【正文】 .............................................. 24 致 謝 ................................................................................................................................. 25 附 錄 ................................................................................................................................. 26 1 前言 1 1 前言 機器人向人們展示的是一門集機、電、計算機、材料、傳感器、 控制技術于一體的綜合技術，也是一個國家科技水平的標志。機器人技術的發(fā)展，它應該說是一個科學技術發(fā)展共同的一個綜合性的結果，也同時，為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學技術，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。 它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結果，也是人類自身發(fā)展的必然結果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認識自然過程中，實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。 人們一般的理解來看，機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置，或者叫自動化裝置，它仍然是個機器，它有三個特點，一個是有類人的功能，比如說作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動作，它還有一個特點是根據(jù)人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點，就是它可以編程，改變它的工作、動作、工作的對象，和工作的一些要求，它是人造的機器或機械電子裝置。但從完整的更為深遠的機器人定義來看，應該更強調機器人智能，所以人們又提出來機器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學習、情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機器。那么這給機器人 提出來更高層次的要求，展望 21 世紀，機器人將是一個與 20 世紀計算機的普及一樣，會深入地應用到各個領域，在 21 世紀的前20 年是機器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機器人發(fā)展的一個關鍵時期。 進入二十一世紀后，機器人技術的不斷發(fā)展使得機器人的應用領域不斷擴展，從以往多應用于工業(yè)領域而漸漸融入人們的生活。消防機器人作為消防部隊中的新興力量，加入了搶險救災的行列。從 1986 年日本東京消防廳首次在滅火中采用了 “彩虹 5 號 ”機器人后，消防機器人就逐漸在滅火救災領域得到廣泛的應用，消防機器人技術也得到快速 的發(fā)展。 我們之所以選擇做滅火機器人，概括起來有以下幾點。 首先，在從網(wǎng)上查找資料中，發(fā)現(xiàn)做滅火機器人的用途有很多，譬如，可以1 前言 2 自已發(fā)現(xiàn)火源，并且能夠準確定位，這樣就可以減少許多人發(fā)現(xiàn)不了的火災，從而也能減少財資的損失；同時，由于機器人能夠滅火，那么若大量把它們用在消防中，無疑也能避免消防人員人工滅火中的人身受傷。為此，我們組打算做滅火機器人。 其次，在準備的過程中，發(fā)現(xiàn)困難最多之處在于，如何讓它能準確定位、并且在發(fā)現(xiàn)火源時能控制自己的距離而不至于沖入火源？所以，在指導老師的引導下，最后確定用 8 個光電傳器來定位、定距。當然，如何設計這個電路就是我們所要設計的機器人的核心部分了。 第三，對我們來說，最關鍵的是能在設計這個滅火機器人的過程中，重新復習，同時也是重新學習我們在這 4 年中本應該學的專業(yè)知識，為畢業(yè)后的工作做準備，讓自己能在找工作的過程中減少一點障礙，而增加一點信心。這一點對我們來說最重要，也是我們所要在整個畢業(yè)設計中尋找的最終目的。因為，我們在初步的調研與計劃中發(fā)現(xiàn)，不僅要用到以前學過的模電、數(shù)電、 C 語言、傳感技術等，概括起來幾乎是整個大不期間學過的基礎以用專業(yè)知識。 2 概述 3 2 概述 國外消防機器人發(fā)展。 國際上較早開展消防機器人研究的是美國和前蘇聯(lián)，稍后，英國，日本，法國，德國先等國家也紛紛開始研究該類技術。目前已有很多種功能不同的消防機器人用于救災現(xiàn)場。 日本投入應用的消防機器人最多。 60 年代，日本研制了不少于 5 種型號的自動駛滅火機器人，分別配備于大阪、東京、高石等消防部門，這類機器人以內(nèi)燃機或電動機作為動力，配置驅動輪或履帶式行駛機構，能爬坡、越障礙；裝有較大噴射流量的消防槍炮，能作俯仰和左右回轉；裝有氣體檢測儀器和電視監(jiān)視設備；通過電纜或無線控制，控制距離最大為 100m,另一類機 器人為偵察、搶險機器人，除裝有氣體檢測儀器和電視監(jiān)視器設備外。 美國已研制出能依靠感覺信息控制的救災智能化機器人，如 1994 年用于探測阿拉斯加州斯珀活火山的“但丁 2 號”，抓獲殺人犯的 RNI9 型遙控消防機器人等。亞利桑諾州消防部門研制的消防機器人，裝有破拆工具和消防水槍，能一邊破拆，一邊噴射滅火。 英國智能化保安公司的 ROVEH 遙控消防車已裝備于中部和西部消防門，配備為履帶式或輪式行駛機構，能抓樓梯，通過電纜供電或自攜蓄電池供電。裝有消防水炮、攝像機或熱像儀，采用有線控制方式。 1985 年英國中西部門和 SAS公司聯(lián)合研制的機器有消防車，用 HunterⅢ汽車改裝而成，裝有雙臂、水槍、探測器（溫度、化學物質、輻射等）、工業(yè)電視攝像機、紅外線裝置。機械手用來啟閉閥門、搬移物品或開門等。 前蘇聯(lián)彼得拉機廠與內(nèi)務部消防科研所共同研制的消防機器人具有視覺功能，裝有消防水槍，光電探頭和工業(yè)電視攝像機等。 我國從八十年代末期開始消防機器人的研究，公安部上海消防研究所等單位在消防機器人的研究中取得了大量的成果， 自行式消防炮 已經(jīng)投入市場， 履帶輪式消防滅火偵察機器人 也于 2021 年 6 月通過了國家驗收。但是，我國消防機器人的研 究還處在初級階段，還有許多有待研究的問題。比如，高層建筑發(fā)生火災時，消防人員不可能在短時間內(nèi)到達高處的火災發(fā)生地點，在地下建筑中，2 概述 4 由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴散，消防人員不容易快速的判定火源位置；而在石化企業(yè)發(fā)生火災時，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時極易中毒。研制能夠用于這些場合的偵察滅火機器人，協(xié)助消防人員進行火災的定位和滅火，將有極大的社會意義 。 3 系統(tǒng)總體方案 5 3 系統(tǒng)總體方案 本章介紹的內(nèi)容如下： ? 系統(tǒng)方案的概述和設計步驟 ? 系統(tǒng)功能的實現(xiàn) ? 系統(tǒng)方案設計中考慮的綜合因素 通過對本章的了解，可以讓大家對本次實驗系統(tǒng)的 設計有個大概的了解，對系統(tǒng)方案的設計也是進行設計前所必須的，這直接關系到后面的設計。 系統(tǒng)方案設計的概述和設計步驟 在本次系統(tǒng)的具體設計中，硬件 設計和軟件的算法設計 兩大快，首先是硬件的設計 ， 其次再進行軟件算法的設計 ，軟件 算法的設計 要參考硬件的設計，所以雖然兩大快分別做介紹，但是始終要保持軟硬結合。 本次系統(tǒng)開發(fā)主要有三個步驟： （ 1） 系統(tǒng)總體方案的設計 （ 2） 系統(tǒng)的硬件設計 （ 3） 系統(tǒng)的軟件設計 系統(tǒng)總體方案的設計 本系統(tǒng)是滅火機器人的火源探測部分，包括火源的定向定位。系統(tǒng)使用紅外測溫傳感器測出火源與機器人所在地的溫度差，并 利用 自由 空間電波的衰減公式導出火源與各傳感器的距離，再根據(jù)平面幾何關系計算出火源的方向與距離。 這樣，機器人就可以根據(jù)此數(shù)據(jù)進行火源的探測，并滅火。 系統(tǒng)的硬件設計 本系統(tǒng)是基于 51 單片機的系統(tǒng)。 首先 ， 是數(shù)據(jù)采集也即是測溫模塊，該模塊由包括八個紅外測溫傳感器的傳感器組組成 。 其次 ， 是模數(shù)轉換部分，該部分由一片 ADC0809 構成，完成信號采集與信號處理即傳感器與單片機之間的連接，紅外測溫傳感器的輸出信號為模擬信號， 51 系列3 系統(tǒng)總體方案 6 單片機所需要的輸入信號為數(shù)字信號，只有 通過 A/D 轉換才能處理傳感器測得信號。 最后 ， 就是 單片機部分，該部分作為中央樞紐，控制整個系統(tǒng)的運作。 測溫模塊測得的數(shù)據(jù)要在此進行處理，以指導 整個系統(tǒng)在 下一步的工作。 火源探測模塊的框圖如 圖 31 所示 ： 圖 31 系統(tǒng)的軟件設計 該部分的軟件設計主要是涉及到傳感器測得溫度與火源定位的關系。 火源定位是根據(jù)自由空間的能量損耗公 式由測得溫度推算出來的。 系統(tǒng)功能的實現(xiàn) 傳感器組把測得溫度分別通過模數(shù)轉換傳給單片機，單片機通過一定的處理，比較得出溫度最高的三個傳感器，根據(jù)能量在自由空間的衰減規(guī)律可知，火源與傳感器的距離與傳感器測得溫度的大小 呈 負相關， 溫度越高，距離火源越近，所以，火源即在這三個傳感器所對的那個方向上 具體的方位可以通過相應的公式計算出來，這將在第五章中詳細推算。 單片機再根據(jù)測算結果來計算出機器人要走的路線，并以此來控制機器人的動作。 系統(tǒng)方案設計 中考慮的綜合因素 總體方案做指導，指揮全局，設計的初期只能做個大 的方向大體規(guī)劃，方案要不斷修改，