摘 要： 介紹了一種自行研發(fā)與制作的比賽用滅火機(jī)器人。該機(jī)器人采用STC80C52單片機(jī)為主控芯片,，結(jié)合使用步進(jìn)電機(jī)和溫度傳感器來判斷火源位置,，利用紅外測距傳感器與直流電機(jī)完成機(jī)器人的行走和自動避障等功能。在控制算法上,，采用“左右手定則”和無火不入房的策略,，提高了尋找火源的效率。
關(guān)鍵詞： 滅火機(jī)器人,；STC80C52,；紅外測距傳感器
隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的工業(yè)現(xiàn)場,，成為了先進(jìn)制造技術(shù)和自動化裝備的典型代表,。機(jī)器人技術(shù)涉及多個技術(shù)領(lǐng)域，如電子,、機(jī)械,、自動控制,、傳感器、計算機(jī)等,。隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,，近年來國內(nèi)許多企業(yè)為應(yīng)對人力資源緊張的局勢，積極與各大高校聯(lián)合,，對機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行開發(fā),，這使得對機(jī)器人技術(shù)的研究達(dá)到了空前的高潮。本文所介紹的機(jī)器人裝備了信息處理系統(tǒng),、各種傳感器,、運(yùn)動裝置和滅火裝置，可以獨(dú)立實(shí)施火源的搜索和滅火任務(wù)[1],。
1 總體設(shè)計思想
通過對比賽規(guī)則的分析（用蠟燭模擬火源,，隨機(jī)分布在場地中，要求在最短的時間內(nèi)找到火源并將其撲滅）,，為在最短的時間內(nèi)完成比賽所規(guī)定的任務(wù),，對機(jī)器人完成整個動作要求做如下設(shè)計：機(jī)器人在直流電機(jī)的驅(qū)動下完成前后及轉(zhuǎn)彎等動作；在運(yùn)動的過程中利用紅外傳感器和循跡模塊實(shí)現(xiàn)自動避障和房間定位功能,；當(dāng)機(jī)器人定位火源的房間后,，由直流電機(jī)和循跡模塊共同工作，驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動至滅火位置,，隨后通過驅(qū)動強(qiáng)力風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)滅火任務(wù),；滅火完成后返回出發(fā)區(qū)域。
2 硬件及電路設(shè)計
機(jī)器人的控制芯片采用MCS-51系列的80C52單片機(jī),，它內(nèi)置8位中央處理單元,，32個雙向輸入輸出口，是80C51的增強(qiáng)版本,，工作電壓為3.3 V~5 V[2],。機(jī)器人硬件部分主要包括驅(qū)動模塊、傳感器模塊,、滅火模塊和電源模塊,，總體框圖如圖1所示。
2.1 驅(qū)動模塊
驅(qū)動模塊主要包括直流電機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動兩部分,。
直流電機(jī)驅(qū)動模塊[3]主要用于控制直流電機(jī)運(yùn)動,，完成機(jī)器人向前向后及轉(zhuǎn)彎等功能?？刂菩酒捎肔298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動芯片,，其邏輯供電電壓為5 V，與單片機(jī)工作電壓相匹配,，驅(qū)動供電電壓為5 V~46 V,，在此采用12 V的電壓輸入?？刂圃韴D如圖2所示,，其中VS和VSS分別為驅(qū)動控制電壓和邏輯控制電壓，ENA,、ENB分別為直流電機(jī)1,、2的使能端，OUT1,、OUT2,、OUT3、OUT4輸出PWM方波控制直流電機(jī)1,、2的轉(zhuǎn)速,。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動主要用于帶動火焰?zhèn)鞲衅餍D(zhuǎn)進(jìn)行火焰的定位?？刂菩酒捎肁3955SB,，該芯片是美國Allegro公司生產(chǎn)的，其工作電壓可達(dá)50 V,，電流可達(dá)1.5 A,。同時A3955SB芯片還提供過溫保護(hù)、過流保護(hù)及欠壓保護(hù)等功能[4],。A3955SB芯片為16引腳的芯片,，其輸入為DAC的3個輸入端D0、D1,、D2,，通過設(shè)置REF端口的電壓和采樣電阻R0，可確定通過步進(jìn)電機(jī)的最大電流Imax,，其關(guān)系式為Imax=VREF/3R0,；RC端口用來控制PWM的波形；輸出為OUTA和OUTB,，用于控制步進(jìn)電機(jī)的某一相,，同時PHASE端口決定步進(jìn)脈沖的方向。兩相步進(jìn)電機(jī)的控制電路圖如圖3所示,。
2.2 傳感器模塊
傳感器相當(dāng)于人類的各種感官系統(tǒng),，幫助機(jī)器人識別路線、障礙,、火源等一系列事物,，是機(jī)器人完成特定任務(wù)的關(guān)鍵。該機(jī)器人所用傳感器主要包括紅外測距傳感器、循跡模塊和火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>
紅外測距傳感器可以精確地檢測距離,，其測量范圍為0.2 m~1.5 m,，測量信號可以模擬輸出。該機(jī)器人所使用的是Sharp公司生產(chǎn)的GP2Y0A02YK0F型紅外測距傳感器,，它是基于三角測量原理,，傳感器按照某一角度發(fā)射紅外光束，光束遇到障礙物后被反射,，當(dāng)CCD檢測器檢測到有紅外光束被反射后,，會產(chǎn)生一個距離為L的偏移，運(yùn)用三角形的原理,，結(jié)合必要的數(shù)據(jù)（如發(fā)射角a,，焦距f等）可以計算出物體到傳感器的距離，如圖4所示,。當(dāng)測量出距離后,，傳感器會將距離轉(zhuǎn)換成電壓值輸出，如圖5所示,。
循跡模塊主要由碰撞開關(guān)和灰度傳感器組成,，用來檢測碰撞和灰度，其工作原理比較簡單,，在此不做過多介紹,。
火焰?zhèn)鞲衅鱎2868可以檢測到波長在700 nm~1 000 nm范圍內(nèi)的紅外光，檢測距離為0.8 m,，當(dāng)檢測到火焰信號后,，輸出低電壓信號。
2.3 滅火模塊
滅火模塊主要依靠風(fēng)扇產(chǎn)生強(qiáng)勁的風(fēng)力將火源撲滅,，由于其功率較大,，需要采用繼電器對其進(jìn)行輔助控制。在實(shí)際的滅火環(huán)境下,，可將滅火裝置改為干粉滅火器火噴水裝置來完成,。
2.4 電源模塊
機(jī)器人采用12 V的鋰電池供電，由于單片機(jī)及部分傳感器工作電壓為5 V,，需要設(shè)計降壓電路,。降壓電路的芯片采用LM7805，它具有體積小,、使用方便的特點(diǎn),，控制電路如圖6所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
根據(jù)對比賽規(guī)則的分析,，決定采用“左右手定則”來實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人路徑的規(guī)劃,。所謂左右手定則,，就是根據(jù)比賽場地的實(shí)際地形分布，在某段時間內(nèi)遇到岔路口向左（右）運(yùn)動,，以后都向右（左）運(yùn)動的方式,。在比賽中采用先右后左的策略，在每個房間的門口檢測,，如果發(fā)現(xiàn)火源,，則進(jìn)入房間滅火，滅火后再次利用火焰?zhèn)鞲衅鲗鹪礄z測以確定是否將火源撲滅,，否則不進(jìn)入該房間，繼續(xù)搜尋下一個房間,。此外在機(jī)器人前進(jìn)的過程中,，由于某些原因（如控制電路的延時性、摩擦阻力不同,、電機(jī)性能不同等）會導(dǎo)致左右兩側(cè)的直流電機(jī)不同步,，致使機(jī)器人的運(yùn)動路線產(chǎn)生偏移。在此需要設(shè)計前進(jìn)位置偏移檢測程序來糾正機(jī)器人的位置偏差,，主要原理是在前進(jìn)過程中每隔很短的時間,，利用紅外測距傳感器對兩側(cè)距離進(jìn)行檢測，若發(fā)現(xiàn)兩次檢測的距離不同,，則對偏離方向進(jìn)行計算,，并反饋給處理器對機(jī)器人的位置進(jìn)行調(diào)整。機(jī)器人控制流程如圖7所示,。
主程序框架如下：
#include<REG51.h>
#include<absacc.h>
#include<math.h>
#include<intrins.h>
void main（void）
{
TMOD=0x02,；//設(shè)定T0的工作模式為2
TH0=0x9B；
TL0=0x9B,；//裝入定時器的初值
EA=1,；
ET0=1；
TR0=1,；
init（）,； //程序初始化
Walk（）；//開始運(yùn)動
While（num<=4||mh=0）
{
If （left==1）
{
Check_left（）,；//左手定則
left=0,；
}
Else
Check_right（）；//右手定則
num=num+1,；//房間數(shù)加1
}
huijia（）,；//搜尋結(jié)束或滅火后回家
}
本機(jī)器人的設(shè)計目的是快速找到火源并將其撲滅之后安全回家，完成任務(wù)用時最短者獲勝,。其中直線運(yùn)動時位置調(diào)整次數(shù),、撞墻次數(shù)、房間搜尋安排、能否準(zhǔn)確定位火源位置等制約著比賽時間,。
通過實(shí)際測驗(yàn),，該機(jī)器人性能穩(wěn)定，運(yùn)行速度較快,，能較好完成滅火任務(wù)并安全回家,，具有一定的實(shí)用性。
參考文獻(xiàn)
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