【正文】 ................ 19 尋火模塊的設計 ................................................................................................................ 20 避障模塊設計 ................................................................................................................... 21 顯示模塊的設計 ................................................................................................................ 21 5 系統(tǒng)的調(diào)試 .......................................................................................................................... 23 硬件的調(diào)試 ....................................................................................................................... 23 軟件調(diào)試 ............................................................................................................................ 23 避障的 實現(xiàn) ........................................................................................................................ 23 尋找火源的 實現(xiàn) ............................................................................................................... 24 遇到的問題 ........................................................................................................................ 25 實驗現(xiàn)象與結(jié)果分析 ........................................................................................................ 26 6 實物展示 ............................................................................................................................... 27 IV 7 結(jié)束語 ................................................................................................................................... 29 致 謝 ........................................................................................................................................ 30 參考文獻 .................................................................................................................................. 31 附件一 ...................................................................................................................................... 32 附 件二 ...................................................................................................................................... 33 1 1 引 言 課題的 開發(fā)背景 火災在現(xiàn)實生活中是非常普遍的，它被稱為三大自然災害之一。隨著經(jīng)濟的迅速增長，各種危險場所不可避免的火災頻繁出現(xiàn)，給社會安全造成了很多隱患 。 一旦發(fā)生災害事故，消防員面對高溫、黑暗、有毒和濃煙等危害環(huán)境時，若沒有相應的設備貿(mào)然沖進現(xiàn)場，不僅不能完成任務，還會徒增人員傷亡，這方面公安消防部隊已歷經(jīng)諸多血的教訓。尤其是當新消防法出臺后，搶險救援已成為公安消防部隊的法定任務，面對新時期面臨的新情況新任務， 也為了更好地解決前述難題，消防機器人的配備顯得日益重要。消防部隊將面對的火災和應急救援的形勢相當復雜。尤其是在高溫、有毒、易燃易爆等復雜環(huán)境中，為切實增強消防部隊撲救大火的能力，也為更好地保護廣大官兵的生命安全，配備消防機器人已勢在必行 。 課題的研究現(xiàn)狀 智能小車方面：智能小車，也稱輪式機器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計算機、機械等多學科的科技創(chuàng)意性設計。智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和 綜合，是未來汽車發(fā)展的趨勢。 機器人技術(shù)方面：目前已經(jīng)開發(fā)出了多種類型機器人機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)有串聯(lián)、并聯(lián)及垂直關(guān)節(jié)和平面關(guān)節(jié)多種。目前研究重點是機器人新的結(jié)構(gòu)、功能及可實現(xiàn)性，其目的是使機器功能更強、柔性更大、滿足不同目的的需求。同時機器人機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。機器人控制技術(shù)現(xiàn)已實現(xiàn)了機器人的全數(shù)字化控制，基于傳感器的控制技術(shù)已取得了重大進展。目前重點研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，具有良好的語言及圖形編輯界面。同時機器人的控制器的標準化和網(wǎng)絡化以及基于 PC機網(wǎng)絡式控制器已成為研究熱點。 機器人已經(jīng)實現(xiàn)了全數(shù)字交流伺服驅(qū)動控制，絕對位置反饋。目前正研究利用計算機技術(shù)，探索高效的控制驅(qū)動算法，提高系統(tǒng)的響應速度和控制精度；同時利用現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)的分布式控制 [1]。 課題的研究意義 智能避障滅火 機器人 實現(xiàn)了對安全防護的質(zhì)的提高，也大大地減低了消防人員的危險。在智能滅火系統(tǒng)中應用單片機來代替人的思考，還可以實現(xiàn)自動化控制，簡化了滅火的工作流程，使單片機代替多余的消防人員，節(jié)省了國家不必要的支出，降低了危險。 自動滅火避障智能小車可以理解為機器人的一種特例，它是一種能夠通過編程手段完成特 定任務的小型化機器人。與普遍意義上的機器人相比 該 智能小車制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序調(diào)試方便， 此設計在前人研究的基礎(chǔ)上，通過不斷地學習相關(guān)的知識，力求對消防機器人設計達到更深的了解和研究，促進消防機器人在火災中的應用并推廣在相關(guān)領(lǐng)域的研究，使消防研究工作不斷向前發(fā)展，具有很大的學術(shù)價值。 常州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 2 頁 共 45 頁 課題任務 根據(jù)自動控制的基本要求，自動滅火避障智能小車必須在無人干預的情況下依靠處理器自動完成所有的系統(tǒng)設計要求。滅火通過火焰檢測傳感器找到蠟燭， 控制電機 引導小車走向蠟燭附近并吹滅蠟燭。自動避障通過紅外光電開 關(guān)感應前方的障礙物，程序判斷處理控制小車轉(zhuǎn)彎避開障礙物。 系統(tǒng)具體設計要求如下： 1. 實現(xiàn)直流減速電機的啟、停、正、反控制； 2. 利用直流減速電機實現(xiàn)對小車的運動控制； 3. 利用穩(wěn)壓芯片為單片機電路系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓； 4. 利用紅外線光電開關(guān)對障礙物的檢測； 5. 利用光敏晶體管對火源的檢測 。 6. 通過單片機控制小車運動狀態(tài)實現(xiàn)小車的滅火避障； 7. 利用 1602 液晶的工作狀態(tài)顯示； 8. 通過編程實現(xiàn)系統(tǒng)程序的模塊化設計； 常州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 3 頁 共 45 頁 ??????????????? ??????????2 系統(tǒng) 基本原理 與總體 方案設計 滅火機器人的基本原理 滅火機器人滅火原理如 圖 1 所示。單片機采集火焰檢測模塊和避障模塊的信號 ， 通過控制電機驅(qū)動模塊使小車避障行駛?cè)フ覍せ鹪?，在找到火源之后，單片機控制電機停止，開啟風扇滅火，液晶顯示小車行進狀態(tài)和總撲滅火源個數(shù)，從 而 實現(xiàn)對整個火災點滅火的過程。 單片機火 焰 檢 測 模 塊避 障 模 塊滅 火 模 塊電 機 驅(qū) 動 模 塊顯 示 模 塊 圖 1 系統(tǒng)原理方框圖 滅火機器人的整體設計 滅火機器人由四部分組成： 數(shù)據(jù)采集模塊 ，主要由火焰采集模塊和避障模塊構(gòu)成， 實現(xiàn) 了 滅火機器人的 對各類參數(shù)的采集，是控制器核心部分。 信息處理單元，用單片機作為信息處理 單元，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采樣及數(shù)據(jù)分析運算，并發(fā)出控制指令。 人機交互單元，由按鍵及顯示單元組成。按鍵實現(xiàn)人機交互；顯示采用 LCD1602液晶模塊，可以提供豐富、直觀、友好的信息界面。 控制模塊，控制模塊主要由電機驅(qū)動電路、滅火模塊等組成，實現(xiàn)對驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)及開啟風扇滅火。 圖 2 滅火機器人系統(tǒng)框圖 圖 2 中，數(shù)據(jù)采集模塊對障礙物 方位 、火焰數(shù)據(jù)進行采集，并將數(shù)據(jù)送給 MCU 進常州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 4 頁 共 45 頁 行數(shù)據(jù)處理。 MCU 根據(jù)接收的信息發(fā)出控制指令控制電機或風扇工作，顯示單元可顯示當前滅火的次數(shù)和行進狀態(tài)。按鍵用于用戶啟動 滅火機器人。 滅火機器人模型的測量方案 避障及火焰測量是滅火機器人最重要部分之一，它是實現(xiàn)其他功能的基本條件，這一部分性能好壞將關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能，所以設計一個成本低、可靠性高、滅火效率高、調(diào)試簡便的測量方案是該設計的關(guān)鍵。 避障模塊 方案 1： 用超聲波傳感器進行避障。超聲波傳感器的原理如圖 3 所示：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號放大后送入單片機。超聲波傳感器在避障的設計中被廣泛應用 [2]。但是超聲波傳感器需要40KHz 的方波信 號來工作，因為超聲波傳感器對工作頻率要求較高，偏差在 1％內(nèi)，所以用模擬電路來做方波發(fā)生器比較難以實現(xiàn)。而用單片機來作方波發(fā)生器未免有些浪費資源。因此我們考慮其他的方案。 圖 3 超聲波傳感器原理圖 方案 2: 用紅外光電開關(guān)進行避障。光電開關(guān)的工作原理如圖 4 所示：根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據(jù)此作出判斷反應，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由 同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。紅外光電開關(guān)操作簡單，使用方便。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平 [4][7]。 考慮到本系統(tǒng)只需要檢測簡單障礙物，沒有十分復雜的環(huán)境。為了使用方便，便于操作和調(diào)試，我們最終選擇了方案 2。 紅 外 光 電對 管 電 路電 位 比 器比 較 電 壓單 片 機 圖 4 紅外光電對管測量系統(tǒng)圖 超聲波傳感器障礙物發(fā)射波回波單片機常州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 共 45 頁 火焰檢測方案 火焰檢測有溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、紫外傳感器以及 CCD傳感器。綜合論證這幾種傳感器， 因本設計使用蠟燭模擬火源，對環(huán)境溫度影響小，煙霧少，排除了煙霧傳感器?？紤]到易用性，排除了 CCD 傳感器，從而主要考慮以下三種方案。 ? NTC 熱敏電阻和光敏晶體管測量方案 熱 敏電 阻電 路光 敏電 阻電 路A / D轉(zhuǎn) 換器單片機 圖 5 NTC 熱敏電阻和光敏電阻測量系統(tǒng)圖 如圖 5 所示，利 用 熱敏 或光敏 電阻的阻值隨溫度 光亮 變化的特性，將 熱敏或光敏電阻 與 線性 電阻構(gòu)成分壓電路，當溫度 光亮 變化時 其 阻值變化， 進而 分壓變化，然后將這電壓信號經(jīng)過運放放大調(diào)理成 0— 5V 的電壓信號，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號送給單片機。 實驗中發(fā)現(xiàn)在 一定距離范圍內(nèi)，空氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發(fā)生任何變化。光敏電阻在燈光下，易受干擾 在一定范圍