基于單片機的輪式滅火機器人設計

馮世鑫，鄭闖

（1.太原技師學院，山西 太原 030021；2.沈陽職業技術學院汽車分院，遼寧 沈陽 110015）

隨著科學技術的不斷發展，機器人在工業生產和日常生活中應用越來越廣泛。輪式驅動的機器人作為比較常見的形式之一，屬于移動機器人的一類，具有運動效率高、穩定性強、可搭載性強、可擴展性強等一系列優點，在AGV、救援機器人、探測機器人等領域有著廣泛的實踐。在未來的機器人發展過程中，移動機器人將擁有廣闊的應用前景。本文設計的一款以單片機作為控制核心，能夠實現對某小型火場進行火源自動尋找和自動滅火的功能。

1 機器人整體結構設計

輪式滅火機器人以89S52為控制核心，在尋找火源的過程中以光電傳感器實現避障，同時通過紅外傳感器實現對火源的探測，當發現火源后，采用噴水系統作為滅火手段，以實現精準定位火場、高效實施滅火的功能。單片機作為常用的系統控制核心，具有體積小、成本低、可擴展性強、編程簡便等特點，適用于小型電子系統的開發與應用，故本系統選擇單片機為系統控制核心。火光中包含紅外線，故選用紅外傳感器作為火焰的檢測手段。在機器人移動中，會遇到障礙，選擇光電傳感器對障礙物進行檢測，當檢測到障礙時將信號傳送至單片機后，由單片機發出指令實現機器人的避障。

如圖1所示為輪式滅火機器人整體結構框圖。系統前向通道包含2類傳感器，即紅外傳感器和光電開關傳感器；后向通道包含2類執行器，分別是滅火系統執行器和直流減速電機。本系統中，運動功能是輪式機器人的關鍵功能之一，只有首先實現輪式機器人的運動功能，才能在此基礎上實現檢測、避障和滅火等功能。本設計選用雙減速電機作為輪式機器人的驅動方式。減速電機具有扭矩大的特點，在執行滅火和避障任務時具有一定的優勢。

圖1 輪式滅火機器人系統整體框圖

2 硬件電路設計

2.1 多路電源電路設計

系統多路電源模塊的功能是為輪式機器人中各個系統提供穩壓電源：光電開關傳感器供電電壓為+5V；紅外傳感器供電電壓為+5V；最小系統供電電壓為+5V；直流電機驅動供電電壓為+24V；小型噴水滅火系統供電電壓為+24V。輪式機器人選用額定電壓為24V、容量為10000mAh的鋰電池作為系統供電電源。

綜上可知，本系統的供電電壓基本分為兩類，即+24V和+5V。+24V供電部分采用鋰電池直接供電，其額定電壓為+24V，充滿電量后電壓小于+26V，滿足直流電機驅動和小型噴水滅火系統供電電壓范圍的要求，因此本部分不再做穩壓電路設計。而+5V電路選用穩壓電路實現，其電路原理圖如圖2所示。

其中，穩壓模塊選擇三端穩壓模塊LM7805，該模塊成本較低，輸入電壓大于+7.5V即可穩壓輸出+5V電壓，輸出電流可達1A，功率5W，足夠為傳感器和控制核心提供可靠穩定的電壓輸出。C1選用25V/1000μF電容；C2選用16V/1000μF電容，以防止負載突變時提供臨時電源輸出；C3和C4電容是防止三端穩壓芯片自激振蕩。D1是電源指示LED，選用紅色。通過該設計電路可以實現將額定電壓為24V的鋰電池輸入電壓穩壓為+5V，為傳感器和控制核心供電。

圖2 直流穩壓電源電路

2.2 系統整體電路接線設計

如圖3所示為輪式滅火機器人系統整體電路圖，其中，U3是系統控制核心AT89S52單片機，電路設計中包含其按鈕復位電路和晶體振蕩器電路，以構成最小系統電路；A1-A4位4個光電開關傳感器，作用是分布于輪式滅火機器人四周，以達到檢測障礙物的目的；A5和A6是紅外傳感器，目的是檢測環境內的火源；U4和U5是兩個電機驅動，控制電機部分分別與U6和U7兩個電機進行接線；U8是滅火系統裝置，該裝置內部集成控制繼電器等元件，與單片機I/O口直接接線，采用數字量控制，具有控制方便的特點，在使用時，只需單片機發出低電平控制指令，即進行噴水作業，反之單片機給出高電平指令，停止噴水作業。

3 軟件程序設計

3.1 PWM調速部分軟件設計

本系統中的2個電機驅動模塊采用PWM調速形式實現控制，PWM即脈沖寬度調制信號，具有調速穩定的特點。輪式機器人電機驅動部分，采用PWM調速，可以合理控制其運行節奏，控制電機速度時主要以采用占空比進行調節，占空比與輸出電壓成正比，即0%占空比對應速度0，即0V電壓；100%占空比對應全速，即24V電壓。在設計PWM軟件程序過程中，本設計采用定時中斷法，以單片機的I/O口為信號輸出端。電機控制頻率1kHz，定時中斷設置0.1ms。定時中斷初始化程序，這里不贅述；PWM核心程序語句中，pwm_i是中斷計數變量，IO_ZUO和IO_YOU是機器人兩側電機的占空比輸出變量。具體程序如下：

3.2 系統主程序流程設計

圖3 輪式滅火機器人系統整體電路圖

圖4 主程序流程圖

圖4所示為輪式滅火機器人主程序流程圖。將機器人防止在滅火區域內，然后將系統上電，完成系統初始化工作，包括定時中斷初始化、傳感器自檢、滅火系統自檢和驅動自檢等。自檢完畢后發出自檢結束信號，隨后自動運行至活在區域內，開始巡航搜索火源。在搜索過程中，當輪式機器人四周的光電傳感器檢測到有障礙物時，輪式機器人選擇合理避障。在遇到疑似火源后，輪式機器人在保持自身安全的距離內，將對準火源，執行滅火指令，直至該處火源成功消滅。當完成一處火源滅火后，繼續進行巡航并搜索火源，直至將整個區域內的火源消滅。

3.3 巡航路徑規劃

在未知區域內進行滅火時，由于地勢情況復雜、火源位置未知，為了提高滅火效率，必須進行合理的路巡航徑規劃，達到以最短時間內消滅所有火源的目的。本設計路徑規劃的方法是：通過行走距離的測算和光電傳感器檢測的反饋，對每次行走的位置進行記錄和分析，在下一次運行時，避免走過無火患路線，從而提高運行效率。

4 結語

本文設計了一款以單片機為控制核心的輪式滅火機器人，通過系統整體方案設計、硬件電路設計和軟件程序設計，闡述了輪式滅火機器人基本功能的設計和實現方法，初步實現了機器人的運動功能、對障礙物的檢測識別功能、對火源的檢測識別功能和滅火功能。在今后的實踐過程中，為了完善機器人功能，可以加入若干傳感器（如攝像頭傳感器），從而豐富機器人的檢測手段，提高滅火效率。同時加入位置傳感器和SD卡記錄模塊，通過wifi模塊和手持儀器進行通信，從而繪制出火場情況，傳輸火場圖像，豐富救援手段。可見，輪式滅火機器人在未來的發展中，將具有更廣闊的發展空間和應用價值。

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