循跡滅火小車實驗項目開發與實踐

廖 斌 李明楓 陸佳琪 曾歡慶 黃海蘭

（桂林電子科技大學<機電工程學院>，廣西 桂林541004）

0 引言

復旦共識、天大行動和北京指南，著重解讀了新工科的培養模式的創新，探索多學科融合的培養模式[1-3]。機械電子工程是機械工程的二級學科，專業培養模式必須緊密結合新工科內涵。而計算機技術、電子技術、傳感器技術、信息變換技術是機械電子技術可融合的重要技術。現代科技發展迅速，各類傳感器應用廣泛，在培養學生動手能力時，通過添加各類傳感器，既為了達到預想的功能目的，也大大增加了學生對機械電子相關技術的興趣，同時，這也是機械電子專業教育的發展方向[4-5]。

1 實驗設計方案

本研究實驗功能要求滿足多功能控制，直流減速電機作為循跡小車移動的主要動力，設計其小車底盤、電機座、循跡模塊安裝支架；由灰度傳感器、火焰識別傳感器、超聲測距傳感器、藍牙導航傳感器作為周圍環境的識別感知配合繼電器使用，運動控制使用PID自動控制算法，從而達到循跡滅火的功能。在硬件主控板中，微控制器的作用是控制各傳感器協調工作，指揮各項功能的作用，電源電路用于整個小車系統的供電，電機驅動電路主要是驅動動力源，繼電器起到保持與觸發的目的。圖1所示為實驗設計方案。

2 機械硬件部分設計

循跡滅火小車實驗臺的機械結構在滿足小車運動所需條件的前提下，還要能夠支撐各功能模塊，比如電機、輪子、火焰識別模塊、滅火風扇、舵機等；整體小車采用前驅單輪驅動結構帶動后輪從動輪運動。

主控板中微控制器選用STM32F103VET6，該控制器自帶定時器，具有80個I/O口，完全可以實現灰度循跡和火焰識別檢測的AD數據實時采集。選擇JGB37-520D帶編碼直流減速電機，具有自帶AB相編碼器，可實現精準速度控制，滿足循跡滅火小車對速度和力矩的要求，作為小車動力來源。選擇特制的灰度傳感器作為循跡模塊，不同位置的聚光LED燈影響光敏二極管兩端的電壓，得到不同的電壓模擬量，進而得到更精確的灰度信息，這樣便可以準確把握前進方向。選擇火焰識別傳感器模塊，利用紅外線接收器捕捉敏感度高的特定波長的方法，實現火焰識別。測距傳感器選用HC-SR04超聲波模塊，計算聲波發出與接收時間的差值得到準確距離[6]。實驗裝置機械結構如圖2所示。

圖1 實驗設計方案

3 編程設計與調試

循跡滅火小車實驗臺的編程環境采用MDK環境，以模塊化與結構化雙模塊為編程思路，為方便主程序調用及以后功能移植，每模塊的初始化和功能性程序均采用獨立的C文件和頭文件進行。

3.1 循跡及火焰識別功能程序設計

循跡及火焰識別功能原理相似，均使用模擬量均值進行判斷；分別使用模擬量讀取引腳進行STN32的ADC外設初始化和DMA控制器進行模擬量讀取。為了模擬量數據更加穩定，通過添加硬件電容濾波并使用軟件算法平均濾波法，對這一模擬量采集多次并取其均值，進而得到準確的數據模擬量。

圖2 實驗裝置機械結構圖

3.2 自動避障功能程序設計

自動避障功能的實現原理是通過超聲波測量障礙物到小車的距離，控制小車規避障礙物的動作。超聲波模塊與舵機相連，直接改變小車運動方向，且可測量180°范圍內的距離，保證前進方向不存在盲點。

3.3 藍牙導航功能程序設計

藍牙導航是通過不同的指令代碼執行不同的操作，藍牙模塊接收手機App發送的指令進而實現手機對循跡滅火小車的導航遙控功能。導航App可搜索并連接藍牙，支持小車五種工作模式的切換（自動循跡滅火功能、自動滅火功能、自動循跡功能、自動避障功能、導航控制功能）；遙控滅火風扇啟停及5模式控制循跡小車前后。左右行走的功能。

4 PID控制程序

由于灰度傳感器的多探頭輸出模擬量數值存在偏差（同灰度，同距離，不同探頭輸出的模擬量存在差異），需將數據進行歸一化處理，將模擬量范圍轉化為0～1之間。歸一化就是得到五個探頭與灰度線的相對距離，用加權平均的方法將五個模擬量變成距離偏差值。為使得傳感器的檢測效果最好，需要傳感器的灰度線和高度滿足灰度線寬應等于或略小于探頭的間距。高度為灰度線在兩探頭正中時，探頭最好均能識別到灰度線。通過調整傳感器輸出模擬量與理想模擬量的值做差后的偏差，統計每次偏差的累計，計算臨近偏差值大小，使得小車得到更好的控制效果。

5 功能測試實驗

通過已經設置好的實驗環境（循跡區域加滅火區域），可對小車進行循跡滅火實驗（如圖3），實驗相關數據如表1中所示，實驗共進行了五次，小車均能夠完美實現期望功能。

圖3 循跡滅火實驗

6 結語

總結上述工作，循跡滅火小車實驗平臺的預期功能得到了實現，既提供了整體結構進行象征性滅火，證明了硬件組合的可行性，也實現了躲避障礙物，充分說明了設計方案對實體現場的指導性意義。同時，作為機電結合的實驗項目，增加功能傳感器，成功將灰度線循跡、火焰識別、避障功能、單片機控制、自動控制算法等多模塊控制于一身，讓學生的動手能力得到充分的鍛煉。相信依據這樣的培養模式一定可以讓學生更快適應時代技術的變革，成為更加優秀的人才。

表1 循跡滅火實驗