基于門口檢測策略的滅火機器人的設計

周兆匡 湖南省岳陽市第一中學 414000任勝兵 中南大學軟件學院 410075

基于門口檢測策略的滅火機器人的設計

周兆匡 湖南省岳陽市第一中學 414000任勝兵 中南大學軟件學院 410075

依據機器人滅火比賽規則，本文設計基于門口檢測策略的滅火機器人，在已有機器人的基礎上對各種傳感器進行科學布局，實現火源門口檢測功能。主要實現了避障、尋火、滅火和回家四個模塊。實驗表明本文的滅火策略的滅火時間大大縮短。

引言

隨著信息科技的迅速發展，使得人們生活工作發生天翻地覆的變化。為了拉近中小學生與現代信息科技技術的距離，國家頒布了普通中小學校信息技術課程標準。在從事現代信息科技技術教育的過程中發現，機器人教育涉及了信息技術幾乎所有的內容，不僅讓學生接觸到最新的信息技術，而且讓學生充分發揮想象力來開發新的智能機器人，從而培養學生對信息技術的開發及創新能力。為了推動中小學機器人教育的發展，國內推出了大量不同類型的機器人比賽。機器人滅火是中小學機器人比賽中最引人注目的項目之一，不僅可以提高中小學生的機器人組裝能力，還可以提高中小學生的編程能力及創新能力。

由于中小學生的設計能力有限，目前主要采用國內機器人廠商開發的機器人參加機器人滅火比賽。在比賽中取得了一些成績，但是成績的好壞取決于廠商開發的機器人的水平。為了在機器人滅火比賽中獲取更好的成績，本文在現有的機器人基礎上進行二次開發，采用門口探測的滅火策略，大大提高了機器人滅火的效率。

1 機器人滅火比賽規則

目前國內中小學生機器人滅火比賽規則完全采用國際比賽規則，模仿現實生活中的消防隊員滅火的情景，讓機器人在有4間平面結構的模型房子中，自主尋找任意放置的蠟燭，并將其熄滅[1]。 機器人滅火比賽場地平面結構圖如圖1所示。

圖1中的比賽場地的墻壁高33cm，厚2cm，由木板做成的且為白色。比賽場地的地板均被刷為黑色的光滑的木質表面。機器人將從一個標有“H”的起始位置的圓圈開始，而且必須在圓圈中啟動。場地中所有的走廊和每個房間的門口都是46cm寬，門檻上沒有門。而且房間的入口用2. 5cm寬的白線表示。機器人的整體外形尺寸在出發前和任務完成后都應該在標有“H”的正方形區域。有效的滅火范圍也是用白色的圓圈表示。

按照國際機器人滅火比賽的標準，得分越低，成績越好。目前有6種運行模式可供選擇。不同模式的得分系數也各不相同，標準模式得分系數為1.0；聲音啟動模式的得分系數是0.95；回家模式的得分系數為0.80；家具模式的得分系數為0.75；滅火模式，使用風扇吹風滅火的得分系數為1.0，不使用吹風滅火的方式將火滅掉系數為0.85；搜索房間數目越多，系數越少，得分越低。最終的實際得分=實際時間×啟動模式系數×房間系數×搜救系數×回家系數。

2 基于門口探測策略的滅火機器人的設計

為了滿足機器人滅火比賽的功能要求，本文采用了門口探測策略來設計滅火機器人，即如果房間無火則不進房間搜索的方法。根據嵌入式系統開發原理，將滅火機器人系統設計劃分為系統硬件設計和軟件設計兩個部分。硬件設計部分主要完成機器人探測火焰、防碰撞任務所需的傳感器配置工作。軟件設計部分完成機器人滅火探測策略。

2.1 滅火機器人硬件設計

本文設計的滅火機器人硬件結構由微控制器、傳感器模塊、電源模塊、系統驅動模塊、滅火裝置及聲控模塊等組成，其總體結構如圖2所示。

圖2 滅火機器人硬件系統結構

圖2描述了滅火機器人硬件系統結構。為了盡可能地節約開發成本，以學校目前已有的某滅火器機器人控制器、驅動模塊、滅火裝置為基礎，添加合理的傳感器組合及聲控模塊來完成機器人硬件設計。

傳感器用于實時監測周圍環境信息，描述機器人與環境的相互關系[2]。根據比賽規則，機器人主要使用紅外傳感器、火焰傳感器、灰度傳感器、溫度傳感器及相應的信號處理電路。聲控模塊主要是啟動機器人，微控制器模塊將從傳感器獲取的信息進行分析，來驅動機器人的驅動模塊，以避免碰撞或前進等。當探測到火焰后，控制器啟動滅火設備滅火，然后回到起始位置。

紅外傳感器主要是用來檢測障礙物，避免碰到墻壁以及尋找房間的門，也稱距離傳感器(PSD傳感器)。紅外傳感器可以檢測的范圍為10cm～80cm。通過發射紅外線和接受發射回來的紅外線來確定離障礙物的距離。

火焰傳感器用來探測和追蹤火源，在滅火比賽中主要用于尋找火源。當測不到火焰時，輸出電壓約等于0，當傳感器測到火焰時，輸出電壓為0.5～2.5V。通過控制器信息處理來實現火焰檢測。對可見光和紅外光的有效探測距離可達2m，探測角度為60度，線性度精確。因此越靠近熱源，讀數越小[3]。

灰度傳感器屬于光敏傳感器，根據不同顏色的地面對光的反射程度的不同，通過比較電壓來檢測場地內的路標，以便準確找到房間門入口、火焰范圍及終點處。

非接觸式紅外溫度傳感器用來尋找火源。通過周圍環境與火焰溫度的對比來判斷火源位置。由于其反應速度快，價格低，因此采用火焰傳感器和溫度傳感器對火源進行定位。為了便于實施門口檢測策略，滅火機器人傳感器分布如圖3所示。

圖3 滅火機器人傳感器分布圖

在圖3中，左紅外傳感器接數字14口，左45度角紅外傳感器接數字8口，右紅外傳感器接數字15口，左右45度角紅外傳感器接數字10口，前紅外傳感器接數字9口，聲控傳感器接模擬3口，左、右火焰傳感器分別接模擬4、5口，前、后灰度傳感器分別接模擬6、7口，前、后溫度傳感器接模擬1、2口。

2.2 基于門口檢測策略的滅火機器人軟件設計

機器人的硬件配置決定了滅火機器人的最大的潛力，需要設計優秀的策略來充分開發這些潛能。為了在滅火比賽中節省時間，減少碰撞次數，提高比賽成績，本文采用了門口檢測策略。滅火比賽項目由避障、找火、滅火和回家四部分組成。該策略利用距離紅外傳感器，實現無碰撞行走；在找火階段中，機器人通過灰度傳感器檢測每個房間入口的白線，然后利用火焰傳感器和溫度傳感器快速尋找火源，如果找到火源，則啟動滅火模塊，如果沒有找到火源則查找其他房間即無火不進房間；如果進入滅火階段，則需快速精確定位火源，完成對火操作，滅火動作，最后返回到出發位置。其總體算法如圖4所示。

圖4 總體算法流程圖

2.2.1 機器人避撞階級分析

滅火機器人主要通過獲取多個距離紅外傳感器信號，判斷周圍障礙物的情況，從而控制機器人無碰撞行走。門口檢測策略綜合應用了左手、右手法則以及固定線路法來規避障礙物。以沿左墻走為例說明無碰撞行走算法。沿左墻行進示意圖如圖5所示。

圖5 沿左墻行進示意圖

圖5對應的沿左墻行走規則如表1所示，其中PSD1為左45度角紅外傳感器，PSD2為左紅外傳感器。

表1 沿左墻行進規則

從表1可見，通過設置多個條件判斷，可以準確決定出機器人下一步運動方向，實現精確控制機器人行走，以避免與障礙物發生碰撞。右手行走法則情況與左手行走法則類似。

2.2.2 機器人尋找火源階段分析

由于本文采用門口檢測策略，需要在每個房間的門口探測是否存在火源，所以就必須確定房間的入口，也就是檢測代表房間門口的白線。另外需要綜合使用火焰傳感器和溫度傳感器來探測火源的存在。本文使用前、后兩個灰度傳感器來檢測白線。通過大量的實驗得知白線的灰度值為85，地面灰度的長度為125。房間門口白線檢測的條件判斷語句如下:

即如果機器人前、后兩個灰度傳感器檢測的灰度結果不同時，則說明機器人到了房間的門口處。

在到達房間門口處后，需要使用左、右火焰傳感器和溫度傳感器來檢測火源。首先需要確定機器人感應火源的火光的臨界值，機器人滅火位置的臨界值。通過大量的實驗得知找到火光的臨界值為989，蠟燭熄滅臨界值為1000。火焰檢測的條件判斷語句如下：

即在房間門口將接收的灰度信息與臨界值對比，以及判斷前、后溫度傳感器值是否相同來判斷該房間是否存在火源。

2.2.3 機器人滅火階段分析

當找到存在火源的房間后，則進入滅火階段。進行滅火之前，需要完成找到滅火的合適位置、滅火方向的校正兩個任務。

為了有效地完成滅火任務，需要找到合適的滅火位置。另外不允許碰到蠟燭，機器人需要在蠟燭外圍的白線處停止。則尋找合適滅火位置的條件判斷語句如下:

到達了合適的滅火位置后，對滅火方向進行校正，需要根據左右火焰傳感器的值進行校正。如果左邊火焰強，像左多搖動一點；如果右邊火焰強，向右多搖動一點；正對火焰，則啟動風扇進行滅火，吹滅蠟燭。

2.2.4 機器人回家模式分析

在對火源進行滅火后，需返回且停在終止位置。如果在1號房間發現火源，則滅火后走右手法則回家；如果在4號房間發現火源，則滅火后走右手法則回家；如果在3號房間發現火源，則滅火后走左手法則回家；如果在2號房間發現火源，則滅火后先走左手法則，然后走固定直線線路返回到終止位置。則檢測終止位置的條件判斷語句如下：

如果機器人前后皆為白色且前面有墻壁，則停車。

2.2.5 機器人路徑規劃

在機器人滅火的四個階段中，路徑規劃自始至終貫穿其間。滅火機器人在不同環境中需走出合適的路徑(也就是控制轉向問題)。為了實現門口檢測策略，本文采用了左右手規則相結合的方法來走完全程。機器人滅火路徑規劃如圖6所示。

圖6 滅火機器人路徑規劃

機器人最終按照圖6中路徑規劃來依次實現避障、尋火及滅火操作，最終完成滅火任務。

3 實驗測試結果分析

滅火比賽的任務是滅火機器人以最短時間找到火源，并將其撲滅。成功滅火并且用時最短者獲勝。影響用時長短的因素包括直線調整次數、碰撞次數、正確轉換次數、找準火源次數及成功滅火次數等。直線調整次數越少，碰撞次數越少，正確轉換次數越多，找準火源次數越多，成功滅火次數越多，則滅火所用的時間越短[4]。在測試機器人過程中，進行大量的調試包括程序的修改和傳感器位置的調整。

為了測試本文的策略方法，分別對4個房間進行3次滅火實驗。記錄并統計10組數據如表2所示。

表2 實際滅火時間數據統計表

根據表2可見，滅火機器人遍歷4個房間后，熄滅4號房間的火源，實際滅火時間大約為8s左右，接近于國內領先水平，其余房間實際滅火時間均在6.9s以下。實驗表明采用門口檢測策略的滅火機器人較采用其他一般算法的機器人滅火時間大大縮短，而且性能穩定可靠。

4 結論

依據國際滅火比賽的規則，設計了基于門口檢測策略的滅火機器人。在已有機器人上對各種傳感器進行合理、科學的分布，實現火源的門口檢測，實現快速避障、尋火、滅火及回家操作。實驗表明采用門口檢測策略的機器人滅火速度快，大大提高了滅火成績。

[1]張英. 機器人滅火的設計方案[J]. 西安郵電學院學報.2006,11(3):100-112

[2]鮑禹，等. 基于MSP430控制芯片的滅火機器人的設計[J]. 2007(3):24-27

[3]肖海榮，等. 比賽用滅火機器人設計與實現[J].微計算機信息.2007,(2):283-285

[4]李小燕，等. 智能滅火機器人的設計與實現[J].電子設計工程.2010,(3):51-54

According to the race rules for fire-fighting robot, this paper designs a fire-fighting robot based on door-detection strategy, and achieves door-detection function by distributing scientifically various different sensors based on existing robot in our school. It mainly realizes four modules such as obstacleavoidance, fire-searching, fire-extinguishing and back-home. Experiments show that this fireextinguishing strategy has shorter fire-extinguishing time.

機器人；滅火比賽；門口檢測

robot; fire-fighting race; door-detection

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.079