机械毕业设计1116灭火机器人结构与控制

摘要

面对诸多恶劣的工作环境(如灭火、救援等)，为了有效的避免人员伤亡，就需要采用智能小车去现场来完成相应的任务。因此研究和开发智能小车引导控制系统具有十分重要的意义。本系统采用68HC11单片机作为核心控制芯片，设计制作了一款通过红外光电传感器检测路径信息、红外火焰传感器检测火源的智能寻迹灭火小车。本系统由单片机控制模块、寻迹传感器模块、驱动电机模块、火源传感器模块、风扇模块、电源模块等组成。实际应用表明，该小车可以在专门设计的场地上实现自主发现火源，自主识别路线，自主行进接近火源并灭火，最终完成灭火的任务。

关键词：单片机，小车，引导控制，传感器

Abstract

Content: Confronted with so many bad working environment (such as fire fighting, rescue etc), in order to effectively avoid casualties, need to use intelligent go by car scene to complete relevant tasks. Therefore, the research and development of intelligent car guide control system has the extremely vital significance. This system uses 68HC11 as the core control chip, design and make a new electric sensor detection by infrared sensor information, infrared flame path of intelligent tracing test fire extinguishing car. The system is composed of single-chip microcomputer control module, tracing sensor module, drive motor module, ignition sensor module, fan module, power supply module. The practical application indicates that the car can be in a specially designed field on fire, to realize the independent found autonomous recognition route, independent sources and marching close to the fire extinguishing, finally complete task.

Keywords: Microcontroller , Car ,Control system, Sensors

目录

摘要........................................................................... I Abstract...................................................................... II 第一章绪论 (1)

1.1课题来源与意义 (1)

1.2课题背景 (1)

1.3课题研究方法 (2)

第二章能力风暴机器人的基本构成 (3)

2.1外形构造 (3)

2.2主板 (4)

2.3 68HC11的基本知识 (4)

2.4传动结构——齿轮箱 (5)

第三章方案设计与论证 (6)

3.1总体设计方案 (6)

3.2小车的制作方案设计与论证 (6)

3.3驱动电机模块的选定 (7)

3.4寻迹传感器模块的选定 (7)

3.5单片机控制模块的选定 (8)

3.6火源传感器模块的选定 (8)

3.7灭火模块的选定 (9)

3.8电源模块的选定 (9)

3.9最终方案 (9)

第四章灭火控制方案与策略 (11)

4.1 灭火场地 (11)

4.2行走方案分析与确定 (11)

4.3火焰定位 (13)

4.4传感器的布置 (14)

第五章灭火机器人灭火装置及结构设计 (15)

5.1灭火方案的确定 (15)

5.2水泵灭火装置结构设计 (16)

5.3灭火机器人外形设计 (19)

第六章控制程序设计 (20)

6.1智能灭火小车系统总体流程 (20)

6.2程序流程图 (21)

6.3部分功能代码 (24)

结论 (28)

致谢 (29)

参考文献 (30)

第一章绪论

1.1课题来源与意义

随着时代的发展，机器人已经不是一个陌生的名词了，现在的电影大片中经常性的出现机器人，它们存在于工厂，普通人的家里，科技研究所，马路上等等，它们有智能的也有非智能的，有人型也有普通机械式的，其中对我们这代人来说印象最深刻的就要是风靡一时的好莱坞电影大片《变形金刚》，里面的机器人不但可以变身而且它们有自己的思想，是智能机器人但又高于智能机器人，它们近乎是一个个完整的独立的“人”。现实生活中，机器人的运用也非常广泛，就马航失联一事来说，我国的“蛟龙”号探测机器人就发挥着人类无法替代的作用（人类无法承受深水下巨大的水压）；再如我国的“嫦娥”号探月机器人更是凝聚全国人民的心血，象征了华夏民族伟大的智慧的结晶。总之，如今的时代方方面面有着的机器人的身影。

近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。为了解决这一问题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，消防机器人研究被提到了议事日程。而机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证，使得消防机器人应运而生。

目前智能机器人比赛在高校进行的如火如荼，很多高校都有自己的机器人协会及研究中心。利用各类机器人平台还可以完成本科生、研究生的毕业课题研究。我的毕业课题就来自于“能力风暴”智能机器人比赛。本课题所选取的智能机器人平台就是广茂达公司推出的“能力风暴”智能机器人，本课题完成的就是灭火机器人结构与控制系统的研究。

1.2课题背景

从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了消防机器人的研究。美国和苏联最早进行消防机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了消防机器人的研究，目前已有多种不同类型的消防机器人用于各种火灾场合。

我国从八十年代末期开始消防机器人的研究，公安部上海消防研究所等单位在消防机器人的研究中取得了大量的成果，自行式消防炮已经投入市场，履带轮式消防灭火侦察机器人也于2000 年 6 月通过了国家验收。但是，我国消防机器人的研究还处在初级阶段，还有许多有待研究的问题。比如，高层建筑发生火灾时，消防人员不可能在短时间内到达高处的火灾发生地点，在地下建筑中，由于环境比较潮湿，烟气不易扩散，消防人员不容易快速的判定火源位置；而在石化企业发生火灾时，将产生大量的毒气，消防人员在灭火时极易中毒。研制能够用于这些场合的侦察灭火机器人，协助消防人员进行火灾的定位和灭火，将有极大的社会意义。

基于人工智能的不断发展，各项高新技术的不断成熟，在可预见的将来，消防机器人在功能上会更具多样特点，在较多危险区域可以完全代替消防员，避免消防员生命伤亡。同时也应该看到，我国在研究消防机器人方面较国外同行已落后太多，存在技术差异和代沟，消防机器人的不断研制、生产和装备过程，应坚持自主研制为主，引进为辅，提高我国消防部队消防装备现代化的水平并及时装备消防部队，提高消防部队打赢大仗、恶仗、硬仗和特殊战役的能力，提高消防部队在处置大型复杂火灾和应急救援的作战效能，提高消防部队的自我防护能力减少消防指战员的人身伤亡，更好地保卫我国经济发展。

1.3课题研究方法

为了更好的完成设计任务，基于“能力风暴”机器人的开发平台，首先研究“能力风暴”机器人样机，了解机器人的结构、常用传感器以及它的软件开发平台，围绕控制机器人迅速稳定的完成灭火任务，测试传感器的基本参数，合理的布置传感器，编制程序，并调试最终能够控制机器人快速、稳定地完成灭火任务。

第二章能力风暴机器人的基本构成2.1外形构造

能力风暴机器人的基本构造如图2-1及图2-2：

图2-1 能力风暴机器人侧视图

图2-2 能力风暴机器人俯视图

2.2主板

主板布局图如下：

图2－3 ASU主板布局图

2.3 68HC11的基本知识

为了实现对机器人的控制，首先我们要对机器人的控制器有所了解，Motorala 生产的68HC11，使我们以极少的周边芯片获得了齐全的功能，8个模拟口，5个输入捕捉，3个PWM输出，16位地址，8位数据总线，串口，以及4个通用I/O。

68HC11的CPU 有两个8位累加器，两个16位变址寄存器、一个8位条件寄存器，一个16位堆栈指针和程序计数器；M6800/M6801指令系统，共300多条指令；16位加、减、乘、除指令。68HC11的16位高性能定时器系统，8M 晶振，定时器频率为2MHZ （周期0.5μs ），3个输入捕捉，可测量脉冲数量，脉冲周期、宽度和相位等；5个输出比较，可输出PWM 信号，可以完成各种定时控制功能，有定时器溢出中断功能。高性能定时器是68HC11的特色，机器人中用输入捕捉计码盘信号，用输出比较功能控制直流电机。68HC11的A/D 转换器具有8个输入通道和四个转换结果寄存器，能够一次完成四路A/D 转换或连续对同一路采样转换4次的功能。后一种功能可以方便实施去掉最大、最小，取均位的滤波方法。机器人的碰撞传感器、声音均使用A/D 转换器，非常方便。

2.4传动结构——齿轮箱

在机器人用到的齿轮箱如图2-4所示，在“能力风暴”机器人上使用的是两个直流电机，要将直流电机固定的转速转化成我们所需要的适当的速度就需要一个降速传动机构，图中的齿轮箱实现了这一功能。对于齿轮传动，传动比可以用两个齿轮的齿数来定义：

21Z /Z I = Z 1为主动齿轮的齿数；Z 2为从动齿轮的齿数

输出的速度可以表达为： I V V ?=动力源输出

图2-4 齿轮箱展开图

第三章方案设计与论证

3.1 总体设计方案

总体方案为：整个电路分为驱动电机模块、红外寻迹传感器模块、单片机控制模块、火源传感器模块、水泵模块、电源模块六个模块。

首先利用红外对路面信号进行探测，利用火源传感器检测火源信号，两种信号经过处理之后，送给单片机控制模块进行实时运算，输出相应的信号给驱动电机模块驱动电机转动，从而控制整个小车的运动。系统方案框图如图3-2所示。

图3-2 系统设计方案框图

3.2 小车制作方案设计与论证

方案1：自己制作电动车自己制作车体，组装合适的电机及电机驱动板，自制探测器，并利用开发板做控制驱动小车。但自己制作的小车，车体会比较粗糙，车身重量、平衡，小车的电路设计，这些都比较难实现。

方案2：购买专用电动车购买专用电动车具有组装完整的车架车轮，甚至有完整的电机装配和电机驱动板。用自制探测器或购买完整探测模块，并用开发板控制小车运动。这种专用电动车装配紧凑，各种所需电路的安装十分方便，看起来也

比较美观。而且，用专用电动车具有完整的电机装配和电机驱动，这用就省去了对电机传动和电机驱动的设计和实现。

综合考虑，本课题选定了方案2作为初步方案。

3.3 驱动电机模块的选定

方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机利用步进电机的准确定长步进性能，方便的实现调速和方向的偏转，且能准确的测量速度、路程以及时间，简化编程和硬件连接的工作量。但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度的系统。

方案2：采用直流电机作为该系统的驱动电机直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。而且改变正负极可方便的改变电机转动的方向，方便改变小车的行进状态。对于直流电机的速度调高，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。

与其它调速系统相比，PWM调速系统有下列优点：

1. PWM从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。

2. 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点

3．由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。

4．主电路简单，所用功率元件少。

5．低速性能好，稳定精度高，调速范围宽。

综合考虑，本设计采用了方案2。

3.4 寻迹传感器模块的选定

方案1：采用发光二极管+光敏电阻，该方案缺点明显：易受外界光源的干扰，

主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度，地表材料的反射情况对检测效果产生直接影响。而且外界的可见光对设备的影响很大，而且不容易克服外界可见光的干扰。

方案2：采用红外光电对管，由于只需分辨黑白，红外光电对管有一个管发射红外线一个用于接收红外线，当红外线照射到黑线上时不会发射回来，当红外线照射到白色的地方就会返回，光电对管发射的同时也能接收红外信号，整个检测设备简单，稳定性高，速度快。缺点是检测距离短，优点是成本低，易于操作。

根据以上分析本课题采用方案2。

3.5 单片机控制模块的选定

考虑到整个系统的简单、方便性，本课题采用能力风暴机器人中68HC11芯片做控制模块，该芯片有足够的存储空间，可以方便的在线ISP下载程序，能够满足该系统软件的需要，该芯片提供了两个计数器中断，对于本作品系统已经足够，采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片，能够准确的计算出时间，有很好的实时性。而且68HC11有很强的扩展性，使用简单，灵活性高且价廉。所有本课题直接采用68HC11作为主控芯片。

3.6 火源传感器模块的选定

方案1：采用两个热敏电阻作为核心的传感器，实验中发现在一定距离范围内，空气温度场变化非常小，热敏电阻几乎不发生任何变化。

方案2：采用两个光敏电阻作为核心的传感器，利用光敏电阻对不同距离及不同强度的光照均有较好的光敏特性来将外界光信号转换成电信号，提供给单片机进行相关判断操作。实验中我们发现这种方案有很大的缺点，抗干扰能力极差，而且误差偏大，不能准确测定火源位置。

方案3：采用红外接收二极管，红外接收二极管将外界红外光的变化转化为电流的变化，通过A/D转换器将模拟信号反映为0~255 范围内的数字信号。外界红外光越强，数值越小，根据数值的变化能判断红外光线的强弱,从而能大致判别出火源的远近。红外火焰传感器可以用来探测火源或其它一些波长在760纳米～1100纳米范围内的热源，探测角度达60度，其中红外光波长在940纳米附近时，其灵敏度达到最大。实验中发现如果环境中红外干扰比较少的时候本方案能比较准确的检测到火源。

鉴于以上3种方案的比较，本课题选择方案3。

3.7 灭火模块的选定

灭火方法是多种多样的，可采用二氧化碳、水、风扇和盖板等，结合具体因素，本课题选用了水进行灭火，具体详见第五章。

3.8 电源模块的选定

在本系统中，需要用到的电源有单片机的5V和电机的电源7-25V。所以需要对电源的提供必须正确和稳定可靠。

方案1：采用UT-3W提供的电源方案为电机供电，采用UT-3W提供的电源接口为单片机提供电源。优点：简单方便。

方案2：用7.2V锂电池为整个系统供电，再转换为电机和单片机需要的电压。

基于系统的稳定性考虑，本课题选择了方案2。

3.9 最终方案

经过仔细考虑，本课题最终确定了如下方案：

1．车体是购买专用电动车。

2．采用68HC11单片机作为控制核心。

3．采用7.2V锂电池供电。

4．用红外探测传感器作为寻迹传感器。

5．采用红外接收管制作红外火源传感器。

6．采用水泵灭火模块。

系统的结构框图如图3-3所示。

图3-3 系统结构框图

第四章灭火控制方案与策略

4.1 灭火场地

灭火场地是标准场地，房间的平面结构（图4-1）是事先已知的，而目标是尽快找到并熄灭蜡烛。如果事先知道蜡烛布置的房间，就可以直接走最短的路线，再启动装置进行灭火。但事实上，在灭火之前，我们并不知道蜡烛是布置在哪个房间，因此，机器人需要逐个房间搜索来发现火源，进而灭火。图中的尺寸是近似的，实际场地尺寸与之相差在2cm之内。

图4-1 灭火场地平面结构图（H为机器人起始位置）

4.2行走方案分析与确定

对于机器人的行走，我们可以采用多种方案。

方案一：推测航行法，也就是说，如果开始时导向正确可以通过将移动的距离

和转过的角度加到原来的位置上来获得新的位置和方向。这种方法的关键就是事先要知道比赛场地中不同房间的距离。这就需要把机器人在比赛中所要走的路线全部计算出来，并需要确保它走的方向、距离以及转过的角度都必须与预计路线一致。对于事先知道蜡烛布置房间的情况我们可以预先编制到每个房间的具体路线程序，如图4-2所示为进入第一个房间的路线：

第一个房间起点

前进120cm

前

进

45

cm前进50cm

左转90度

左转90度

图4-2 第一个房间的行走路线

这种方案是将要走的路线的距离、转角顺序编制成程序，它不能够弥补行走过程中由于意外情况产生的误差。因此，这种方法虽说理论上是一种合理的方法，但实施过程中会有很多的意外情况发生，故它并不是一种实用的方案。

方案二：沿墙壁平移的非推测航行算法，算法基本原理：利用反馈原理，毎隔一段时间对前进中的机器人与右边墙壁的距离进行测量（测量方向不变），如果发生偏差，就进行调节。同时对前进中的机器人与前方墙壁的距离进行测量，如果小于一定值，就左转90°转弯前进。

这种方案中需要检测前进中的机器人与右边及前边墙壁的距离，再进行比较。在能力风暴机器人的一系列扩展卡中，也有AS2红外测距卡，但在调试过程中测距效果不佳。

方案三：左手或右手规则行走。“能力风暴”机器人配有比较完善的传感器，利用现有的传感器，红外传感器可以检测障碍，只要检测出左边（右边）没有障碍

物就左转（右转）即可。

综上所述，因为方案一不够实用，方案二中红外测距卡的测距效果不佳，所以灭火机器人的行走采用左手规则行走，利用红外传感器检测障碍，在行进中同时检测是否有火源，如果发现火源，则调用靠近火源及灭火程序。如果没有发现火源则继续行走。若发生碰撞，就躲避碰撞。但是分析它的行走路线就会发现第四个小房间是无法进入察看的，可以在编程的时候定义一个变量，使它的初始值为0，每走一个房间，变量值加1，如果机器人在灭火过程中，变量值变成3的话，就改用右手定则，进入第四个房间，探测火源，进行灭火。

4.3火源定位

在红外避障以及躲避碰撞完成之后，机器人在比赛中的行走问题基本解决。其实，机器人的行走也是为了寻找火源，要发现火源，就需要能够检测火源的传感器。

远红外火焰探头可以用来探测火源或其它一些波长在700nm～1000nm范围内的热源，探测角度为60°。远红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映为0～255范围内数值的变化。外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。

由于远红外火焰探头有60°的探测角度，距离比较远时就能及时发现火源，但在接近火源的过程中，需要不停的确定火源的位置，本课题采用两个远红外火焰探头并联，以此来扩大机器人探测角（图4-3），满足火焰定位的要求。通过布置在机器人前部左、右两边两对不同位置的火焰探头返回数值的大小关系，对检测到的火源值进行比较，调整机器人的走向，矫正接近火焰的角度及距离。

图4-3 远红外探头探测角

在每个房间的门口都会有一条8cm宽的白线，这条白线表示房间的入口。利用

这条白线，可以提高寻找火源的效率。当检测到门口白线的时候，机器人立即停下来对房间进行扫描，扫描时机器人原地旋转一个角度，检测房间内有没有火光。如果有，就进去。如果没有，退出来继续寻找。一般来说，火焰探头可视范围是80cm，在房间入口发现火光是没问题的。

4.4传感器的布置

机器人的传感器布置具体如下：

能力风暴机器人原有的红外传感器、碰撞传感器不变，把中间的红外接收传感器改装到稍微偏左，再在右边对称的地方加一个红外接收传感器，这样左边的红外发射和接收传感器用来进行左手规则，右边的红外发射和接收传感器用来进行右手规则。

在机器人前端铝架上布置四个远红外火焰探头，两边各两个，采用并联方式，在机器人的底盘下面布置一个红外传感器，探测每个房间入口处地面上的白线以及火源前面的白线。

第五章灭火装置及结构设计

5.1灭火方案的确定

灭火方案是多种多样的，二氧化碳、水、风扇、盖板等。

方案一：采用风扇灭火

采用风扇灭火需要一个直流电机和一个风扇，用直流电机带动风扇，可以在机器人的前端安装一个支架，在这个支架两边可以安装远红外探头，用来探测火源，在支架的中间安装水泵，水泵由电机带动，电机的选择功率要适中，只要能够用就可以了，可以选择一个额定电压和控制系统输出的DC7.8V电压差不多的电机，这样就可以省去一些麻烦，额定电压小的话，要进行变压；大的话还要对电机提供额外的电源。当机器人到达灭火地点的时候主板给出一个信号，接通电路，电机起动，开始灭火。这种灭火方案比较简单，但仅用于灭火比赛中，在实际生活中，这种方案不符合实际。

方案二：采用二氧化碳灭火器进行灭火

灭火原理：二氧化碳灭火剂是一种具有一百多年历史的灭火剂，价格低廉，获取、制备容易，其主要依靠窒息作用和部分冷却作用灭火。二氧化碳具有较高的密度，约为空气的1.5倍。在常压下，液态的二氧化碳会立即汽化，一般1kg的液态二氧化碳可产生约0.5立方米的气体。因而，灭火时，二氧化碳气体可以排除空气而包围在燃烧物体的表面或分布于较密闭的空间中，降低可燃物周围或防护空间内的氧气浓度，产生窒息作用而灭火。另外，二氧化碳从储存容器中喷出时，会由液体迅速汽化成气体，而从周围吸引部分热量，起到冷却的作用。

采用二氧化碳进行灭火需要一个储气罐，当灭火机器人到达灭火地点时，要打开储气罐，可以在储气罐的罐口安装一个DC12V二位二通电磁阀，当机器人到达火源时电磁阀通电，打开电磁阀，储气罐罐口打开，二氧化碳从储气罐里喷出，进行灭火。二氧化碳灭火器的气压回路图如图5-1。

电磁阀要求采用DC12V驱动，而能力风暴机器人上的电池电压为DC7.8V，需外加一个电源，对其进行供电。控制系统输出的是DC7.8V，而电磁阀工作电压是DC12V 的电压，为此需要设计一个简单的开关电路，实现高低电压控制。当信号给出时，

电磁阀电路接通，二氧化碳从储气罐里喷出，进行灭火。当信号给出时，可以关闭电磁阀电路，电磁阀关闭，从而可以实现DC12V的驱动。

图 5-1气压回路图

总结：考虑到灭火机器人的实用性，首选二氧化碳进行灭火或水灭火。本课题对灭火方案进行了探讨，考虑到使用二氧化碳进行灭火，但是由于密封设计比较困难，被否定了；最后决定使用水灭火，选用水灭火时，可以设计一个机构，到达灭火白线时，直接把水泼到蜡烛上，考虑到机构设计比较复杂，本课题最终决定使用水泵进行灭火。

5.2水泵灭火装置结构设计

1、水箱水箱里贮存着水，水箱与水泵用水管连接。在底盘上布置一个铝架，用来安装水箱。水箱上面还要安放一个盖子，防止机器人在灭火过程发生碰撞，水箱中的水溅出。

图5-2水箱和水箱盖

2、水泵选用水泵时，选取了微型水泵，水泵是为了给水加压，使水以一定的速度喷出，这样就能使喷出的水能够达到一定的距离，因而机器人就不需要非常