競賽用滅火機器人控制技術(shù)研究與實現(xiàn)

張博，劉傳武

競賽用滅火機器人控制技術(shù)研究與實現(xiàn)

張博，劉傳武

滅火機器人比賽場地中順利完成滅火任務(wù)，需要依靠一套穩(wěn)定、完善的搜尋火焰并有效熄滅火焰的路徑。該機器人采用C51單片機為主控芯片，結(jié)合使用步進電機和火焰?zhèn)鞲衅鱽砼袛嗷鹪次恢茫贸暡y距傳感器與直流電機完成機器人的行走和自動避障等功能。在控制算法上，采用“左右手定則”和無火不入房的策略，提高了尋找火源的效率。實際應(yīng)用表明，該機器人具有開放性好，快速、準(zhǔn)確滅火的良好性能。

滅火機器人；智能優(yōu)化；傳感器；控制算法

0 引言

機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度協(xié)同性的自動化機器。機器人技術(shù)涉及到機械運動學(xué)、動力學(xué)、控制工程、計算機科學(xué)、傳感器技術(shù)、信息處理、仿生學(xué)、人工智能等多個領(lǐng)域。機器人技術(shù)是一個國家科技水平的重要標(biāo)志和體現(xiàn)，它在社會生產(chǎn)的許多方面都得到了廣泛的應(yīng)用，近年來，隨著計算機的廣泛普及，機器人逐漸由工業(yè)生產(chǎn)走向人們的生活，如此廣泛的應(yīng)用使得提高全體國民對機器人的理解顯得尤為重要，普及機器人教育勢在必行。

為了普及機器人科學(xué)技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力，促進機器人技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了一系列的機器人競賽，機器人競賽是一種高技術(shù)對抗活動，它涉及人工智能、智能控制、機器人、通信、傳感器等多個領(lǐng)域的前沿研究和技術(shù)融合，集高技術(shù)、娛樂和比賽于一體，引起了社會的廣泛關(guān)注和極大興趣。

通過競賽有力地推動了大學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的提高，促進了大學(xué)實踐教學(xué)的改革，同時也為廣大學(xué)生提供了學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的舞臺，這對于進一步推動高校的機器人教育和學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)無疑是一個良好的開端。其中滅火比賽是開展范圍最廣、影響最大的機器人競賽項目之一。滅火策略算法作為滅火機器人工作時的大腦判斷智商，在以往的實際比賽中已經(jīng)表現(xiàn)為主導(dǎo)因素。針對這種狀況，本文對最近兩年內(nèi)作者參加中國教育機器人滅火比賽的策略算法進行分析研究，使得滅火機器人在滅火效率得到了明顯的提高。

1 總體設(shè)計思路

通過對比賽規(guī)則的分析（用蠟燭模擬火源，隨機分布在場地中，要求在最短的時間內(nèi)找到火源并將其撲滅），在最短的時間內(nèi)完成比賽所規(guī)定的任務(wù)為勝，對機器人完成整個動作要求做如下設(shè)計：機器人在直流電機的驅(qū)動下完成前后及轉(zhuǎn)彎等動作；在運動的過程中利用超聲波傳感器和循跡模塊實現(xiàn)自動避障[1,2]和房間定位功能；當(dāng)機器人定位火源的房間后，由直流電機和循跡模塊共同工作，驅(qū)動機器人運動至滅火位置，隨后通過驅(qū)動強力風(fēng)扇實現(xiàn)滅火任務(wù)；滅火完成后返回出發(fā)區(qū)域。

2 硬件平臺

滅火機器人硬件平臺[3]由C51+AVR 控制器、超聲波傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌鞲衅鏖_關(guān)和直流電機組成。滅火機器人控制平臺的架構(gòu)如圖1所示：

圖1 滅火機器人系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機

兩個連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機提供機器人移動所需的動力，使機器人能容易的實現(xiàn)前進、后退、轉(zhuǎn)向。連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機能正反兩個方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，不過其速度有限制，以致機器人不會移動的很快。

連續(xù)旋轉(zhuǎn)舵機使用前一定要調(diào)零，具體調(diào)零方式為：給舵機一個循環(huán)的脈沖，脈沖時間間隔為20ms，脈沖寬度為1.5ms。如果電機不動表示已經(jīng)調(diào)好零點；如果電機旋轉(zhuǎn)，則可用螺絲刀調(diào)節(jié)電機模塊內(nèi)的微調(diào)節(jié)電阻讓電機保持靜止為止；如果往一個方向調(diào)電機轉(zhuǎn)速加快，則反方向調(diào)。

2.2 超聲波傳感器

機器人系統(tǒng)的兩個超聲波傳感器分上下安裝，用來檢測接水路線上的障礙物或行人，并發(fā)出警示，以免撞到行人或撞壞機器人。

超聲波傳感器提供了精確的、非接觸式的距離測量，測量范圍從2cm到500cm，它非常方便與單片機連接，只需要兩個I/O口就可以控制。

2.3 火焰?zhèn)鞲衅?/p>

遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鱗4,5]可以用來探測火源或其它一些波長在760納米～1100納米范圍內(nèi)的熱源，其中紅外光波長在940納米附近時，其靈敏度達到最大。

使用時VCC接5V電源，GND接地，并將SIG1、SIG2接單片機I/O接口，輸出為0~5V電壓信號。通過單片機A/D采集讀取兩路模擬信號得到自身距火焰的距離，距離近輸出電壓低，距離遠輸出電壓高。引腳定義及功能如表1所示：

表1 引腳定義及功能

2.4 傳感器開關(guān)

開關(guān)傳感器常用于開關(guān)量的控制，用微處理器的I/O口直接驅(qū)動，控制一組傳感器的電源開關(guān)。

可以控制大電流電源的通斷，最大支持2A電流通過，可以作為外部用電模塊的電源總開關(guān)。或者使用于各種傳感器的掉電模式，不工作時直接控制使得傳感器進入掉電保護。引腳定義及功能如表2、表3所示：

表2 J1接口定義及功能表

表3 J2接口定義及功能表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)對比賽規(guī)則[6]的分析，決定采用“左右手定則”來實現(xiàn)對機器人路徑[7]的規(guī)劃。所謂左右手定則，就是根據(jù)比賽場地的實際地形分布，在某段時間內(nèi)遇到岔路口向左（右）運動，以后都向右（左）運動的方式。在比賽中采用先右后左的策略，在每個房間的門口檢測，如果發(fā)現(xiàn)火源，則進入房間滅火，滅火后再次利用火焰?zhèn)鞲衅鲗鹪礄z測以確定是否將火源撲滅，否則不進入該房間，繼續(xù)搜尋下一個房間。此外在機器人前進的過程中，由于某些原因（如控制電路的延時性、摩擦阻力不同、電機性能不同等）會導(dǎo)致左右兩側(cè)的直流電機不同步，致使機器人的運動路線產(chǎn)生偏移。在此需要設(shè)計前進位置偏移檢測程序來糾正機器人的位置偏差，主要原理是在前進過程中每隔很短的時間，利用超聲波測距傳感器對兩側(cè)距離進行檢測，若發(fā)現(xiàn)兩次檢測的距離不同，則對偏離方向進行計算，并反饋給處理器對機器人的位置進行調(diào)整。機器人控制流程如圖2所示：

圖2 滅火機器人控制流程圖

本機器人的智能優(yōu)化[10-13]目的是快速找到火源并將其撲滅之后安全回家，完成任務(wù)用時最短者獲勝。其中直線運動時位置調(diào)整次數(shù)、撞墻次數(shù)、房間搜尋安排、能否準(zhǔn)確定位火源位置等制約著比賽時間。

4 總結(jié)

滅火比賽的任務(wù)是盡快找到火源，并把它撲滅。成功滅火并且用時最短者獲勝。機器人滅火場地如圖3、圖4所示：

圖3 競賽用滅火機器人

圖4 標(biāo)準(zhǔn)滅火比賽場地

比賽用時長短的制約因素主要有：沿墻走直線時調(diào)整次數(shù)、碰墻次數(shù)、正確轉(zhuǎn)彎次數(shù)、找準(zhǔn)火源次數(shù)、成功滅火次數(shù)。沿墻走直線時調(diào)整次數(shù)越少，碰墻次數(shù)越少，所用時間越短；正確轉(zhuǎn)彎次數(shù)越多，找準(zhǔn)火源次數(shù)越多，成功滅火次數(shù)越多，所用時間越短。在標(biāo)準(zhǔn)滅火比賽場地（249cm*249cm）上，統(tǒng)計了10次比賽的一些數(shù)據(jù)，如表4所示：

表4 滅火比賽有關(guān)數(shù)據(jù)

通過實際測驗，該機器人性能穩(wěn)定，運行速度較快，能較好完成滅火任務(wù)并安全回家，具有一定的實用性。

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Study and Implementation of Control Technology of Fire-fighting Robots for Contest

Zhang Bo, Liu Chuanwu
(Electronic and Information Engineering, Changsha Normal University, Changsha 410100, China)

In order to complete fire-fighting tasks, firefighting robots need a stable fire-search path to effectively put out the flames. C51 single chip is adopted as control core for the system, combining with stepper motor and fire sensor to judge the fire location, then uses ultrasonic distance sensor with DC motor to complete automatic robot walking and walls etc. In terms of the control algorithm， the "left/right hand rule" and the strategy of “no fire， no entrance” are used to improve the efficiency of fire searching. Application shows the robot has many features such as openness, speediness and nicety.

Fire-fighting Robot; Intelligent Optimization; Sensor; Control Algorithm

TP242

A

1007-757X(2016)08-0021-03

2016.02.20）

湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目（No.2015607）；湖南省自然科學(xué)基金項目（No.2015JJ6007）；湖南省教育廳科學(xué)研究項目（No.15C0103）

張 博（1980-），男，長沙市人，碩士，講師，研究方向：模式識別、人工智能、圖像處理，長沙，410100

劉傳武（1995-），男，益陽市人，在校學(xué)生，研究方向：計算機控制技術(shù)，長沙，410100