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1、灭火机器人结构与控制设计全套图纸灭火机器人结构与控制设计（全套图纸）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

2、 ，小车，引导控制 ，传感器I 柳辉 灭火机器人结构与控制 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 ca

3、r 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

4、 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

5、 sources and marching close to the fire extinguishing, finally complete task. Keywords: Microcontroller , Car ,Control system, Sensors II 柳辉 灭火机器人结构与控制 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 .

6、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 III 柳辉 灭火机器人结构与控制 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.

7、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 IV 柳辉 灭火机器人结构设计与控制 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

8、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

9、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

10、场合。 - 1 - 柳辉 灭火机器人结构设计与控制 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

11、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

12、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。- 2 - 柳辉 灭火机器人结构设计与控制 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 - 3 - 柳辉 灭火机器人结构设计与控制 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

13、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。 - 4 - 柳辉 灭火机器人结构设计与控制 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0.5s)，3个输入捕捉，可测量脉冲数量，脉冲周期、宽

14、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

15、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: Z为主动齿轮的齿数;Z为从动齿轮的齿数 I,Z/Z1212输出的速度可以表达为: V,V，I 输出动力源图2-4 齿轮箱展开图 - 5 - 柳辉 灭火机器人结构设计与控制 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

16、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- 6 - 柳辉 灭火机器人结构设计与控制 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

17、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

18、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

19、案缺点明显:易受外界光源的干扰，- 7 - 柳辉 灭火机器人结构设计与控制 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

20、，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。 - 8 - 柳辉 灭火机器人结构设计与控制 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 0255 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