本設(shè)計的研究初衷來源于滅火機器人比賽，比賽場地將采用國際標(biāo)準(zhǔn)比賽場地，比賽場地平面圖如圖1所示。比賽場地的墻壁高為33cm，厚為2 cm，由木頭做成。墻壁刷成白色。比賽場地的地板是被漆成黑色的光滑木制板。場地中所有的走廊和門口都是46 cm的開口，一個白色的2.5 cm寬的白色帶子或白漆印跡表示房間人口，在距離火焰30 cm的圓上有一條2.5 cm寬的白線。根據(jù)要求，該機器人要在模擬的四室一廳房間內(nèi)完成發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)火源、滅火和回家(回到出發(fā)點H)等功能。

本文以STM32F103嵌入式芯片為核心，完成滅火機器人的軟、硬件設(shè)計。當(dāng)機器人啟動后，前部和左右的紅外測距傳感器為機器人的避障功能和沿墻走方式 提供參考信號。機器人的運動速度以及運動方向由處理器輸出的PWM信號來控制?；鹧?zhèn)鞲衅鳈z測房間內(nèi)火源，發(fā)現(xiàn)火源后機器人朝向火源方向行走，底部的灰度 傳感器檢測地面白線判斷機器人是否靠近火源，控制機器人暫停，啟動風(fēng)扇滅火，滅火后回家。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要由STM32F103、傳感器模塊、直流電機驅(qū)動模塊、風(fēng)扇模塊、電源模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

1.1 機器人整體布局

機器人左右兩輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩完全相同的直流電機進行驅(qū)動，機器人前部裝一個萬向輪，這樣，可以輕松地使機器人改變運行方向和運動速度。機器人前面裝有風(fēng)扇、火焰?zhèn)鞲衅骱图t外傳感器，頭部底側(cè)裝有灰度傳感器，左右兩側(cè)各有3個紅外測距傳感器，兩側(cè)的傳感器可以分別測量不同范圍內(nèi)的障礙物距離。

1.2 微控制器模塊

系統(tǒng)傳感器模塊要不斷采集環(huán)境信息，要求控制芯片有較高的實時處理能力和較高的處理速度，因此，系統(tǒng)選用嵌入式芯片STM32F103該芯片使用ARM先進架構(gòu)的Cortex—M3內(nèi)核，CPU頻率可達(dá)72 MHz，具有兩個16位ADC用于高速采集數(shù)據(jù)采集，15個I/O端口用于連接外部設(shè)備。I/O端口作為輸入口讀取檢測端口和傳感器組的數(shù)據(jù)，作為輸出端口用于驅(qū)動電機和風(fēng)扇。4個PWM定時器用于驅(qū)動大功率直流電機。芯片具有速度快、功耗低、可靠性高、實時性強等優(yōu)點。

1.3 傳感器模塊

傳感器模塊主要由紅外測距傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱突叶葌鞲衅魅惤M成。

紅外測距傳感器主要檢測障礙物(墻壁)，防止機器人撞墻。本設(shè)計采用光電式紅外傳感器E18-D80NK，它是集紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊于一體的數(shù)字傳感器，有效檢測范圍為3～80 cm可調(diào)，指向角≤15°。根據(jù)比賽場地特點，本設(shè)計采用7個此類傳感器，這樣的傳感器布局可以采集所需的各種信號，準(zhǔn)確測障，靈活調(diào)整運行方向，保證機器人運動過程中不碰壁。傳感器的分布如圖3所示。

火焰?zhèn)鞲衅饔脕頇z測火源，尋找火源位置。采用5路火焰?zhèn)鞲衅鹘M成火焰?zhèn)鞲衅鹘M，傳感器組的設(shè)計如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)可以探測180°范圍內(nèi)火焰信號源。機器人在房間門口就可檢測房間內(nèi)是否有火源，若無火源則直接退出該房間循跡下一個房間，大量節(jié)省了時間。

地面灰度傳感器安裝于機器人前部的底座上，用于檢測地面反射光線的強度。本設(shè)計選用QTI灰度傳感器，該器件可作為紅外接收器和發(fā)射器，內(nèi)嵌日光過濾器，可防止日光的干擾。其數(shù)字信號輸出主要用來檢測比賽場地中火源周圍的白線，控制機器人在有火源的白色圓弧處暫停。

1.4 電機驅(qū)動模塊

為了控制機器人的運動速度和方向，設(shè)計了一種H橋驅(qū)動電路。該電路以IRF4905和IRF3205 MOS管為開關(guān)元件，以IRF1210為柵極驅(qū)動芯片。主控芯片產(chǎn)生的PWM信號控制驅(qū)動芯片，進而控制機器人左右輪的轉(zhuǎn)速和萬向輪的轉(zhuǎn)向。驅(qū)動電路的電路圖如圖5所示。滅火風(fēng)扇的電機采用大功率MOs驅(qū)動器，由伺服電機輸出端的信號驅(qū)動。

1.5 其他模塊

為保證系統(tǒng)正常工作和順利滅火，系統(tǒng)還包括電源模塊、時鐘模塊和風(fēng)扇模塊。以電源模塊為例，電源模塊通過專用的電源轉(zhuǎn)換芯片7805產(chǎn)生傳感器所需的5 V電源，通過LM1117產(chǎn)生主控制器所需的3.3 V電源。電源模塊如圖6所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編程，主要包括主程序、運動控制程序、滅火程序和回家程序等部分，主要用到的算法有沿墻走算法和趨光走算法。在程序設(shè)計中，通過傳感器采集信息，按照沿墻走算法控制機器人的行動，當(dāng)發(fā)現(xiàn)火源后按照趨光走算法迅速、準(zhǔn)確地靠近火源、滅火并回家。程序運行中應(yīng)避免機器人碰撞障礙物(墻壁)。主程序控制流程圖如圖7所示。

機器人運動控制程序采用沿墻走算法，由ADC采樣程序、電機開啟、電機停止、電機速度和方向控制程序、延時程序等部分構(gòu)成。通過紅外測距傳感器采集的信息，全方位地判斷障礙物的情況，控制機器人的下一步運動方式，主要有直走、后退、左微調(diào)、右微調(diào)、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎等。

機器人滅火程序主要完成火源的尋找、確認(rèn)以及滅火任務(wù)并回家。在機器人檢測到房間內(nèi)有火源時，采用趨光走算法，根據(jù)火焰?zhèn)鞲衅鹘M的狀態(tài)，調(diào)整機器人運動角度，使其直面火源方向前進。當(dāng)檢測到房間內(nèi)火源周圍白線時，停止運動，開啟風(fēng)扇滅火;當(dāng)檢測不到火源時，滅火成功。最后，啟動回家模式，該模式采用沿墻走避障算法。

該軟件系統(tǒng)具有很大的靈活性，因為各程序是分模塊設(shè)計的，當(dāng)比賽規(guī)則改變時，只需通過主程序調(diào)用不同的模塊即可完成新的任務(wù)。

3 結(jié)果與分析

對本系統(tǒng)進行性能測試，測試中首先對電機進行測試，電機在正常工作電壓下，調(diào)整軟件系統(tǒng)的PWM控制值，可以實現(xiàn)電機的調(diào)速、直行前進、后退、左微轉(zhuǎn)、右微轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)90°和右轉(zhuǎn)90°等功能。然后對機器人在比賽場地進行滅火實驗，共進行30次實驗，隨機地把點燃的蠟燭放在各個房間的指定位置。機器人都能順利地找到火源，滅火回家且所用時間均在1 min之內(nèi)，試驗中沒有出現(xiàn)碰壁現(xiàn)象。此數(shù)據(jù)表明機器人能平穩(wěn)地按照靠墻走原則完成任務(wù)。整個系統(tǒng)具有很快的響應(yīng)速度、較高的穩(wěn)定性和較強的抗干擾能力。