【正文】 .............................................. 24 致 謝 ................................................................................................................................. 25 附 錄 ................................................................................................................................. 26 1 前言 1 1 前言 機(jī)器人向人們展示的是一門(mén)集機(jī)、電、計(jì)算機(jī)、材料、傳感器、 控制技術(shù)于一體的綜合技術(shù)，也是一個(gè)國(guó)家科技水平的標(biāo)志。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，也同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門(mén)科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類(lèi)自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類(lèi)的發(fā)展隨著人們這種社會(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹?lái)越不斷探討自然過(guò)程中，在改造自然過(guò)程中，認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀需要。 人們一般的理解來(lái)看，機(jī)器人是具有一些類(lèi)似人的功能的機(jī)械電子裝置，或者叫自動(dòng)化裝置，它仍然是個(gè)機(jī)器，它有三個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是有類(lèi)人的功能，比如說(shuō)作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動(dòng)作，它還有一個(gè)特點(diǎn)是根據(jù)人的編程能自動(dòng)的工作，這里一個(gè)顯著的特點(diǎn)，就是它可以編程，改變它的工作、動(dòng)作、工作的對(duì)象，和工作的一些要求，它是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。但從完整的更為深遠(yuǎn)的機(jī)器人定義來(lái)看，應(yīng)該更強(qiáng)調(diào)機(jī)器人智能，所以人們又提出來(lái)機(jī)器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、情感和對(duì)外界一種邏輯判斷思維的這種機(jī)器。那么這給機(jī)器人 提出來(lái)更高層次的要求，展望 21 世紀(jì)，機(jī)器人將是一個(gè)與 20 世紀(jì)計(jì)算機(jī)的普及一樣，會(huì)深入地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，在 21 世紀(jì)的前20 年是機(jī)器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個(gè)重要時(shí)期，也是智能機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期。 進(jìn)入二十一世紀(jì)后，機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展使得機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，從以往多應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域而漸漸融入人們的生活。消防機(jī)器人作為消防部隊(duì)中的新興力量，加入了搶險(xiǎn)救災(zāi)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(hào) ”機(jī)器人后，消防機(jī)器人就逐漸在滅火救災(zāi)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，消防機(jī)器人技術(shù)也得到快速 的發(fā)展。 我們之所以選擇做滅火機(jī)器人，概括起來(lái)有以下幾點(diǎn)。 首先，在從網(wǎng)上查找資料中，發(fā)現(xiàn)做滅火機(jī)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(zhǔn)確定位，這樣就可以減少許多人發(fā)現(xiàn)不了的火災(zāi)，從而也能減少財(cái)資的損失；同時(shí)，由于機(jī)器人能夠滅火，那么若大量把它們用在消防中，無(wú)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(jī)器人。 其次，在準(zhǔn)備的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)困難最多之處在于，如何讓它能準(zhǔn)確定位、并且在發(fā)現(xiàn)火源時(shí)能控制自己的距離而不至于沖入火源？所以，在指導(dǎo)老師的引導(dǎo)下，最后確定用 8 個(gè)光電傳器來(lái)定位、定距。當(dāng)然，如何設(shè)計(jì)這個(gè)電路就是我們所要設(shè)計(jì)的機(jī)器人的核心部分了。 第三，對(duì)我們來(lái)說(shuō)，最關(guān)鍵的是能在設(shè)計(jì)這個(gè)滅火機(jī)器人的過(guò)程中，重新復(fù)習(xí)，同時(shí)也是重新學(xué)習(xí)我們?cè)谶@ 4 年中本應(yīng)該學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，為畢業(yè)后的工作做準(zhǔn)備，讓自己能在找工作的過(guò)程中減少一點(diǎn)障礙，而增加一點(diǎn)信心。這一點(diǎn)對(duì)我們來(lái)說(shuō)最重要，也是我們所要在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中尋找的最終目的。因?yàn)椋覀冊(cè)诔醪降恼{(diào)研與計(jì)劃中發(fā)現(xiàn)，不僅要用到以前學(xué)過(guò)的模電、數(shù)電、 C 語(yǔ)言、傳感技術(shù)等，概括起來(lái)幾乎是整個(gè)大不期間學(xué)過(guò)的基礎(chǔ)以用專(zhuān)業(yè)知識(shí)。 2 概述 3 2 概述 國(guó)外消防機(jī)器人發(fā)展。 國(guó)際上較早開(kāi)展消防機(jī)器人研究的是美國(guó)和前蘇聯(lián)，稍后，英國(guó)，日本，法國(guó)，德國(guó)先等國(guó)家也紛紛開(kāi)始研究該類(lèi)技術(shù)。目前已有很多種功能不同的消防機(jī)器人用于救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。 日本投入應(yīng)用的消防機(jī)器人最多。 60 年代，日本研制了不少于 5 種型號(hào)的自動(dòng)駛滅火機(jī)器人，分別配備于大阪、東京、高石等消防部門(mén)，這類(lèi)機(jī)器人以內(nèi)燃機(jī)或電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，配置驅(qū)動(dòng)輪或履帶式行駛機(jī)構(gòu)，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(zhuǎn)；裝有氣體檢測(cè)儀器和電視監(jiān)視設(shè)備；通過(guò)電纜或無(wú)線控制，控制距離最大為 100m,另一類(lèi)機(jī) 器人為偵察、搶險(xiǎn)機(jī)器人，除裝有氣體檢測(cè)儀器和電視監(jiān)視器設(shè)備外。 美國(guó)已研制出能依靠感覺(jué)信息控制的救災(zāi)智能化機(jī)器人，如 1994 年用于探測(cè)阿拉斯加州斯珀活火山的“但丁 2 號(hào)”，抓獲殺人犯的 RNI9 型遙控消防機(jī)器人等。亞利桑諾州消防部門(mén)研制的消防機(jī)器人，裝有破拆工具和消防水槍?zhuān)芤贿吰撇?，一邊噴射滅火? 英國(guó)智能化保安公司的 ROVEH 遙控消防車(chē)已裝備于中部和西部消防門(mén)，配備為履帶式或輪式行駛機(jī)構(gòu)，能抓樓梯，通過(guò)電纜供電或自攜蓄電池供電。裝有消防水炮、攝像機(jī)或熱像儀，采用有線控制方式。 1985 年英國(guó)中西部門(mén)和 SAS公司聯(lián)合研制的機(jī)器有消防車(chē)，用 HunterⅢ汽車(chē)改裝而成，裝有雙臂、水槍、探測(cè)器（溫度、化學(xué)物質(zhì)、輻射等）、工業(yè)電視攝像機(jī)、紅外線裝置。機(jī)械手用來(lái)啟閉閥門(mén)、搬移物品或開(kāi)門(mén)等。 前蘇聯(lián)彼得拉機(jī)廠與內(nèi)務(wù)部消防科研所共同研制的消防機(jī)器人具有視覺(jué)功能，裝有消防水槍?zhuān)怆娞筋^和工業(yè)電視攝像機(jī)等。 我國(guó)從八十年代末期開(kāi)始消防機(jī)器人的研究，公安部上海消防研究所等單位在消防機(jī)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(chǎng)， 履帶輪式消防滅火偵察機(jī)器人 也于 2021 年 6 月通過(guò)了國(guó)家驗(yàn)收。但是，我國(guó)消防機(jī)器人的研 究還處在初級(jí)階段，還有許多有待研究的問(wèn)題。比如，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防人員不可能在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)高處的火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，在地下建筑中，2 概述 4 由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴(kuò)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(zāi)時(shí)，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時(shí)極易中毒。研制能夠用于這些場(chǎng)合的偵察滅火機(jī)器人，協(xié)助消防人員進(jìn)行火災(zāi)的定位和滅火，將有極大的社會(huì)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(shè)計(jì)步驟 ? 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn) ? 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中考慮的綜合因素 通過(guò)對(duì)本章的了解，可以讓大家對(duì)本次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)有個(gè)大概的了解，對(duì)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)也是進(jìn)行設(shè)計(jì)前所必須的，這直接關(guān)系到后面的設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的概述和設(shè)計(jì)步驟 在本次系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)中，硬件 設(shè)計(jì)和軟件的算法設(shè)計(jì) 兩大快，首先是硬件的設(shè)計(jì) ， 其次再進(jìn)行軟件算法的設(shè)計(jì) ，軟件 算法的設(shè)計(jì) 要參考硬件的設(shè)計(jì)，所以雖然兩大快分別做介紹，但是始終要保持軟硬結(jié)合。 本次系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要有三個(gè)步驟： （ 1） 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) （ 2） 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) （ 3） 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)是滅火機(jī)器人的火源探測(cè)部分，包括火源的定向定位。系統(tǒng)使用紅外測(cè)溫傳感器測(cè)出火源與機(jī)器人所在地的溫度差，并 利用 自由 空間電波的衰減公式導(dǎo)出火源與各傳感器的距離，再根據(jù)平面幾何關(guān)系計(jì)算出火源的方向與距離。 這樣，機(jī)器人就可以根據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行火源的探測(cè)，并滅火。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)是基于 51 單片機(jī)的系統(tǒng)。 首先 ， 是數(shù)據(jù)采集也即是測(cè)溫模塊，該模塊由包括八個(gè)紅外測(cè)溫傳感器的傳感器組組成 。 其次 ， 是模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，該部分由一片 ADC0809 構(gòu)成，完成信號(hào)采集與信號(hào)處理即傳感器與單片機(jī)之間的連接，紅外測(cè)溫傳感器的輸出信號(hào)為模擬信號(hào)， 51 系列3 系統(tǒng)總體方案 6 單片機(jī)所需要的輸入信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，只有 通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換才能處理傳感器測(cè)得信號(hào)。 最后 ， 就是 單片機(jī)部分，該部分作為中央樞紐，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。 測(cè)溫模塊測(cè)得的數(shù)據(jù)要在此進(jìn)行處理，以指導(dǎo) 整個(gè)系統(tǒng)在 下一步的工作。 火源探測(cè)模塊的框圖如 圖 31 所示 ： 圖 31 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 該部分的軟件設(shè)計(jì)主要是涉及到傳感器測(cè)得溫度與火源定位的關(guān)系。 火源定位是根據(jù)自由空間的能量損耗公 式由測(cè)得溫度推算出來(lái)的。 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn) 傳感器組把測(cè)得溫度分別通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換傳給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)一定的處理，比較得出溫度最高的三個(gè)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(cè)得溫度的大小 呈 負(fù)相關(guān)， 溫度越高，距離火源越近，所以，火源即在這三個(gè)傳感器所對(duì)的那個(gè)方向上 具體的方位可以通過(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算出來(lái)，這將在第五章中詳細(xì)推算。 單片機(jī)再根據(jù)測(cè)算結(jié)果來(lái)計(jì)算出機(jī)器人要走的路線，并以此來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作。 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 中考慮的綜合因素 總體方案做指導(dǎo)，指揮全局，設(shè)計(jì)的初期只能做個(gè)大 的方向大體規(guī)劃，方案要不斷修改，