全程实例应用.docx

1、全程实例应用10.5 全程实例应用之智能灭火机器人10.5.1 概述最近几十年中，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。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场合。本设计中智能灭火机器人采用两块

2、SPCE061A单片机作为检测和控制的核心，实现机器人的智能控制，包括寻找火源、躲避障碍接近火源、启用风扇灭火等功能。火源探测使用红外传感器，障碍物判断采用集成红外传感器，电机采用直流电机。电机控制核心采用SPCE061A单片机，控制系统与电路用光电耦合器完全隔离以避免干扰。实现的功能是：从安全区出发，自动寻找火源并选择路线灭火，避开障碍接近火源，启用风扇吹灭火源后结束。10.5.2 总体设计1 总体设计的任务和要求设计制作一个智能灭火机器人的模型，能在指定区域进行灭火工作。以蜡烛模拟火源，随机分布在场地中，场地如图所示：图10.5.1 灭火实验场地根据要求为设计确定了以下目标：1）智能灭火机

3、器人启动后能自行寻找到火源。2）发现火源后，避开障碍物接近火源。3）到达灭火距离时停止移动，启动风扇开始灭火。 智能灭火机器人系统总体方案设计本系统大体上分为7个基本模块，它们的关系如图10.5.2所示。图10.5.2 系统模块示意图方案一：在智能灭火机器人的两侧安装两个轮子并由两个普通直流电机带动，前后各安装一个万向轮，方便智能灭火机器人拐弯并起平衡支撑作用。在智能灭火机器人两侧各安装一个火焰传感器和一个风扇，传感器输出信号经比较器来判断火源的远近，左侧通过放大可探测到距离较远的火源，右侧传感器没有接放大器，只可检测到近距离内的火源。另外在中间安装两个传感器，左右距离比前后两对传感器大一些，

4、主要起定位功能。智能灭火机器人从安全区出发后直走到达中线后左拐，开启左侧传感器探测左侧半个场地内火源的情况，发现火源则在下一路口左拐若此时正好在障碍物所处的两条线上则智能灭火机器人后退到前一个路口再左拐，然后两侧传感器均开启，哪一侧检测到火源就开启哪一侧的风扇将火源吹灭。然后回到中线上继续前行探测火源，到达边线后原地转180度对右侧的半个场地进行探测，程序与左半侧基本相同。火源全部灭完后，智能灭火机器人沿中线返回安全区。这种方案硬件简单，软件实现起来思路也比较清晰，但并没有真正起到避障的效果，现在是已知障碍物的位置所以能避开，若临时改变障碍物的位置，则这一方案就不能实现避障，也就无法完成灭火任

5、务。方案二：车身设计与方案一相同，在智能灭火机器人前方增加一个红外障碍物探测传感器，在智能灭火机器人两侧各安装一个火焰传感器和一个风扇，传感器输出信号经电容滤波进入比较器来判断火源的远近，通过调节变阻器能调节比较器的参考电压，从而将火源的距离分成远近两档。左侧为远距离档可探测到105cm以内的火源，右侧传感器可检测到30cm以内的火源，为近距离档。另外在中间安装两个传感器，左右距离比前后两对传感器稍大一些，主要起定位作用。智能灭火机器人从安全区出发后直走到达中线后左拐，开启左侧传感器探测左侧半个场地内火源的情况，若发现火源则在下一路口左拐，然后两侧传感器均开启，哪一侧检测到火源就开启哪一侧的风

6、扇将火源吹灭。然后继续前行探测火源，到达边线后原地转180度对右侧的半个场地进行探测，程序与左半侧基本相同。经考虑这个方案比较合适，所以采用方案二。(2 智能灭火机器人各模块方案选择一、控制器模块单片机控制模块在本系统中处于核心地位。其工作包括处理键盘输入、显示模块控制、响应传感器中断、控制电机运行等。对单片机控制模块的基本要求是具有较高的速度、资源配置满足要求。方案一：采用传统的8位89C51单片机作为运动物体的控制中心。经典51 单片机具有价格低廉,使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小、不稳定等缺点。本题目要求有较大的RAM，由于智能灭火机器人的颠簸需要比较稳定的

7、系统，若采用89C51需要做RAM，ROM来扩展其内存空间，其硬件工作量必然大大增多。而高档的MCS-51系衍生产品价格昂贵、冗余资源较多、使用范围较窄。采用89C51单片机实现，单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。但是89C51需外接模数转换器来满足数据采样，硬件电路相对复杂。另外，51单片机在线操作不易掌握，需要用仿真器来实现软硬件调试，过于复杂，所以这个方案不予采用。方案二：采用FPGA作为系统控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用EDA软件进行仿真和调试。FPGA采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大

8、规模实时性要求较高的系统。在本设计中智能灭火机器人的行走速度不能过快， FPGA的高速处理能力得不到充分发挥，所以决定不考虑这个方案。 方案三：采用PHILIPS公司的LPC213X-ARM系列为控制器核心。高集成度的32位嵌入式ARM控制器核心功能强大速度快，逻辑功能处理能力强。并可以进行JTAG在线仿真，支持ADS1.2集成开发环境，内置USB接口，具有良好的控制与通信功能。内部PLL电路可调整系统时钟可使CPU时钟最大达到60M赫兹，运算速度很高。用于较高的系统及操作系统，适用于32 位ARM嵌入式系统的开发。作为控制智能灭火机器人的核心部件显得资源的运用效率很低，而且ARM的价格比较贵

9、，程序的要求也比较高。方案四:采用16位单片机SPCE061A作为智能灭火机器人运动的控制中心。SPCE061A具有丰富的资源：RAM，ROM空间大、指令周期短、运算速度快、低功耗、低电压、可编程音频处理，单片机SPCE061A的晶振频率为32.768KHZ，有32K的FLASH，3.3V供电，32位可编程并行I/O口，两个十六位可编程定时/计数器，可以自动设置预设初值。易于编写和调试等优点。尤其在复杂的数学运算，其运算速度快，精度高，在控制步进电机时运行速度比一般51单片机快。采用16位SPCE061A单片机。此单片机功能较强、兼容性好、性价比高；具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗

10、小以及具有较高的数据处理和运算能力，系统最高时钟频率可达49MHz，运行速度快；而且由于凌阳SPCE061A单片机内部集成了A/D、D/A转换器，不需外加A/D、D/A器件。通过采样取样，结合内部A/D、D/A，构成闭环反馈调整控制。此种方案既能实现智能化的特点，简化硬件电路，提高测量精度，同时也能利用软件对测量误差进行补偿，这给调试、维护和功能的扩展、性能的提高，带来了极大的方便。按照设计要求，控制器主要接收和辨识红外传感器传来的信号，处理寻线。火源传感器的信号处理运算。两个电机的动作控制，灭火风扇电机的控制，以及躲避障碍物到达火源处灭火且智能灭火机器人速度，同时系统应当比较稳定。基于以上方

11、案对比，及其资源的利用、运算速度等各个方面的综合考虑，我们采用方案四。二、 火源探测模块火源探测模块是本设计中比较重要的一部分，因为要使智能灭火机器人发挥作用，自行灭火，就必须先找到火源，这样才能决定智能灭火机器人的灭火行进路线。如果火源探测模块出现问题，会使智能灭火机器人在火源的定位上出现偏差或无法找到火源，导致整个设计的失败，找不到火源就无法完成任务。因此考虑了以下两种方案。方案一：采用一个火焰传感器进行火源探测用一个火焰传感器，安装在智能灭火机器人前方，从火焰传感器得到的信号经整流放大，再通过AD转换接单片机由程序将火焰距离分为远近两档，远距离测到火焰可确定智能灭火机器人的基本行进方向，

12、进入近距离档后调整方向对准火源，开启风扇将其吹灭。这个方案在硬件选择使用上比较简单方便，但增加了程序编写的难度，并且AD转换不够稳定，误差较大，故决定不考虑该方案。方案二：使用两个火焰传感器及相关外围电路进行火源探测。用两个传感器分别安装在智能灭火机器人的两侧进行远近距离的定位检测，火焰传感器反馈的信号经电容滤波，再通过比较器后，输入到单片机的I/O A端口，通过调节变阻器大小改变比较器的参考电压，从而将火焰距离分为两个档，近距离档和远距离档，该方案优点是工作电压低，择向性好，远近距离的定位准确，能消除火源放置的各种特殊情况，而不存在盲区。所需器件相对价廉，方向精确度可以利用圆筒小孔定位，使方

13、向精度提高，准确寻找到火源。经过考虑此方案比较实用，所以决定采用。经过比较，决定采用方案二，使用两个火焰传感器及相关外围电路进行火源探测。三、 寻线前进模块光电检测模块是用以实现智能灭火机器人沿着场地上标出的细线运动的，且不能偏离该轨迹。设计中路径是一条细窄的白色亮线，周围场地是黑色胶皮，所以可以利用传感器来决定前进轨迹，考虑以下多种方案。方案一：使用可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，对环境的要求比较高。一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判，即使是采用超高亮发光二极管可以降低一定的干扰，但这将增加额外的功率损

14、耗，因此决定否定这个方案。方案二：采用一左一右两个红外发射接收对管。电路如图1.2.2.3a所示，在该电路中，加比较器LM311的目的，是使模拟量转化为开关量，便于处理。为使发射有一定的功率，发射回路要求不小于20mA的电流。根据公式故可选择R1=150。启动时，智能灭火机器人跨骑在白色胶纸上。两个红外发射接收对管，安装在智能灭火机器人两侧，输出为低电压，当智能灭火机器人走偏，偏离白线时，输出为高电压。这个方案在效果上感觉比较合适，但由于电路设计方面比较复杂，运行耗电量比较大，也不很稳定，受电源，环境影响比较大 ，以及造价成本多方面考虑，并不合适。图10.5.3 红外发射接收对管处理电路图10

15、.5.4 传感器安装示意图方案三：采用颜色传感器。目前颜色传感器的应用，越来越广泛，效果也可以。但相对复杂的处理电路，并且还需要光源，对周围环境光源也有要求，如果环境光源发生变化，就会造成一定的影响。所以决定不考虑这个方案。方案四：采用光电传感器。当光线照射到下方场地上时会发生反射，由于黑色胶皮和白色胶纸的反射系数不同，光电传感器可根据接收到的反射光强弱来判断是否偏离白线。使用六个集成的反射式光电传感器，其中四个传感器位于智能灭火机器人的四个角上，呈矩形分布，中间两传感器左右距离大一些，前后四个传感器主要是用来为前进和后退导向的，而中间两个则是为了精确定位的，看智能灭火机器人中心是否到达路口，

16、根据传感器状态的变化来判断智能灭火机器人偏离胶纸的情况以及路口的不同情况，从而调整智能灭火机器人的运动。智能灭火机器人上传感器的安装位置如图1.2.2.3b所示。经过考虑，决定选用方案四，不易受外界干扰，并且比较容易实现。四、 障碍物检测躲避模块障碍物检测模块是用来判断智能灭火机器人前方是否有障碍物并确定智能灭火机器人与障碍物之间的距离、障碍物的位置。为了确保智能灭火机器人在行驶过程中避免撞到障碍物,系统需要利用测距传感器检测出障碍物与智能灭火机器人之间的距离,或记录下障碍物所在线路，使智能灭火机器人做出正确的动作,避免与障碍物相撞。躲避障碍物的模块有以下几种方案。方案一：采用激光传感器测距，

17、激光传感器能非常准确地测出智能灭火机器人与障碍物的距离，采用激光传感器检测距离,是利用光的反射原理进行距离的测量.激光具有方向性强,亮度高,单色性好,传输速度快(C=3108m/s等优点,因此激光传感器具有抗干扰强,测量精度高,反应速度快等特点.但由于激光是以光速传播的,距离与时间的关系满足:2S=CT1,在本系统中障碍物离智能灭火机器人的距离最大不超过2m,所以T14/C=1.3310-8s,而单片机机器时钟为晶体振荡器的1/12(一般单片机采用12Mhz或6Mhz的晶振,远大于T1,因此需要添加外部的发射电路才能适合单片机接收,同时,由于激光传感器的制作比较精细使其价格过高.单片机控制信号

18、在延时后控制激光发射器发射激光束,同时开始计时,当接收器将接收的信号反馈给单片机时计时停止，通过时间差和光速的特点计算路程。但价格比较高，处理过程复杂，所以决定不考虑此方案。方案二：采用超声传感器，超声传感器输出与距离成比例的模拟信号，通过AD转换，可获得距离信息，同样成本比较高。但也有一些较简单的超声传感器及处理电路，能输出开关量信息，成本也不算高，是比较合适选择，应用单片机发射和接受超声波传感器信号的方框图如图1.2.1.4a所示图10.5.5 应用单片机发射和接受超声波传感器信号的方框单片机发出40kMhz的脉冲信号,通过驱动电路由超声波的发射器发射出去,连续发十个,同时定时器开始计时,

19、如果接收器在发完十个脉冲后未接收到反馈信号,则判断无障碍物,延时后单片机再发十个脉冲信号。如果接收器收到反馈信号,则判断有障碍物,并通知单片机停止计时.通过时间差计算距离.设超声波在空气中的传播速度为344m/s,则根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s,即s=344t/2.但是附近的障碍也能反射超声波形成干扰，测量距离误差比较大，而且近距离测量的精度也不是很高，所以暂不考虑。方案三：采用两个红外传感器。红外传感器是目前使用比较普遍的一种避障传感器，其处理电路如图1.2.1.4b所示，通过调节R23、R24两个电位器，可调节两个红外传感器的检测距离为1080cm，开关量输

20、出，即输出为TTL电平。但电路比较复杂，不易实现，而且环境里的其他热源比如人、烟头、电源等能热源都能影响到其工作的稳定性，故排除了这种方案。图10.5.6 红外发射及接受处理电路方案四：采用近距离可调光电开关，当智能灭火机器人寻线走到障碍物前时光电开关发出信号使智能灭火机器人停下，并返回上一个路口转弯，走一个“弓”字避开障碍物继续前进。这样很容易实现避障功能，造价比较低，精度也比较高，故实现起来比较简单，容易方便稳定，满足各方面的要求。按照设计要求需要准确识别障碍并能避开障碍，从而实现避障和灭火功能。我们选择了方案四。五、 路程测量模块方案一：采用开关式霍尔元件，将磁铁固定在小汽车的车轮上,当

21、车轮转动时,磁铁也跟着转动,霍尔元件感应到磁场的变化时,就会产生通断效果,使单片机的定时器的输入端产生高低电平的变化,从而记录智能灭火机器人车轮转动的圈数,假设为N,并设车轮的周长为L,通过公式S=N*L就可以计算出小汽车在一段时间内的行程。这种测量方法的测量数据只能是车轮周长的整数倍，路程短误差还比较小，一旦走的路程长，拐弯、避障倒车等因素比较多的时候误差就会累积起来，不精确。例如：智能灭火机器人的车轮半径为1cm，那么这种测量方法的最小误差也将达到6cm。不符合题目的要求，因此在最大限度提高精度方面暂不采用此方案。图10.5.7 透光式光电传感器方案二：采用透光式光电传感器，硬件电路如图1

22、.2.2.5所示。在小汽车的车轮上钻若干小孔，设小孔的个数为n。在车轮转动时，发光二极管发射的光被没有孔的地方遮挡时，光敏三极管不能导通，光敏三极管的集电极输出为高电平，经CD40106反相后，单片机定时器的输入端为低电平。在有小孔的地方，发光二极管发射的光就会透过小孔照射到光敏三极管上，使光敏三极管导通，此时光敏三极管的集电极输出为低电平。在经CD40106反相后，单片机定时器的输入为高电平。单片机定时器就会准确记录下这种高低电平的变化的次数，即通过的小孔的个数。假设为N, 并设车轮的周长与方案一的相同也是L，某段时间内的行程计算公式为S=N*L/n可以看到这种测量方法的最小误差为方案一的1

23、/n，可较为精确地测量出小汽车的行程。并且可以进行误差控制，因为孔的个数与误差成反比，要想提高准确度只要增加小孔的个数就可以。方案三：由于场地的特殊性数格数计路程，路程的测量可直接在程序中实现，由于本题中场地被均匀地分成30 cm*30 cm的小方格，只要让智能灭火机器人走整格数并记录格数n1，在每个路口处做出动作继续前进或拐弯）并在原格数基础上加1，则整格数部分的路程可直接由公式s1=n1*30cm算出。另外不到整格数的部分可通过透光式光电传感器来计算，其计算公式为s2=N*L/n则最后总的路程可表示为S=s1+s2= n1*30+ N*L/n通过对以上方案的对比，综合考虑路程计算的精度和实

24、现的难易程度，考虑选用方案三。六、 智能灭火机器人电机驱动模块电机驱动模块也是本系统的重要模块之一，用于控制智能灭火机器人的运动。因为本系统中未设置位置传感器，系统对位置的定位完全靠软件来实现，这就要求电机的控制精度必须要高，考虑了以下几种方案。电机驱动电路选择方案一:利用9012、2SC8050、及电机构成驱动电路。图10.5.8 电机驱动电路如果单片机控制口输出高电平，9012截止，2SC8050截止，电机停止运转。单片机控制口输出低电平时，9012导通，2SC8050导通，电机开始运转。该电路比较简单，输出功率足够大，足以推动电机工作，并且电机工作时三极管性能非常稳定。但该方案中单片机部

25、分和电机供电部分没有完全隔离，而电动机在切换时会产生巨大的反电动势，经常烧坏单片机。故没有使用该方案。方案二：使用多个功率放大器驱动电机。通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大要求，放大后能够得到较大的功率。但由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作会比较复杂。因此也没有选择这种方案。方案三：使用61板上四个接口B0、B1、B2、B3来实现对智能灭火机器人上电机的控制。首先在外部智能灭火机器人前后各放一个万向轮，两侧为双动力轮。61板的四个控制端口B0、B1、B2、B3分别接左电机A接口、左电机B接口、右电机A接口、右电机B接口。表1

26、0.1.1 电机转动状态编码左电机右电机左电机右电机电动车运行状态B0B1B2B30101正转正转前行0110正转反转右转0111正转停以右电机为中心原地右转1001反转正转左转1101停正转以左电机为中心原地左转1010反转反转后退由表10.1.1可知，只要通过软件编程设定61板的四个控制端口B0、B1、B2、B3的不同编码，就可得到电动车的前进，后退，旋转等不同的运行状态。实现起来比较容易，并且误差较小。经过考虑，决定选用方案三。电机类型选择方案一：采用减速小型直流电机。减速直流电机控制精度很低，虽不能准确控制电机转速，但可控制电机正转、反转、不转等动作，速度均匀性好。这已足够我们控制智能

27、灭火机器人前进、拐弯、后退等简单工作，且控制简单，电源要求低，易于实现。方案二：采用专用步进电机驱动器及与其配套的步进电机。步进电机是数字控制电机，用这种方案的控制精度可控制角度）、效率和可靠性都很高，但价格过高、重量大、占用口资源多且控制复杂对电源要求也高，所以排除这个方案。通过以上对比，决定选择使用普通直流电机。电机的选择方案一：采用直流电机控制悬挂物体的运动，直流电机力量大，能获得较大的启动转矩，转动速度快，但由于存在机械触点，直流电机容易产生噪声，而且单独使用时不能完成位置控制，需要配以传感器才能控制定位。方案二：采用步进电机控制悬挂物体的准确运动，步进电机不需要使用传感器就能精确定位

28、，而且通过给定的脉冲周期，能够以任意速度转动，定距运动较精确。虽然步进电机不能高速转动，但根据题目要求的时间和移动距离，步进电机完全能够符合要求，是该种要求下广泛使用的一种电机。经过考虑，决定选择方案二。七、 灭火模块曾考虑了各种灭火方式，有放置小型灭火器、使用喷水装置灭火等。但由于都比较复杂，并且对智能灭火机器人的稳定性要求很高，所以最后选择用风扇将蜡烛吹灭。用风扇能达到要求，并且简单方便各方面的实现都比较简单，工作也比较稳定，调试快捷。适合应用。使用时检测并确定火源在可吹灭的范围内后由单片机控制风扇开启，吹灭蜡烛。图10.5.9 风扇电路控制原理图八、电源模块采用普通的电池组供电就能实现我

29、们的要求，我们计划一共使用六盒电池，两盒6V电池分别用在智能灭火机器人电机上和红外探障传感器上，风扇采用9V电源，另外两块4.5V电池用在61板和传感器的供电上。风扇使用9V和智能灭火机器人电机用6V电源是为了增加驱动能力，而智能灭火机器人的两个电机使用一个电源是为了使两电机的转速相同。电源的选择方案一：所有器件都采用单一电源。这样供电虽然比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且给定脉冲信号驱动的电机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，对单片机系统造成严重的干扰，缺点十分明显。方案二：双电源供电。将电机驱动电源12V）和单片机的供电电源 系统各模块的最终方案经过仔细分析和论证，我

30、们决定系统7个模块的最终方案如下：a 控制器模块：选择SPCE061A单片机作为智能灭火机器人运动的控制中心。b 火源探测模块：采用双火焰传感器精确定位系统。c 寻线前进模块：采用6个光电传感器来引导和调整智能灭火机器人的动作。d 障碍物检测躲避模块：选用了红外传感器避障。e智能灭火机器人电机驱动模块：采用普通直流电机，双驱动四接口方式、PWM脉宽调速。f 灭火模块：在智能灭火机器人两侧分别安装两个风扇对火源进行吹风。g 电源模块：直接采用电池组，分别做出4.5V、6V和9V电池组。10.5.3 硬件设计本题是一个光机电一体的综合设计，在设计中应用了检测技术、自动技术和电子技术。系统硬件可以分

31、为控制部分、检测部分和功能实现部分。1 控制部分1）车身动力部分电机部分采用普通直流电机PWM模式控制，PWM模式易于控制电机转速和拐弯的角度，并且采用双电机驱动以利于智能灭火机器人的原地转向、后退等动作的完成。如原地左转则可通过控制左侧电机反转，右侧电机正传来实现。2）单片机控制部分单片机我们选用了一块SPCE061A板，单片机用来接收火焰探测和路面检测的信号以及红外探障信号并进行分析后通过控制电机转动来控制智能灭火机器人的运动，最终避开障碍物到达火源处灭火，作为主要控制模块。3） 控制部分单元电路图a 车身动力部分电路图图10.5.10 PWM电机控制电路图2.2.1a是我们设计电机驱动电路的最初依据和出发点，它是通过调节脉宽来调节加速时间以达到调节电机速度的目的，比较容易实现。图10.5.11 使用61板上四个接口B0、B1、B2、B3来实现对智能灭火机器人上电机的控制。首先在外部智能灭火机器人前后各放一个万向轮，两侧为双动力轮，内部电路如图2.2.1b所示，当A输入为低电平，B输入为高电平时，驱动电机正转。当A输入为高电平，B输入为低电平时，驱动电机反转。A、B都为高电平时电机停止，