基于STM32的滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)

姚蘊(yùn)珍

【摘要】 本文以滅火機(jī)器人為研究對(duì)象，對(duì)該機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理、主要思路以及實(shí)現(xiàn)方案做了詳盡說(shuō)明。滅火機(jī)器人要求能夠在一間平面結(jié)構(gòu)房子模型里運(yùn)動(dòng)，找到一根蠟燭并盡快將其熄滅。機(jī)器人主要由STM32F103微控制器、聲音接收模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、避障傳感器模塊、滅火模塊、電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)板組成，利用傳感器組采集環(huán)境信號(hào)控制機(jī)器人的行動(dòng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)為一個(gè)三輪小車(chē)，其中有兩個(gè)較大的主動(dòng)輪和一個(gè)較小的從動(dòng)輪。兩個(gè)主動(dòng)輪所用的步進(jìn)電機(jī)由TB6560電機(jī)驅(qū)動(dòng)板控制帶動(dòng)。滅火算法由火焰?zhèn)鞲衅骱捅苷蟼鞲衅魉袘?yīng)到的信號(hào)判斷運(yùn)動(dòng)方向和火焰位置，尋找到火源后利用風(fēng)扇滅火。實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)器人行動(dòng)靈活快速，具有很高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】 智能車(chē) 滅火 嵌入式

一、背景介紹

現(xiàn)在社會(huì)各種危險(xiǎn)場(chǎng)所火災(zāi)頻繁發(fā)生，火災(zāi)及時(shí)補(bǔ)救已成為亟待解決的問(wèn)題。由于消防員在時(shí)間和人身安全方面存在的一些局限性，滅火機(jī)器人的理念應(yīng)運(yùn)而生。本文針對(duì)基于STM32的滅火機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以STM32F103嵌入式芯片為核心，完成滅火機(jī)器人的軟、硬件設(shè)計(jì)。

二、總體思路

總體上，在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中遵循穩(wěn)中求快的基本原則。滅火機(jī)器人采用聲音啟動(dòng)方式，車(chē)頂部裝有一個(gè)聲音接收模塊，將接收到的固定頻率的聲音信號(hào)輸送給主控芯片，控制小車(chē)啟動(dòng)。小車(chē)采用后輪驅(qū)動(dòng)，車(chē)前方中間有一個(gè)萬(wàn)向輪從動(dòng)。左右后輪各用一個(gè)直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速達(dá)到前進(jìn)和轉(zhuǎn)向的目的。車(chē)體前側(cè)半周裝有紅外避障傳感器可以避免碰撞墻壁。車(chē)體前部?jī)蓚?cè)裝有兩組火焰?zhèn)鞲衅?，通過(guò)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)火焰信號(hào)輸送給主控芯片來(lái)控制小車(chē)的前進(jìn)方向，自動(dòng)尋找火源；當(dāng)接近火源時(shí)，小車(chē)前側(cè)底部的灰度傳感器將信號(hào)傳送給主控芯片以啟動(dòng)滅火程序。小車(chē)采用風(fēng)扇滅火，滅火完成后執(zhí)行回家程序。小車(chē)運(yùn)動(dòng)的控制是通過(guò)初始化PWM輸出，更改自動(dòng)重裝值來(lái)控制PWM周期，從而設(shè)定步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

三、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)以STM32F103為核心，設(shè)計(jì)了聲音接收模塊、避障傳感器模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、灰度傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，同時(shí)輔助于一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使整個(gè)有機(jī)地結(jié)合在一起。

1、芯片。設(shè)計(jì)采用的主控芯片為 STM32。其特點(diǎn)：具有128K字節(jié)的可編程 Flash、 20K字節(jié)的片內(nèi)SRAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、1024 個(gè)字節(jié)的片內(nèi)在線可編程 E2PROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（含 JTAG 接口）、2 個(gè)分別獨(dú)立可設(shè)置預(yù)分頻器的 8 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、4 個(gè)通道的 PWM輸出、2 路 24 位 ADC、64 個(gè)可編程的 I/O 口（低功耗、最高工作頻率為 16MHz）。

2、電源模塊。驅(qū)動(dòng)電路板中的電源模塊為系統(tǒng)其它各個(gè)模塊提供所需要的電源。設(shè)計(jì)中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡(jiǎn)單等方面進(jìn)行優(yōu)化。本次采用外接線的方式，通過(guò)開(kāi)關(guān)電源為系統(tǒng)提供12V 電壓，避免了在調(diào)試過(guò)程中鋰電池電壓不足的情況。其中，直流減速電機(jī)采用12V 電壓供電，對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)及傳感器所需要的 5V 電壓，采用集成 LM2596DC-DC 穩(wěn)壓芯片將 12V 電壓降至 5V 以滿足其供電要求。電源管理如圖所示：

3、傳感器模塊。機(jī)器人能否順利檢查每個(gè)房間火源情況，準(zhǔn)確找到火源并熄滅，關(guān)鍵取決于傳感器。因此該系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用紅外避障傳感器，遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅骱偷孛婊叶葌鞲衅?，?lái)實(shí)現(xiàn)傳感器模塊設(shè)計(jì)。采用 E18-D80NK 紅外避障傳感器，它是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。發(fā)射光經(jīng)過(guò)調(diào)制后發(fā)出，接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)輸出，有效避免了可見(jiàn)光的干擾。通過(guò)調(diào)節(jié)尾部的電位器旋鈕，該傳感器可以檢測(cè)前方 3～80cm 的障礙物。該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場(chǎng)合。此外，本設(shè)計(jì)還用到了灰度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>

四、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編程，主要包括主程序、電機(jī)模塊、時(shí)鐘模塊、聲音模塊、避障模塊、灰度模塊、尋房模塊、檢火模塊、滅火模塊和回家模塊等部分。主要用到的算法有右手法則沿墻走算法和趨光走算法。首先，機(jī)器人通過(guò)避障傳感器模塊獲取環(huán)境情況，利用右手法則找到第一個(gè)房間。通過(guò)PWM輸出的電脈沖信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的角位移來(lái)控制小車(chē)的速度。而后，小車(chē)通過(guò)灰度傳感器檢測(cè)到房間入口，而后利用火焰?zhèn)鞲衅髂K對(duì)房間進(jìn)行火焰檢測(cè)。如果未檢測(cè)到火焰，則掉頭繼續(xù)尋找下一個(gè)房間；如果檢測(cè)到火焰，則進(jìn)入房間探測(cè)火焰位置，靠近火焰，灰度傳感器檢測(cè)到白線時(shí)，啟動(dòng)滅火模塊進(jìn)行滅火，滅火時(shí)小車(chē)左右搖擺確?；鹧婺軗錅?。滅火后利用火焰?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行火焰檢查，確認(rèn)火焰完全熄滅后退房，最后，小車(chē)按照火焰所在的特定房間的回家路線回家。

五、問(wèn)題與總結(jié)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的速度與直流電機(jī)相比更難提高速度，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)程序來(lái)控制，否則很難達(dá)到與直流電機(jī)相比理想的行進(jìn)速度。為此提出如下解決方案：（1）提高PWM的輸出頻率來(lái)提高步進(jìn)電機(jī)的速度。（2）重新在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊加入轉(zhuǎn)彎、旋轉(zhuǎn)較小角度的程序，來(lái)提高小車(chē)行進(jìn)的準(zhǔn)確性，如旋轉(zhuǎn)45度、30度等。

參 考 文 獻(xiàn)

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