基于多傳感器的智能自主滅火機器人的設計

賈 佳

（西安航空職業技術學院 人工智能學院，西安710089）

機器人運動控制可分為基于傳感器的系統和基于視覺的系統兩類?；趥鞲衅鞯南到y利用來自不同傳感器的反饋進行控制，如障礙物傳感器、紅外傳感器、火焰傳感器等[1]。而基于視覺的系統采用攝像機和圖像處理技術尋找到目標位置[2]。

將消防機器人被設計成無人駕駛的地面車輛，用于搜尋火源和滅火，但很少有機器人車輛能撲滅家庭火災和森林火災。在火災探測功能系統中，智能系統是最重要的系統之一[3]。安全和消防高級機器人具有探測火源和滅火的高性能。新型火災探測器利用圖像處理和設備控制算法來快速準確地探測火災[4]。

目前，公路和鐵路隧道的安全問題被認為與火災有關的風險更大的情況下，該機器人系統可以安裝在現有隧道上，而無需對現有的基礎設施進行大規模改造[5]。在此設計開發了一種新型自主消防機器人，該機器人通過傳感器探測房間中的火焰（燃燒的蠟燭），然后熄滅火焰，并返回到起始位置。

1 系統設計

在此所設計構造的一款能夠感知火源并滅火的機器人，實現了環境傳感、比例電機控制的概念。該機器人使用微控制器（Arduino）處理來自各傳感器和關鍵硬件元器件的信息。紫外線傳感器/熱敏電阻/火焰傳感器用于火焰的初始檢測。一旦探測到火焰，機器人就會借助于所提供的蜂鳴器報警；機器人啟動電子閥門，向火焰噴水。

該系統的研究主要建造了增加消防安全的機器人；設計了無需人工的火災監測系統；開發出一種系統——能夠穿越競技場，而不用擔心吸入煙霧或被燒傷；構建一個減少穿越有潛在火災區域所需時間的系統；提出能控制人類無法到達的極端地方的火災的系統。

該系統使用了3 個火焰傳感器，根據火焰的顏色探測火情，其中1 個火焰傳感器安裝在機器人的前面，另外2 個固定在機器人的左右兩側。機器人由2 個伺服電機來驅動，向左、向右、向上和向后移動。機器人使用2 個超聲波傳感器，有助于避免任何障礙或干擾。

機器人最初處于停止狀態。當它通過藍牙接收到信號時，微控制器控制伺服電機驅動機器人向前、向后、向左、向右移動，該電機產生足夠的扭矩以足夠大的速度操縱機器人。該智能自主滅火機器人上安裝有蜂鳴器、發光二極管。一旦火焰傳感器檢測到熱量，就會向微控制器發送信號，并打開蜂鳴器和發光二極管，向人們發出火災警報。當機器人到達一個特定區域時，會使用3 個火焰傳感器自動探測火災。如果該區域有火情存在，微控制器會控制水噴嘴向火焰上方移動。其間，發光二極管一直閃爍，直至機器人控制了火勢。當機器人接近火源時，蜂鳴器打開，在電機的驅動下機器人向火焰噴水，同時在伺服電機996R 的驅動下，機器人以有效的滅火方式旋轉機器人的消防水道[6-8]。

2 機器人設計與開發

該機器人設計包含了構建消防機制的重要組成——多種傳感器、電氣開關、電源、DC 電機驅動器和DC 電機。因此，該消防機制中最重要的是微控制器。各組成部分通過微控制器協調成為一個單一完整的系統[9]，整個系統的框圖如圖1 所示。

圖1 系統整體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

如圖可見，微控制器協調所有傳感器（如超聲波和火焰傳感器）與制動器（如電機和泵）之間的關系。2 個DC 電機對應于機器人的2 個輪子；全球移動通信系統模塊準確預測機器人的位置；藍牙HC-05用于與機器人進行有效通信；超聲波傳感器有助于避開障礙物，火焰傳感器用于探測火災；電機、泵驅動板分別用于控制電機和泵。自主消防機器人的原型如圖2 所示。

圖2 自主消防機器人Fig.2 Autonomous fire fighting robot

3 系統硬件設計

3.1 Arduino MEGA 2560 開發板

該設計使用Arduino 開發板，因其可以靈活地轉移程序[10-11]。Arduino 有54 個數字輸入/輸出端口，還有16 MHz 的晶振，還有一個連接Arduino 和筆記本電腦的區域，可以直接放置在提供的功能中。根據研究的任務要求，利用通用串行總線電纜將Arduino 連接到個人電腦來對其進行編程。集成開發環境為Arduino 使用的C 語言。

3.2 火焰傳感器模塊

火焰傳感器識別熱量并向微控制器報警，該傳感器基于顏色有效工作。為避免傳感器受損，機器人不應距離火源太近。有一個電位計調節裝置的靈敏度。模塊的主要組成是探測火災的單元和具有數字輸出的比較器。探測火災的單元作用是向微控制器發送模擬信號。

3.3 超聲波傳感器模塊

一般來說，人可以聽到約20 Hz～20 kHz 的聲音頻率，在此采用超聲波傳感器來接收超聲波信號。其工作原理有點像測量設備，通過讀取回波值，來確定距離。

3.4 全球移動通信系統模塊

全球移動通信系統模塊/GSM 模塊是一個芯片門，用于在移動設備或機器與全球移動通信系統或全球移動通信系統之間建立通信。電子設備（調制解調器）是一個重要的部分，它通常根據需要，主要是通過微控制器或與計算機接口。全球移動通信系統電子設備在交易終端、保護程序、氣候站中包含大量的選擇包。

3.5 藍牙模塊

藍牙是一種短距離無線通信技術。在此采用了HC-05 模塊，直接使用藍牙SSP（串行端口協議），設計用于無線串行連接設置。

3.6 伺服電機

伺服電機通常在某些方面如移動機器人、無人駕駛船只或無人駕駛汽車等得到應用。伺服系統的目標尺寸從微型到工業功能的大型。通過使伺服系統產生編碼信號，定位輸出軸的特定角度位置。伺服系統在無線電管理發光二極管飛機中，被用來定位控制表面，就像升降舵和方向舵一樣。

3.7 DC 水泵

DC 電池驅動的水泵使用來自電機、 電池或替代能源的電力。電水泵通常需要6，12，24，32 V 的DC 電能；太陽能DC 水泵使用帶有星形電池的PV太陽能面板，一旦暴露在日光下就能發電。

4 軟件整體設計

系統的整體操作流程如圖3 所示。由圖可見，首先尋找藍牙信號。找到藍牙命令后，微控制器開始監控超聲波傳感器，以避開障礙物，此外還監控火焰傳感器以探測火情。如果超聲波傳感器檢測到障礙物，則機器人向后移動預定時間t，該時間值可手動設置。然后機器人再開始移動。與此同時，火焰傳感器一直尋找火焰，如果傳感器檢測到火焰，則微控制器立即啟動警報并向相關部門報警。機器人向火焰移動，在安全距離內停下，啟動水泵，向火焰噴水一段預定的時間。如果傳感器仍探測到火焰，則繼續運行水泵，直至火焰完全熄滅。

圖3 系統流程Fig.3 System flow chart

5 測試分析

Arduino 火焰傳感器為電壓敏感型傳感器，輸入電壓為0～5 V。在Arduino 串行監視器讀數中，這些電壓變為模擬讀數（0～1023）。當火焰傳感器識別到火焰時，獲得模擬輸出的變化。該傳感器在不同的白天有不同的靈敏度，因此機器人的性能隨時間變化。當機器人靠近火源時，火焰傳感器也會對溫度變化做出反應，并改變模擬輸出。該設計的主要目的是在有或無火源情況下，在不同的白天時間和不同的距離檢測火焰傳感器的靈敏度，并觀察火焰傳感器的響應。通過這種方式，研究了消防機器人一天中最好和最壞的靈敏度變化情況。

5.1 測試流程

為檢驗在不同白天時間和離火源不同距離時Arduino 火焰傳感器的靈敏度，在此進行了測試。在距離Arduino 火焰傳感器的不同位置上，放置一支蠟燭進行不同測試。在串行監視器模擬輸出端獲得的最佳穩定讀數是在距離火源1 m 處。在該位置上，在不同的白天，以0.5 h 為時間間隔，在有或無火源情況下獲取讀數。當火焰傳感器探測到火情時，機器人開始向火源方向移動。每行進1 m 記錄一次讀數。當機器人靠近火源時，溫度上升，火焰傳感器的輸出也發生變化，記錄下輸出的變化。一天的平均溫度為26 ℃。

5.2 測試1 及其結果

在沒有任何火的情況下，測試Arduino 火焰傳感器在白天和晚上的靈敏度，機器人在距離火源1 m處分別進行測試，測試結果如圖4 所示。

圖4 火焰傳感器靈敏度的影響Fig.4 Influence of sensitivity of flame sensor

由圖4（a）可見，在7：00 時，無論有無火源，傳感器都會給出較高的輸出；隨著時間的推移，讀數不斷下降，這是因為陽光中存在紅外線的緣故。將近12：00—13：00 時，陽光的強度達到一天中的最高值，火焰傳感器對增加的紅外線也做出響應。因此，無論有無火源，其輸出值均為一天中這一時候最低的。在15：00 以后，太陽的強度開始減弱，結果輸出讀數開始增加；當太陽落山時，它在一天結束時達到最大值。

由圖4（b）可見，在有火源和無火源的情況下，整個夜晚的讀數變化不大。由于在23：00—3：00 時間段不存在太陽的影響，無火源的輸出讀數最高，有火源的輸出讀數最低，這2 個讀數之差在晚上的這個時候最大。該時間范圍為正確區分火源和正常情況提供了最顯著的差別。因此這一期間內火焰傳感器探測到的火情是毋庸置疑的。

5.3 測試2 及其結果

機器人向火移動時，火焰傳感器輸出值的變化。當機器人探測到火源并開始向火源移動時，火焰傳感器在10：00 和22：00 時刻的輸出結果如圖5所示。

圖5 機器人開始移動時火焰傳感器輸出的變化Fig.5 Changes in output of flame sensor when robot begins to move

由圖可見，當機器人開始向信號源移動時，模擬輸出會因為信號源強度的增加而降低。在距離火源最遠的地方，22：00 的讀數高于10：00；22：00 的讀數比10：00 的讀數下降得更快。這是因為在10：00 的時候來自太陽的紅外線干擾了傳感器的模擬讀數。但是，發現在離火源可能的安全距離附近，白天和晚上的讀數幾乎相同，這是因為火源的影響成為主導因素。另外，在離火源較近的地方，圖中2 種情況下的曲線變得同樣陡峭，因為紅外線隨著光源強度的增加而加強。因此，在22：00 的時候，輸出讀數存在快速衰減，而在10：00 時衰減很小。

6 結語

在此提出了能夠探測火焰并滅火的自主消防機器人。該設計已在一個兩輪驅動機器人樣機上成功實現。超聲波傳感器用于通過避障來控制機器人的運動。機器人成功探測到多個火焰源，并在安全距離內將其撲滅。機器人的速度被降低到期望的速度，以增加操作時間和對火焰源的有效檢測。試驗證明，該機器人魯棒性強、效率高，性能優于傳統的小型消防機器人。