智能滅火機器人自動避障和火焰搜索的設計方案

盛彬++喬棟

摘 要智能滅火機器人在實際中的工作需要系統的合作，本文主要對智能滅火機器人的火焰搜索和自動避障進行了分析，分析的角度從軟件和硬件兩個方面入手。本文對智能滅火機器人兩個系統的分析采用了實例分析的方法進行，通過實驗表明火焰搜索系統以及自動避障系統都能夠很好的實現系統功能。

【關鍵詞】智能滅火機器人 自動避障 火焰搜索 設計方案

微電子與人工智能技術的發展讓我們的生活發生了很大的改變，尤其是智能機器人的出現更是大大提高了生產力，代替了人類進行很多人類難以完成的工作。滅火智能機器人一直是人們討論的話題，如果滅火機器人能夠順利完成，那么滅火作業就可以用機器人代替消防隊員進行作業。本文的研究主要從軟件和硬件兩個方面入手并進行了相關的實驗進行驗證，通過驗證證明了滅火智能機器人問世的可能性。

1 滅火智能機器人系統設計分析

智能滅火機器人運用四驅小車主體結構，通過轉動四個輪子控制速度，進而對小車前進速度與后退速度進行控制。將紅外避障傳感器安裝在車體中間，一旦距離墻壁較近，就能及時轉彎，避免撞墻，充分發揮滅火機器人的防撞墻作用。同時，將舵機控制的機械手臂、超聲波模塊安裝在車身上，一旦有障礙物，可使用機械手臂將障礙物清除，在小車前方裝有火焰傳感器，能實現多角度、全方面的尋找火焰信號，并將信號傳送給控制模塊，由控制模塊對機器人的動作進行控制，在達到火源邊緣后，傳感器把信號傳輸給控制模塊，并將滅火程序啟動，小車使用一系列滅火方式，在最短的時間內完成滅火任務。同時還要在機器人身上安裝一個全方位的攝像頭，這樣就可以將現場的實際情況馬上進行傳輸，通過使用NRF2401無線模塊讓智能滅火機器人實現遠程控制，讓遠離火災現場的技術人員可以通過遠程控制對智能滅火機器人進行控制。

2 智能滅火機器人的系統硬件介紹

2.1 控制模塊功能

智能滅火機器人系統硬件中的控制模塊主要由電源模塊、風扇模塊、直流電機驅動模塊、傳感器模塊、STM32F411RE等具體的模塊構成，具體框架如圖1。在智能滅火機器人上安裝的傳感器要求有采集環境信息的功能，因此對傳感器的要求較高，故本設計在進行傳感器選擇的時候也充分考慮到了這一點，因此選用性能較好的STM32F411RE芯片。STM32F411RE芯片的CPU頻率最高可以達到84MHz，主要優點包括實時性強、可靠性高、功耗低、速度快等。

2.2 電機驅動模塊功能

滅火機器人車身電機使用L298N芯片驅動，在控制模塊下，輸出四路PWM信號驅動L298N，并改變PWM脈沖占空比，對車輪轉速進行調節，控制機器人的前進和后退。

2.3 無線模塊功能

通過NRF24L01無線模塊，可對滅火機器人實現遠程操控。NRF24L01無線模塊與SPI和外部MCU通信，最高工作效率可達2Mbps，其抗干擾能力強、可選頻道多，滿足調頻與多點通信實際需要。同時，還能設置自動應答，保證穩定傳輸數據。

2.4 紅外測距傳感器功能

紅外測距傳感器一般用在障礙物檢測，避免滅火機器人撞到墻面。本文中的設計運用光電式紅外傳感器E18-D80NK，此紅外測距傳感器是一種數字式傳感器，集紅外發射模塊與紅外接收模塊于一身，4cm～85cm范圍為有效檢測范圍。

2.5 火焰傳感器功能

火焰傳感器是一種模擬傳感器，能夠將已經檢測的熱源信號轉變成機器人可有效識別的信號，具有信號輸出指示作用。800納米-1100納米范圍內的熱源，火焰傳感器都能檢測到。其中在紅外波長在1000納米附近時，其靈敏度會很大，約有60度的探測角，正好符合檢測火焰的指標。機械臂由兩個舵機控制，在兩個舵機作用下，可實現準確抓取障礙物，進而為機器然準確行走、障礙物清除奠定基礎。

2.6 電源模塊功能

在開關電源作用下，為系統提供出12V電壓，以達到最小系統板塊要求。在遠程控制過程中，系統利用鋰電池充電運行，確保能夠遠程控制滅火機器人。同時，電源模塊可利用太陽能電池板方式，確保能夠使滅火機器人自動執行充電功能。

2.7 攝像頭模塊功能

攝像頭模塊利用Wi-Fi攝像頭，由滅火機器人電源模塊負責供電，在連接網絡的狀況下，實現滅火機器人和計算機主控端實時通信，在計算機主控端界面上就能夠看到滅火機器人的情況，即實現遠程觀看攝像頭記錄的圖像，并利用手持控制器，對滅火機器人遠程控制。

3 軟件的設計部分以及系統測試

智能滅火機器人的軟件部分設計分為若干個模塊進行的整體設計。智能滅火機器人的開機模塊使用的是自動啟動程序，啟動完成之后要用手動按鍵的方式選擇是否需要進入無線模式，無線模式下按鍵就可以控制智能滅火機器人的走動比如：右轉控制、左轉控制、后退控制、前進控制等，如果在前進的過程中遇到障礙物可以通過操作將障礙物夾起進行道路清理。自動模式下智能滅火機器人會自動判定自身周圍是否有火源出現，如果沒有火源機器人就會自動前進去尋找火源，在這個過程中如果遇到障礙物就會自動進行清理，然后繼續尋找火源，直到找到火源之后機器人會選擇噴水、風扇滅火等方式進行滅火。軟件設計和硬件設計全部完成之后就要進行整體的系統測試。測試時首先需要驗證的就是無限模式能否正常運行，測試時通過控制端對機器人進行后退、前進、清除障礙物、滅火等實際行動的控制。其次是自動模式的測試，自動模式的測試比較簡單，只要直接開啟即可，通過測試驗證了智能滅火機器人的各個系統，能夠較好的完成預定的任務。

4 總結

本文對于智能滅火機器人的探討是在STM32F411RE控制器的基礎上進行的，并具體從軟件和硬件兩個方面進行了詳細的介紹，通過實驗的方式對火焰搜索系統和自動避障系統都進行了驗證，通過驗證得到了可以完成智能滅火機器人的結論，智能滅火機器人的應用勢必會引起廣大的關注，成功引入到消防領域后會解決很多以前難以解決的難題。

參考文獻

[1]龍桂鈴.基于單片機的智能車避障的實現[J].計算機與數字工程，2011（03）：65-66.

[2]張軍.基于改進紅外避障法智能移動機器人導航[J].機器人技術，2010（07）：82-83.

作者簡介

盛彬（1986-），女，漢族，遼寧省丹東市人。碩士研究生，助教。研究方向為控制工程、電氣工程。

作者單位

山西大同大學 山西省大同市 037009