉。設計的履帶類型機械結構如圖5所示。

圖5 履帶類型行走機械結構Fig.5 Mechanical structure of track type walking

履帶類型結構和地面接觸面積很大，有很強的附著力和牽引能力，能夠在積水道路和泥濘道路行走，通過性很高。整體車體的架構設計采用鋁合金鑄造材料，輪系部分由驅動輪、拖鏈輪等組成。將精密行星減速無刷電機設備配置在驅動輪上，提升驅動力水平。導向輪按照地面摩擦系數的差異，對履帶松緊度進行調整，使履帶適應不同的環境。配置支撐輪用來支撐車體重量、水帶重量和水炮重量，減震器設備的應用則能防止車體顛簸，增強車體的穩定性和平穩性，支撐輪能夠跟隨履帶發生轉動，降低兩部分的摩擦。除此之外，結合車體的結構特點，設計了專用的消防水炮設施，在車體底部區域的中間位置配置水管，車體后下方位置將水管接入，利用前端水炮進行滅火劑的噴射，實際運行中整體結構重心很低，噴水過程中車體非常穩定[7]。

2 智能消防機器人的試驗與應用

2.1 試驗

A.速度試驗。將機器人設置在道路中行駛，進行運行速度測試，發現機器人運行速度為3 km/h左右，最高爬坡角度36°時，行走速度可達0.9 km/h，直線行走200 m的范圍內，雖然會出現方向誤差偏移，但能夠滿足具體的實踐應用標準要求[8]。B.圖像仿真試驗。仿真真實的火災現場圖像，發現屏幕中顯示的圖像沒有明顯的波紋和雪花，可滿足應用標準規范。C.水炮試驗。按照要求在機器人上設置水帶，將水的壓力調整為0.8 mpa，發現水炮的噴水長度為72 m左右，自動化噴淋系統能夠快速開啟，有效降溫。

2.2 應用

下位機整體架構由控制板、圖片視頻傳輸模塊、傳感器、電機驅動和電源電壓檢測模塊組成，主要功能是進行上位機操作數據信息和信號的讀取，準確計算控制量數據，將PWM信號輸送到電機驅動器系統，對水炮設備和云臺設備的工作進行控制。與此同時，進行不同傳感器數據信息的讀取，傳輸到上位機系統，按照傳感器所檢測的水炮水壓數據、車輛前后障礙距離數據、車體傾斜角度數據、車體溫度數據等，合理進行各類數據的傳輸，同時下位機中的電壓模塊對電池電量進行動態化檢測，不同數據經過串口傳輸到下位機控制板內，利用數據模塊將數據發送到上位機，使各類數據都能在顯示屏中顯示出來。另外，車輛具備一定的緊急剎車性能，為防止云臺或水炮等設備操作過程中對機械系統造成損傷，應合理設置云臺機械限位，設置水炮的左側和右側限位，嚴格進行自動擺動功能設定，確保水炮開啟過程中擺動幅度能夠控制在一定的范圍內[9]。

3 結束語

基于STM32單片機的智能消防機器人設計，需完善和優化整體架構設計模式和體系，確保軟件系統、硬件設備和整體車體機械結構設計的科學性與合理性，還需進行試驗測試，分析測試結果，確保后續的良好應用。