灭火机器人课程设计 (2)

沈阳工程学院

课程设计

设计题目：灭火机器人设计

系别自控系班级测控本091

学生姓名庄国庆学号 2009308126

指导教师祝尚臻职称讲师

起止日期：2012年 7 月 9日起——至 2012 年 7 月13 日止

沈阳工程学院

课程设计任务书

课程设计题目：灭火机器人设计

系别自动控制工程系班级测控本091

学生姓名庄国庆

学号 2009308126

指导教师祝尚臻职称讲师

课程设计进行地点： F430

任务下达时间： 2012 年 7 月9日

起止日期：2012 年 7 月9日起——至 2012 年 7 月13日止教研室主任年月日批准

灭火机器人设计

1 设计主要内容及要求

1.1 设计目的：

1了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。

2初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于实践。

3通过学习，具体掌握智能机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。

1.2 基本要求

1要求设计一个能灭火的机器人（灭火的环境布局参考国际灭火机器人大赛的环境布局）；

2要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。

3要有寻找火源的策略（软件流程图）。

1.3 发挥部分

可以增加其它的功能。

2 设计过程及论文的基本要求：

2.1 设计过程的基本要求

1基本部分必须完成，发挥部分可任选；

2符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；

3设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。

2.2 课程设计论文的基本要求

1参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。

2装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。

3 时间进度安排

2012-7-9

沈阳工程学院

机器人技术及其应用课程设计成绩评定表

系（部）：自控系班级：测控本091班学生姓名：庄国庆

中文摘要

控制器是智能机器人处理和控制信息的主体，它直接决定了机器人的行为和性能。近几年来随着高性能微控制器和嵌入式系统技术的不断进步，为各类实时控制应用提供了解决方案。

嵌入式系统(ES)是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的系统，其是硬件和软件紧密捆绑在一起的系统。将嵌入式系统应用于灭火机器人的设计中，对机器人的性能智能化、网络化、小型化都有了明显提高。

比赛用灭火机器人需要机器人有智能较高的自动控制性能与可靠的机械控制性能的同时保证，才能在短时间内准确寻找到火源并灭火回家。在此以ARM9处理器为核心，对基于嵌入式系统的智能灭火机器人进行了设计。本文将从硬件和软件方面讲述智能灭火机器人控制器的实现方法，并且给出了机器人灭火的具体实验，验证了方案的可行性，为智能灭火机器人的进一步研究提供了平台。

目录

中文摘要.................................................................................................................................. V 1设计任务描述 (1)

1.1 设计题目 (1)

1.2 设计主要内容及要求 (1)

1.2.1 设计目的： (1)

1.2.2 基本要求 (1)

1.2.3 发挥部分： (1)

2 设计思路 (2)

3 软件流程图 (3)

4 ARM9系统与辅助单片机 (4)

5 电源的电路设计 (5)

6 直流电机的驱动设计 (6)

6.1大功率伺服电机 (6)

6.2 普通直流电动机 (8)

6.3 H桥及直流电动机简介： (8)

6.3.1 H桥： (8)

6.3.2 直流电机： (8)

7 传感器设计 (10)

7.1 红外测距传感器 (10)

7.2 远红外火焰传感器组 (13)

7.3 地面灰度传感器 (16)

8 风扇的控制及语音识别 (17)

8.1风扇控制 (17)

8.2语音辨识电路 (17)

9 元器件清单 (18)

10 元器件介绍 (19)

11小结 (22)

12 致谢 (23)

13 参考文献 (24)

附录 (25)

1设计任务描述

1.1 设计题目

火灾预警机器人设计。

1.2 设计主要内容及要求

1.2.1 设计目的：

（1）了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。

（2）初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于所设计的机器人中。

（3）通过学习，具体掌握机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。

1.2.2 基本要求

（1）要求设计一个具有火灾预警灭火功能的机器人；

（2）要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。

（3）要求机器人具有火灾预警功能，避障功能（不能撞到障碍物上），模拟灭火功能。

1.2.3 发挥部分：

自由发挥。

2 设计思路

本次设计的题目是灭火机器人，基于ARM9实现机器人在启动后对多个房间进行自主寻找用蜡烛模拟的火源，用伺服电机驱动，到达火源附近后，用风扇将其吹灭，然后停止工作。机器人的整体结构如图2-1所示，主要由控制器、传感输入、驱动输出等模块组成。

图 2-1 机器人整体结构

3 软件流程图

图3—1 主程序方框图

4 ARM9系统与辅助单片机

为实现机器人高速精确地按照规定的路径行走，要求机器人的CPU能够实现迅速地读取多个传感器端口数值，并在较短的时间内完成对各端口数值的存储、运算和输出等多种任务。由于嵌入式微处理器对实时任务具有较强的支持能力，能够完成多任务并具有较短的中断响应，因此在设计过程中选用嵌入式微处理器ARM9为核心的控制器，其内部采用哈佛结构，每秒可执行一亿一千万条的机器指令。

为提高端口数值的读取速度，使机器人能够对周围环境信息做出迅速判断，笨设计在主芯片上设置了ADC0-ADC7（P4.0-P4.7）8路数据输入端口，每秒可实现50万次数据采集；另外又设置20路数据输入端口，通过AT-MEGA816—PC辅助单片机连接到主芯片上，如图4-1,用以读取远红外传感器组及检测端口的数值，每秒可实现1000次数据采集。本设计还设置了4路PWM控制信号输出端口，用以驱动4路大功率直流电动机，实现对转速的精确调节；此外，还设置了7路D0数据输出端口，用以驱动伺服电机、蜂鸣器、继电器、发光二极管等。为了给庞大和复杂的程序提供更多的执行空间，本设计附加设置了100KB的数据存储器（RAM）和512KM的程序存储器（Flash Rom）,用以存储更多的数据和命令。

A/D

LCD

图4-1 ARM微处理器与辅助单片机

5 电源的电路设计

电源是保证机器人稳定、可靠运行的关键部件，它直接影响着机器人的性能的好坏。由于本机器人的电机驱动和控制器采用两种不同等级电压的电源，为避免2个电源互相干扰，本机器人采用双电源供电系统：

1、电机电源采用高放电倍率聚合物锂电池，容量为2500MAH，工作电压为

24V，能够提供40A的稳定供电电流，是普通电池的10倍。

2、控制器电源采用8.4V锂电池，并提供电压采样端口，以供电池检测，电

路如图5-1所示。

为获得CPU各端口电路所需要的不同等级电压，本设计采用一个LM317T三端稳压器和2个AMS1117低压差线性电压调整器，并通过其附属电路，得到稳定精确的5V、3.3V、1.8V三种电压；采用1个发光二极管LD1和限流电阻R5作为电源指示灯，以显示电源开关的状态；为实时采样电源电压，防止锂电池过放或过充，设计中通过R1和R2分压，引出AD19端口作为电源采样端口。

图5-1 控制器电源

6 直流电机的驱动设计

驱动输出部分主要包括机器人行走使用的大功率伺服直流电机、灭火风扇用普通直流电机。

电机的驱动流程如图6-1所示。 PWM 信号 方向信号

图6-1 电机的驱动流程图

6.1大功率伺服电机

设计中，机器人要在避免碰撞的前提下尽可能提高速度，因此要求具有更大功率的驱动器和更敏捷的控制方式。为此本设计采用的电机驱动电压为16.8V ，直流为20V ；采用占空比范围为0-95%的4路PWM 信号控制直流电机，以实现精确的调速。

由于电机功率较大，并要求能实现双向、可调速运行，本文设计了半桥式电力MOSFET 管，成功实现了对电机的控制。如图6-2所示，2路PWM 信号通过IR2104半桥驱动器（half-bridge driver ）和相应保护电路连接至型号为IFR2807的MOSFET 管，控制电源与电机连接线路的通与断，达到控制电机速度的目的。当PWM 信号占空比较大时，线路导通时间较长，电机速度大；相反，当PWM 占空比较小时，线路导通时间短，电机速度小。4个MOSFET 管在不同时刻导通组合，实现控制电机转动方向：当MOSFET 管1和4导通时，电机端口1为正、2为负，电机正转；当MOSFET 管2和3导通时，电机端口2为正、1为负，电机反转。

图 6-2 伺服电机驱动电路

6.2 普通直流电动机

机器人采用风扇灭火，前后两端各有一个直流电机带动，直流电机由主板上的D0扩展端口驱动。

6.3 H桥及直流电动机简介：

6.3.1 H桥：

所谓H 桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如图6-3所示。

图 6-3 H桥驱动电路

开关K1、K4接通，电机为正向转动。

开关K2、K3接通，电机为反向转动。

刹车——将K2、K4开关（或K1、K3）接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。

惰行—— 4个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。

6.3.2 直流电机：

输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。

直流电动机的结构如图6-4所示：

图6-4 直流电机结构图

PWM脉冲宽度调制如图6-5所示：

图6-5 PWM脉冲宽度调制

直流电机的机械特性如图6-6所示：

图6-6 直流电机的机械特性

（1）额定功率：是指轴上输出的机械功率，单位为kW。

（2）额定电压：安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为V(伏)。

（3）额定电流：允许流过的最大电流，单位为A(安)。

（4）额定转速：额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为rpm(转/分)。

7 传感器设计

7.1 红外测距传感器

红外测距传感器是机器人的视觉器官，通过不断读取其数值并进行判断，才能够确定机器人所处位置环境，以确定机器人下一步该执行什么命令不至于碰撞，并按照规定的理想路线行走。课设中采用SHARP公司的GP2D12PSD传感器（后面简称PSD），其有效测距范围为10CM-80CM。其原理图如7-1图所示。

图7-1 红外测距传感器内部电路图

传感器采用三角测量的原理，由红外发光二极管发出红外光束，当红外光束遇到前方的障碍物时，一部分反射回来，通过透镜聚焦到后面的线性电性耦合器件CCD上，会获得一个偏移量L，在知道了发射角度a,偏移量L，中心距X，以及滤镜的焦距f以后，利用三角关系就可以算出传感器到物体的距离D，如7-2图所示

CCD

图7-2 PSD传感器三角测量原理图

本设计采用6个红外测距传感器，其位置如图7-3所示。该传感器的有效测距范围是10-80CM，故PSD安装在距离机器人外围a为10cm的位置来躲避传感器的盲区。6个PSD分别位于机器人的左前、正前、右前、右后、正后及左后位置，其中四角处PSD均可检测机器人2个方位的障碍物情况，左右两侧可不必安装PSD，既经济又可靠，可对机器人周围各方向的障碍物进行测距，以此来调整其前进方向，实现了机器人的全方位避障和导航功能。

图7-3 PSD传感器布置方式

沿墙行进规则：

在软件设计上,利用沿墙行进规则，简捷地编辑主程序实现机器人的沿墙壁行进。因为机器人在系统结构设计上满足双向行进，前后两侧均可探测并熄灭火源，故可分解为前方沿左、右墙，以及后方沿左、右墙行进规则。该规则要求机器人能够沿某墙壁快速无碰撞行进，在墙壁转折处或无墙壁时，智能机器人可以自动沿着某墙壁转弯进行。以沿右墙新进为例，如图7-4所示。

7-4 沿墙走示意图

当PSD1距离小，同时PSD2距离大时，机器人执行右转弯；若PSD1距离小，同时PSD2距离小时，可执行左转弯；若PSD1距离大，同时PSD2距离小时，太靠近右墙，执行左转弯调整；若PSD1距离大，同时PSD2距离也较大时，太靠近左墙，执行右转弯调整。如表1所示，通过不断调整，使机器人始终运行在距离墙10-15cm 的位置，沿墙行进，沿左墙行进及反方向沿墙行进同理，于是实现了智能机器人沿墙壁的行进，进而遍历房间和寻找火源。

PSD状态（距离）机器人位置执行操作

PSD1小&PSD2大右墙壁转弯处右转弯

PSD1小&PSD2小右墙角处左转弯

PSD1大&PSD2小靠近右墙处修正左转弯

PSD1大&PSD2小远离右墙处修正右转弯

表1 沿右墙行进规则

能否高速可靠地沿墙行进，决定着真个灭火设计的用时，基于以上基本原理，在试验中机器人高速行进时，将PSD测距基准值划分为多个，不同区域采用不同电机转速，快速灵敏地控制机器人使之进入既定轨道。高速行进时采用此控制方式，克服了一般控制方式调整引起的剧烈摆动现象，同时对机器人高速行进时的惯性影响祈祷很好的抑制作用。

7.2 远红外火焰传感器组

机器人要完成灭火任务，首先需判断房间是否有火源存在，如果该房间有火，则进一步确定灭火的位置，然后根据检测的火源情况快速无碰撞地趋向火源，行进至一定位置，停止机器人行进并灭火，灭火后确认火源是否被完全熄灭。火焰传感器的选配至关重要，为此设计了由多个远红外火焰传感器单元组成的远红外火焰传感器组。

远红外火焰传感单元，电路原理如7-5图所示。

R

图7-5远红外火焰传感器电路

由28个红外接收管组成的2个远红外火焰传感器组，前后每个方位各有14个红外接收管组成，每2个并联并指向相同方向，2个传感器组共指向14个方向，可以覆盖360度范围。如图7-6所示。此外，本设计还可以通过对14路读取数据进行比较，从而确定其最大值最小值及相应端口值，方便火源方位的确定。

图7-6 远红外火焰传感器组

远红外火焰传感器组电路图如7-7：

图7-7 远红外火焰传感器组电路

远红外传感器组火源定位和趋光原理为：

当机器人行至莫一房间，如果任意一单元端口数值大于规定值，即判断该房间有火。此设计克服了利用单个远红外传感器时，由于传感器探头没有对准火源而误判该房间有火的缺点。同时灭火机器人根据各个通道取值的大小，判断火焰相对于机器人的方位，如果端口最大值位于左侧的端口，则机器人向左寻找火源；如果端口最大值位于右侧的端口，则机器人向右寻找火源；如果正前方端口数值为最大值，则说明火源位于机器人正前方，于是机器人直行至火源旁灭火。一组远红外火焰传感器组有6个端口位于两侧，可根据最大值的不同端口设置不同幅