【正文】 ................ 19 尋火模塊的設(shè)計(jì) ................................................................................................................ 20 避障模塊設(shè)計(jì) ................................................................................................................... 21 顯示模塊的設(shè)計(jì) ................................................................................................................ 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(shí)現(xiàn) ........................................................................................................................ 23 尋找火源的 實(shí)現(xiàn) ............................................................................................................... 24 遇到的問(wèn)題 ........................................................................................................................ 25 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析 ........................................................................................................ 26 6 實(shí)物展示 ............................................................................................................................... 27 IV 7 結(jié)束語(yǔ) ................................................................................................................................... 29 致 謝 ........................................................................................................................................ 30 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 31 附件一 ...................................................................................................................................... 32 附 件二 ...................................................................................................................................... 33 1 1 引 言 課題的 開(kāi)發(fā)背景 火災(zāi)在現(xiàn)實(shí)生活中是非常普遍的，它被稱為三大自然災(zāi)害之一。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，各種危險(xiǎn)場(chǎng)所不可避免的火災(zāi)頻繁出現(xiàn)，給社會(huì)安全造成了很多隱患 。 一旦發(fā)生災(zāi)害事故，消防員面對(duì)高溫、黑暗、有毒和濃煙等危害環(huán)境時(shí)，若沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)備貿(mào)然沖進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，不僅不能完成任務(wù)，還會(huì)徒增人員傷亡，這方面公安消防部隊(duì)已歷經(jīng)諸多血的教訓(xùn)。尤其是當(dāng)新消防法出臺(tái)后，搶險(xiǎn)救援已成為公安消防部隊(duì)的法定任務(wù)，面對(duì)新時(shí)期面臨的新情況新任務(wù)， 也為了更好地解決前述難題，消防機(jī)器人的配備顯得日益重要。消防部隊(duì)將面對(duì)的火災(zāi)和應(yīng)急救援的形勢(shì)相當(dāng)復(fù)雜。尤其是在高溫、有毒、易燃易爆等復(fù)雜環(huán)境中，為切實(shí)增強(qiáng)消防部隊(duì)撲救大火的能力，也為更好地保護(hù)廣大官兵的生命安全，配備消防機(jī)器人已勢(shì)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(jī)器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的科技創(chuàng)意性設(shè)計(jì)。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(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和 綜合，是未來(lái)汽車發(fā)展的趨勢(shì)。 機(jī)器人技術(shù)方面：目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種類型機(jī)器人機(jī)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(diǎn)是機(jī)器人新的結(jié)構(gòu)、功能及可實(shí)現(xiàn)性，其目的是使機(jī)器功能更強(qiáng)、柔性更大、滿足不同目的的需求。同時(shí)機(jī)器人機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。機(jī)器人控制技術(shù)現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了機(jī)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(jìn)展。目前重點(diǎn)研究開(kāi)放式、模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，具有良好的語(yǔ)言及圖形編輯界面。同時(shí)機(jī)器人的控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于 PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。 機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)控制，絕對(duì)位置反饋。目前正研究利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，探索高效的控制驅(qū)動(dòng)算法，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度；同時(shí)利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)的分布式控制 [1]。 課題的研究意義 智能避障滅火 機(jī)器人 實(shí)現(xiàn)了對(duì)安全防護(hù)的質(zhì)的提高，也大大地減低了消防人員的危險(xiǎn)。在智能滅火系統(tǒng)中應(yīng)用單片機(jī)來(lái)代替人的思考，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，簡(jiǎn)化了滅火的工作流程，使單片機(jī)代替多余的消防人員，節(jié)省了國(guó)家不必要的支出，降低了危險(xiǎn)。 自動(dòng)滅火避障智能小車可以理解為機(jī)器人的一種特例，它是一種能夠通過(guò)編程手段完成特 定任務(wù)的小型化機(jī)器人。與普遍意義上的機(jī)器人相比 該 智能小車制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序調(diào)試方便， 此設(shè)計(jì)在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)不斷地學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)，力求對(duì)消防機(jī)器人設(shè)計(jì)達(dá)到更深的了解和研究，促進(jìn)消防機(jī)器人在火災(zāi)中的應(yīng)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(xué)術(shù)價(jià)值。 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 共 45 頁(yè) 課題任務(wù) 根據(jù)自動(dòng)控制的基本要求，自動(dòng)滅火避障智能小車必須在無(wú)人干預(yù)的情況下依靠處理器自動(dòng)完成所有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。滅火通過(guò)火焰檢測(cè)傳感器找到蠟燭， 控制電機(jī) 引導(dǎo)小車走向蠟燭附近并吹滅蠟燭。自動(dòng)避障通過(guò)紅外光電開(kāi) 關(guān)感應(yīng)前方的障礙物，程序判斷處理控制小車轉(zhuǎn)彎避開(kāi)障礙物。 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)要求如下： 1. 實(shí)現(xiàn)直流減速電機(jī)的啟、停、正、反控制； 2. 利用直流減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)控制； 3. 利用穩(wěn)壓芯片為單片機(jī)電路系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓； 4. 利用紅外線光電開(kāi)關(guān)對(duì)障礙物的檢測(cè)； 5. 利用光敏晶體管對(duì)火源的檢測(cè) 。 6. 通過(guò)單片機(jī)控制小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)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(guò)編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序的模塊化設(shè)計(jì)； 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 共 45 頁(yè) ??????????????? ??????????2 系統(tǒng) 基本原理 與總體 方案設(shè)計(jì) 滅火機(jī)器人的基本原理 滅火機(jī)器人滅火原理如 圖 1 所示。單片機(jī)采集火焰檢測(cè)模塊和避障模塊的信號(hào) ， 通過(guò)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使小車避障行駛?cè)フ覍せ鹪矗谡业交鹪粗?，單片機(jī)控制電機(jī)停止，開(kāi)啟風(fēng)扇滅火，液晶顯示小車行進(jìn)狀態(tài)和總撲滅火源個(gè)數(shù)，從 而 實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)火災(zāi)點(diǎn)滅火的過(guò)程。 單片機(jī)火 焰 檢 測(cè) 模 塊避 障 模 塊滅 火 模 塊電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 模 塊顯 示 模 塊 圖 1 系統(tǒng)原理方框圖 滅火機(jī)器人的整體設(shè)計(jì) 滅火機(jī)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(shí)現(xiàn) 了 滅火機(jī)器人的 對(duì)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(jī)作為信息處理 單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采樣及數(shù)據(jù)分析運(yùn)算，并發(fā)出控制指令。 人機(jī)交互單元，由按鍵及顯示單元組成。按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路、滅火模塊等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及開(kāi)啟風(fēng)扇滅火。 圖 2 滅火機(jī)器人系統(tǒng)框圖 圖 2 中，數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)障礙物 方位 、火焰數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)送給 MCU 進(jìn)常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 共 45 頁(yè) 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(jī)或風(fēng)扇工作，顯示單元可顯示當(dāng)前滅火的次數(shù)和行進(jìn)狀態(tài)。按鍵用于用戶啟動(dòng) 滅火機(jī)器人。 滅火機(jī)器人模型的測(cè)量方案 避障及火焰測(cè)量是滅火機(jī)器人最重要部分之一，它是實(shí)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(gè)系統(tǒng)的性能，所以設(shè)計(jì)一個(gè)成本低、可靠性高、滅火效率高、調(diào)試簡(jiǎn)便的測(cè)量方案是該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 避障模塊 方案 1： 用超聲波傳感器進(jìn)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(lái)，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號(hào)放大后送入單片機(jī)。超聲波傳感器在避障的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用 [2]。但是超聲波傳感器需要40KHz 的方波信 號(hào)來(lái)工作，因?yàn)槌暡▊鞲衅鲗?duì)工作頻率要求較高，偏差在 1％內(nèi)，所以用模擬電路來(lái)做方波發(fā)生器比較難以實(shí)現(xiàn)。而用單片機(jī)來(lái)作方波發(fā)生器未免有些浪費(fèi)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(kāi)關(guān)進(jìn)行避障。光電開(kāi)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(yīng)，是利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由 同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均能檢測(cè)。紅外光電開(kāi)關(guān)操作簡(jiǎn)單，使用方便。當(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平 [4][7]。 考慮到本系統(tǒng)只需要檢測(cè)簡(jiǎn)單障礙物，沒(méi)有十分復(fù)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(duì) 管 電 路電 位 比 器比 較 電 壓?jiǎn)?片 機(jī) 圖 4 紅外光電對(duì)管測(cè)量系統(tǒng)圖 超聲波傳感器障礙物發(fā)射波回波單片機(jī)常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 共 45 頁(yè) 火焰檢測(cè)方案 火焰檢測(cè)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(shè)計(jì)使用蠟燭模擬火源，對(duì)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(cè)量方案 熱 敏電 阻電 路光 敏電 阻電 路A / D轉(zhuǎn) 換器單片機(jī) 圖 5 NTC 熱敏電阻和光敏電阻測(cè)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(dāng)溫度 光亮 變化時(shí) 其 阻值變化， 進(jìn)而 分壓變化，然后將這電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大調(diào)理成 0— 5V 的電壓信號(hào)，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)。 實(shí)驗(yàn)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