智能滅火機器的設計與實現

(杭州職業技術學院信電系 浙江 杭州 310018)

引言

目前大多研究的滅火機器人是針對家庭環境下的。要想讓機器人在室內環境內自主完成火源的查找并消滅火源,就需要機器人能自動壁障，自動查找火源。為了能在未知或時變環境下實現自主行走和火焰定位功能，就需要多種傳感器協同工作,幫助智能滅火機器人準確而快速的完成任務。而多個傳感器在空間或時間上的冗余或互補信息依據某種準則來進行組合，擴展了單個傳感器的性能，不僅大幅提高了不同類型火災的靈敏度，還使可靠辨別真假火災的能力也得到提升。將多個傳感器中得到的信號，運用信息融合技術進行數據的融合，對多源數據和信息進行檢測、關聯、相關、估計和綜合等多級、多方面的處理，以得到精確的狀態和種類判定，達到測量和控制的目的即多傳感器信息融合技術。

一、系統工作原理及功能簡介

系統配有紅外線傳感器，超聲波傳感器，火焰傳感器，指南針傳感器等多種傳感器，多傳感器融合采用基于行為的運動模式發生器和模糊神經網絡信息融合技術來控制滅火機器人智能行為，提出了采用紅外傳感器和超聲波傳感器相結合來感知環境信息，完成障礙物信息的采集，并利用自適應加權融合算法實現數據融合。系統工作原理框圖如圖1.1所示。

圖1.1 系統工作原理框圖

二、各傳感檢測部分設計

(一)超聲波測距檢測部分設計

超聲波傳感器設計中采用超聲波傳感器來完成測距任務。其基本原理是:超聲波探頭發出超聲波,超聲波到達被測物體表面后反射回來,該脈沖信號又被探頭接受,記錄所需的度越時間,由介質中的聲速和度越時間即可求得傳感器和目標的距離。

(二)紅外避障檢測部分設計

紅外避障傳感器是一種集發射與接收于一體的光電傳感器，根據高頻調制的紅外線在待測距離上往返產生的相位移推算出光束度越時間△t從而根據DC△t/2計算出里待測物體的距離。這里選擇納英特公司的紅外避障傳感器，數字量輸出，不需要進行AD轉換，可直接連接單片機的IO口。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，額定工作電壓為5V,可以廣泛應用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。

圖2.1 紅外避障傳感器電路模塊引腳圖

如圖所示，本紅外避障傳感器引出三條接口線，分別對應VCC、GND、OUT。它的輸出狀態是0、1。即遇到障礙物時為低電平，沒有遇到障礙物時為高電平。將超聲波傳感器和紅外傳感器測得的距離信息和視覺傳感器獲得的障礙物的信息處理后進行分組，用BP神經網絡進行融合；BP神經網絡經過避障知識學習后作出相應的避障決策，控制機器人左右輪的運動，避開障礙物，防止碰撞。系統控制流程圖及機器人轉向選擇如下圖4.6、4.7所示。

(三)火焰檢測部分設計

火焰傳感器是機器人專門用來搜尋火源的傳感器。為了對火焰實現準確定位，我們采用多通道火焰傳感器,使用多個火焰傳感器協同感知的辦法，來判斷火源相對于機器人的位置。

在安裝時考慮檢測的角度,將傳感器安放在于火焰同高的水平面上。這些火焰傳感器分布在機器人的傳感器板的正前，正左，正右。火源傳感器能夠探測到波長在700納米-1000納米范圍內的紅外光，其中紅外光波長在880納米附近時的靈敏度達到最大。

圖3.2 多通道火焰傳感器原理圖

(四)控制主板設計

本次滅火機器人的主機控制模塊采用32位ARM內核的單片機，該控制器存儲容量大、運行速度快、外圍接口豐富、穩定可靠，支持C語言編程，方便編程。滿足設計所需的AD轉換、LCD液晶顯示、電機控制、按鈕控制等要求。該控制器采用3.3V供電，工作電流20mA以下，可謂是低功耗節能的控制器。為了精確定位機器人的行走方位，在設計時還安裝了指南針傳感器，方便機器人方位的確定。主機控制模塊原理圖如圖3.4所示。

圖3.4 主機控制模塊原理圖

三、系統軟件設

采用的控制算法主要包括避障算法、障礙物接觸判斷算法和步態調整算法。該機器人能夠嚴格按三角步態進行行走，實現諸如直線、轉彎、躲避障礙物、檢測火焰滅火等功能。

(一)家用滅火機器人系統總體流程

此部分是小車運行的核心部分，控制小車所有運行狀況。系統總體流程是：小車啟動后，由入口進入場地，能夠避開障礙物前進，一旦檢測到有火源，就由單片機控制啟動風扇，進行滅火。滅火完成后，返回原地。然后繼續前進，重復剛才的過程，直到小車達到出口處才表示結束本次任務。在此過程中，各個模塊彼此配合完成各自的任務。

四、總結

仿真實驗證明，該方法簡單可行各部分的設計以及各傳感器的使用都是經過多次比較多次試驗而確定的。歷時10s內完成滅火任務。設計中采用了嵌入式系統內核，大大提高了機器人處理信號的能力，采用了PWM信號控制大功率直流電機，在速度和精度方面有了很大的改進。多通道外火焰傳感器，很好地完成了對火源的精確定位任務，提高了滅火可靠性和快速性。

【參考文獻】

[1]黃睿，基于ARM的滅火機器設計，計算機時代[J]，2014,1月.

[2]廣茂達能力風暴智能機器人開發系統AS-UⅡ使用手冊[M]，2012.

[3]梁毓明,徐立鴻.移動機器人多傳感器測距系統研究與設計.計算機應用[J],2008,28(6).

[4]曹小松,唐鴻儒,楊炯.移動機器人多傳感器信息融合測距系統設計[J].自動化儀表,2009,(5):4-8.