可快速充電的安防機(jī)器人

呂寧一 曹沛晴

隨著科技的進(jìn)步與生活水平的提高，人們對生活和工作環(huán)境的安全性與舒適性提出了更高的要求。對于危險(xiǎn)災(zāi)難而言，“防患”的意義大于“救災(zāi)”，如何能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，合理預(yù)防；同時(shí)又能盡量不打擾人們正常的生活，做到“人性化”防患，是需要研究人員認(rèn)真思考的一個(gè)重要問題。我們在老師的指導(dǎo)下，利用自己所學(xué)的知識(shí)，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)安防機(jī)器人（主要功能為火災(zāi)預(yù)警），它以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)μ囟▍^(qū)域進(jìn)行安全巡檢并能根據(jù)檢測的情況采取相應(yīng)的措施。

電動(dòng)安防機(jī)器人能夠“默默無聞”地守護(hù)在我們身邊，有效地提高我們的工作和生活質(zhì)量。但如果把充電電池作為安防機(jī)器人的儲(chǔ)能元件，亟需解決的一個(gè)重要問題就是電池的快速充電。針對亟需解決的問題，我們又設(shè)計(jì)了安防機(jī)器人的快速充電裝置，實(shí)現(xiàn)了以超級電容器為儲(chǔ)能元件的能夠快速充電的安防機(jī)器人演示系統(tǒng)。

我們通過改裝工作電壓為4.8V的玩具電動(dòng)車來制作安防機(jī)器人的移動(dòng)底盤，選擇兩個(gè)容量為150F、電壓為2.7V的SU0150E-0027V-1CA單體電容器串聯(lián)后作為電源。兩個(gè)超級電容器串聯(lián)后的最高電壓將達(dá)到5.4，可以滿足玩具電動(dòng)車4.8V的電壓要求。

為實(shí)時(shí)監(jiān)測超級電容器在充電或機(jī)器人運(yùn)行過程中的電壓和容量，我們設(shè)計(jì)和加工了一個(gè)LED電壓指示燈，超級電容器的電壓與容量成正比，所以LED電壓指示器是根據(jù)超級電容器的工作電壓設(shè)計(jì)和制作的（如圖1）。電容器的電壓是5.4V，所以LED電壓指示器用5個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行顯示，另用五個(gè)普通二極管分別與發(fā)光二極管相連，因?yàn)榧t色發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓是1.8V，所以只要電壓在1.8V基礎(chǔ)上增加0.6～0.7V，第一個(gè)發(fā)光二極管就會(huì)慢慢亮起，以后電壓每上升0.6～0.7V，就會(huì)有一個(gè)發(fā)光二極管亮起，若5個(gè)全亮，說明電壓達(dá)到4.8～5.3V，電容器完成充電。

電動(dòng)安防機(jī)器人主要由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、單片機(jī)控制器模塊、轉(zhuǎn)向舵機(jī)等組成（如圖2）。

電源分兩部分，一是為機(jī)器人的控制電路提供電力，二是為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電力；電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用一片L293D芯片，該芯片內(nèi)部集成兩個(gè)H橋；傳感器是為了讓安防機(jī)器人能夠沿既定巡檢軌跡行駛，我們將黑色導(dǎo)引線（即車道線）設(shè)置在白色的地板上的方式實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)；單片機(jī)控制器為機(jī)器人的大腦，是由一個(gè)飛思卡爾單片機(jī)為主的控制器；轉(zhuǎn)向舵機(jī)主要收發(fā)主控制器發(fā)來的信號(hào)，進(jìn)而控制前輪轉(zhuǎn)向。

為實(shí)現(xiàn)安防機(jī)器人的自動(dòng)充電，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)智能車位式充電站。該充電站與停車位合二為一，主要有充電觸頭、觸頭升降機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、測距傳感器、微動(dòng)開關(guān)、車位指示燈、大電流AD/DC轉(zhuǎn)換器、車位充電控制器組成（如圖3）。

安防機(jī)器人能夠進(jìn)行火災(zāi)安全巡檢、自動(dòng)預(yù)警、自動(dòng)檢測電壓、自動(dòng)充電。在電力充沛的情況下，機(jī)器人為安全巡檢模式，沿內(nèi)環(huán)道（即紅色軌跡）巡檢行駛，在行駛過程中自動(dòng)檢測紅外熱量傳感器一級超級電容電壓；在電力不足的情況下，機(jī)器人切換為充電模式，沿外環(huán)道（即藍(lán)色軌跡）進(jìn)入充電站進(jìn)行充電并實(shí)時(shí)檢測充電電壓。當(dāng)電力充足時(shí)，機(jī)器人又回到安全巡檢模式，沿內(nèi)環(huán)道行駛檢測（如圖4）。

本項(xiàng)目的研究設(shè)計(jì)，可以有效解決工作在特定區(qū)域范圍內(nèi)的機(jī)器人工作連續(xù)性問題，也許還可以用在城市電動(dòng)汽車的現(xiàn)場快速充電方面，對機(jī)器人以及電動(dòng)汽車的普及和推廣具有參考價(jià)值。