基于Arduino控制器的智能滅火救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)

閆旭　吳穎建　齊瑞紅

【摘要】近年來火災(zāi)事故頻頻發(fā)生，為減少當(dāng)中的人員傷亡，本文設(shè)計(jì)一款基于Arduino控制器的智能機(jī)器人代替人類實(shí)施滅火救援任務(wù)。本系統(tǒng)包含Arduino UNO的主控板、超聲波模塊、紅外模塊和攝像投等，并配置WiFi模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)無線控制。經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，靈敏度高，實(shí)用性強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】救援機(jī)器人? Arduino? 消防控制

引言：由于機(jī)器人本身的智能性、靈活性以及可再生性，機(jī)器人已經(jīng)逐漸應(yīng)用于各行各業(yè)。面對(duì)無情的火災(zāi)，消防官兵無法預(yù)測(cè)事故現(xiàn)場(chǎng)，貿(mào)然進(jìn)入難免造成人員傷亡。因此，應(yīng)用智能機(jī)器人代替人類實(shí)施滅火救援任務(wù)是很好的選擇。縱觀消防救援機(jī)器人的發(fā)展，從最初的完全由程序控制的反應(yīng)比較機(jī)械的救援機(jī)器人到現(xiàn)在的具有感應(yīng)和反饋功能的消防機(jī)器人，消防機(jī)器人功能越來越復(fù)雜，也越來越智能化。然而當(dāng)前的消防機(jī)器人在自動(dòng)檢測(cè)方面還存在一定的缺陷，本文通過PWM的方式控制兩個(gè)舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)二自由度舵機(jī)的控制，利用超聲波測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，并使用Arduino單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和車體的控制。整個(gè)系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)到前方一定距離的火源并自行前往實(shí)施滅火任務(wù)。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以Arduino UNO R3主板和Robot-LinkV4.0 WIFI模塊為核心，以智能機(jī)器人為運(yùn)動(dòng)主體結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)的，通過手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備或者PC端作為控制終端，經(jīng)過WIFI傳輸指令來控制機(jī)器人的運(yùn)行，并擁有紅外傳感器和超聲波測(cè)距模塊來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在尋跡、測(cè)距、滅火，機(jī)器人在移動(dòng)過程中通過攝像頭采集畫面，由WIFI信道傳遞到控制端，操作人員可以根據(jù)機(jī)器人返還的畫面來控制機(jī)器人的行動(dòng)。系統(tǒng)主要包括電源模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，傳感器模塊，視頻采集模塊，WIFI傳輸模塊以及其他模塊，如圖1所示。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）電源模塊

電源所使用的的帶大電流保護(hù)板的18650鋰電池組，使用標(biāo)準(zhǔn)的5.5mm*2.1mm的圓形接口。經(jīng)過下位機(jī)驅(qū)動(dòng)板上的總開關(guān)后，給整個(gè)系統(tǒng)供電。①經(jīng)過大電容濾波后，直接電池電壓。給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片供電，去驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)。②經(jīng)過DC-DC降壓為5V，給舵機(jī)供電。經(jīng)過DC-DC降壓為5V后，給WIFI模塊、攝像頭供電。③經(jīng)過其他穩(wěn)壓芯片后，提供合適電壓給芯片、傳感器。

（二）WIFI模塊

WIFI模塊通過采集掛載在USB接口的MJPG格式的攝像頭的數(shù)據(jù)，并編碼封裝成http協(xié)議的視頻流，默認(rèn)推送到8080端口。Android/IOS/PC設(shè)備，連接到WIFI模塊的熱點(diǎn)后，打開控制軟件，會(huì)自動(dòng)從8080端口獲取MJPG視頻流，并進(jìn)行解碼、顯示。由此實(shí)現(xiàn)了WIFI只能機(jī)器人的實(shí)時(shí)視頻傳輸功能。

此外，XRbot-Link WIFI模塊固件內(nèi)置了ser2net應(yīng)用程序，在WIFI模塊啟動(dòng)后，開啟TVP Sever，并開始監(jiān)聽2001端口，等待客戶端連接。當(dāng)Androd/IOS/PC設(shè)備連接到WIFI模塊的熱點(diǎn)后，打開控制軟件，開始作為TCP Client，通過2001端口，跟TVP Sever握手。此時(shí)，上位機(jī)控制軟件既可以Write觸發(fā)的指令到2001端口，經(jīng)由Ser2net推送到WIFI的TTL硬件串口，再對(duì)下位機(jī)驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行指令解析、執(zhí)行;也可以持續(xù)Read由下位機(jī)驅(qū)動(dòng)板通過串口發(fā)給WIFI模塊后，被ser2net程序轉(zhuǎn)發(fā)到2001端口的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示。

（三）PWM舵機(jī)控制

舵機(jī)由脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulatio， PWM）來控制角度，PWM的高電平時(shí)間0.5-2.5mms對(duì)應(yīng)舵機(jī)的0-180°。脈沖寬度和舵機(jī)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

舵機(jī)分為數(shù)字舵機(jī)和模擬舵機(jī)。模擬舵機(jī)需要持續(xù)的PWM來驅(qū)動(dòng)，而數(shù)字舵機(jī)只需要給一次角度就可以穩(wěn)定在這個(gè)角度。

（四）傳感器模塊

此模塊主要有超聲波模塊和紅外傳感器。超聲波模塊采用的時(shí)間差測(cè)距法，通過超聲波發(fā)射器向前方發(fā)射40KHz超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播時(shí)碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。聲音在空氣中的傳播速度為v，而根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的發(fā)射和接收回波的時(shí)間差Δt，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離s，即：

S=v*Δt/2

以上算出來的距離單位是米，代碼中一般使用厘米，所以會(huì)在結(jié)果上乘以100。

紅外傳感器部分通過紅外線照射到物體表面后發(fā)生反射，紅外接收頭在接收到反射回來的紅外光信號(hào)后，會(huì)改變自身電阻，當(dāng)反射線強(qiáng)度大到一定程序，電阻低于設(shè)定值，會(huì)觸發(fā)比較器狀態(tài)變化，輸出低電平，在我們看來就是檢測(cè)到障礙物了。

（五）電機(jī)模塊

電機(jī)就是一種將電能與機(jī)械能想換轉(zhuǎn)換的電磁機(jī)械裝置，一般有兩種應(yīng)用形式：

第一種是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，稱之為電動(dòng)機(jī);第二種把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，稱之為發(fā)電機(jī)。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和電流方向有關(guān)，當(dāng)電流從正->負(fù)時(shí)，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);兩邊同時(shí)正轉(zhuǎn)2，前進(jìn);同時(shí)反轉(zhuǎn)，后退;左正右反，原地右轉(zhuǎn);反之，原地左轉(zhuǎn)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）開發(fā)環(huán)境

本程序在Arduino IDE的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)與調(diào)試，采用Arduino代碼編寫程序。Arduino ide是一款專業(yè)的Arduino開發(fā)工具，主要用于Arduino程序的編寫和開發(fā)，擁有開放源代碼的電路圖設(shè)計(jì)、支持ISP在線燒，同時(shí)支持Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing等多種程序兼容的特點(diǎn)。

（二）整體調(diào)試

通電后，程序開始初始化，舵機(jī)寫入角度，超聲波傳感器開始運(yùn)行，當(dāng)檢測(cè)到前方出現(xiàn)物體時(shí)，會(huì)反饋給操作端，并下達(dá)指令滅火。

四、總結(jié)

本文以Arduino為核心控制板，設(shè)計(jì)了一種能進(jìn)行自動(dòng)滅火救援的智能機(jī)器人，完成了硬件和軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了距離判斷和進(jìn)行滅火的功能。試驗(yàn)結(jié)果良好。在現(xiàn)代救援過程中具有很高的實(shí)用性。

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基金項(xiàng)目：北京聯(lián)合大學(xué)“啟明星”大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（201911417SJ105）

作者簡(jiǎn)介：閆旭（1997-），男，北京人，主要研究方向電子系統(tǒng)設(shè)計(jì);*通訊作者：齊瑞紅 （1974-），女，河南周口市人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和智能教學(xué)系統(tǒng)管理。