智能滅火機(jī)器人自動(dòng)避障和火焰搜索的設(shè)計(jì)方案

1、智能滅火機(jī)器人自動(dòng)避障和火焰搜索的設(shè)計(jì)方案摘 要智能滅火機(jī)器人在實(shí)際中的工作需要系統(tǒng)的合 作，本文主要對(duì)智能滅火機(jī)器人的火焰搜索和自動(dòng)避障進(jìn)行 了分析，分析的角度從軟件和硬件兩個(gè)方面入手。本文對(duì)智 能滅火機(jī)器人兩個(gè)系統(tǒng)的分析采用了實(shí)例分析的方法進(jìn)行， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明火焰搜索系統(tǒng)以及自動(dòng)避障系統(tǒng)都能夠很好 的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。【關(guān)鍵詞】智能滅火機(jī)器人 自動(dòng)避障 火焰搜索 設(shè)計(jì) 方案微電子與人工智能技術(shù)的發(fā)展讓我們的生活發(fā)生了很 大的改變，尤其是智能機(jī)器人的出現(xiàn)更是大大提高了生產(chǎn) 力，代替了人類進(jìn)行很多人類難以完成的工作。滅火智能機(jī) 器人一直是人們討論的話題，如果滅火機(jī)器人能夠順利完 成，那么滅火作業(yè)就

2、可以用機(jī)器人代替消防隊(duì)員進(jìn)行作業(yè)。 本文的研究主要從軟件和硬件兩個(gè)方面入手并進(jìn)行了相關(guān) 的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證證明了滅火智能機(jī)器人問(wèn)世的可 能性。1 滅火智能機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 智能滅火機(jī)器人運(yùn)用四驅(qū)小車主體結(jié)構(gòu)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)四個(gè) 輪子控制速度，進(jìn)而對(duì)小車前進(jìn)速度與后退速度進(jìn)行控制。將紅外避障傳感器安裝在車體中間，一旦距離墻壁較近，就 能及時(shí)轉(zhuǎn)彎， 避免撞墻， 充分發(fā)揮滅火機(jī)器人的防撞墻作用。 同時(shí)，將舵機(jī)控制的機(jī)械手臂、超聲波模塊安裝在車身上， 一旦有障礙物，可使用機(jī)械手臂將障礙物清除，在小車前方 裝有火焰?zhèn)鞲衅?，能?shí)現(xiàn)多角度、全方面的尋找火焰信號(hào)， 并將信號(hào)傳送給控制模塊，由控制模塊對(duì)機(jī)器人

3、的動(dòng)作進(jìn)行 控制，在達(dá)到火源邊緣后，傳感器把信號(hào)傳輸給控制模塊， 并將滅火程序啟動(dòng)，小車使用一系列滅火方式，在最短的時(shí) 間內(nèi)完成滅火任務(wù)。同時(shí)還要在機(jī)器人身上安裝一個(gè)全方位 的攝像頭，這樣就可以將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況馬上進(jìn)行傳輸，通 過(guò)使用 NRF2401 無(wú)線模塊讓智能滅火機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制， 讓遠(yuǎn)離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)人員可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制對(duì)智能滅火 機(jī)器人進(jìn)行控制。2 智能滅火機(jī)器人的系統(tǒng)硬件介紹2.1 控制模塊功能 智能滅火機(jī)器人系統(tǒng)硬件中的控制模塊主要由電源模 塊、風(fēng)扇模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、 STM32F411RE 等具體的模塊構(gòu)成， 具體框架如圖 1。在智能 滅火機(jī)器人上安裝的傳感

4、器要求有采集環(huán)境信息的功能，因 此對(duì)傳感器的要求較高，故本設(shè)計(jì)在進(jìn)行傳感器選擇的時(shí)候 也充分考慮到了這一點(diǎn)，因此選用性能較好的 STM32F411RE 芯片。 STM32F411RE 芯片的 CPU 頻率最高 可以達(dá)到 84MHz ，主要優(yōu)點(diǎn)包括實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、 功耗 低、速度快等。2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊功能滅火機(jī)器人車身電機(jī)使用 L298N 芯片驅(qū)動(dòng)， 在控制模塊 下，輸出四路 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng) L298N ，并改變 PWM 脈沖占 空比，對(duì)車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制機(jī)器人的前進(jìn)和后退。2.3 無(wú)線模塊功能通過(guò) NRF24L01 無(wú)線模塊，可對(duì)滅火機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操 控。 NRF24L01 無(wú)線

5、模塊與 SPI 和外部 MCU 通信，最高工 作效率可達(dá) 2Mbps ，其抗干擾能力 ?、可選頻道多，滿足調(diào) 頻與多點(diǎn)通信實(shí)際需要。同時(shí)，還能設(shè)置自動(dòng)應(yīng)答，保證穩(wěn) 定傳輸數(shù)據(jù)。2.4 紅外測(cè)距傳感器功能 紅外測(cè)距傳感器一般用在障礙物檢測(cè)，避免滅火機(jī)器人 撞到墻面。本文中的設(shè)計(jì)運(yùn)用光電式紅外傳感器 E18-D80NK ，此紅外測(cè)距傳感器是一種數(shù)字式傳感器，集紅 外發(fā)射模塊與紅外接收模塊于一身，4cm85cm范圍為有效檢測(cè)范圍。2.5 火焰?zhèn)鞲衅鞴δ?火焰?zhèn)鞲衅魇且环N模擬傳感器，能夠?qū)⒁呀?jīng)檢測(cè)的熱源 信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)器人可有效識(shí)別的信號(hào)，具有信號(hào)輸出指示作 用。800納米-1100 納米范圍內(nèi)的熱源，

6、 火焰?zhèn)鞲衅鞫寄軝z測(cè) 到。其中在紅外波長(zhǎng)在 1000 納米附近時(shí)，其靈敏度會(huì)很大， 約有 60 度的探測(cè)角，正好符合檢測(cè)火焰的指標(biāo)。機(jī)械臂由 兩個(gè)舵機(jī)控制， 在兩個(gè)舵機(jī)作用下， 可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確抓取障礙物， 進(jìn)而為機(jī)器然準(zhǔn)確行走、障礙物清除奠定基礎(chǔ)。2.6 電源模塊功能在開關(guān)電源作用下， 為系統(tǒng)提供出 12V 電壓， 以達(dá)到最 小系統(tǒng)板塊要求。在遠(yuǎn)程控制過(guò)程中，系統(tǒng)利用鋰電池充電 運(yùn)行，確保能夠遠(yuǎn)程控制滅火機(jī)器人。同時(shí)，電源模塊可利 用太陽(yáng)能電池板方式，確保能夠使滅火機(jī)器人自動(dòng)執(zhí)行充電 功能。2.7 攝像頭模塊功能攝像頭模塊利用 Wi-Fi 攝像頭，由滅火機(jī)器人電源模塊 負(fù)責(zé)供電，在連接網(wǎng)絡(luò)的狀況下

7、，實(shí)現(xiàn)滅火機(jī)器人和計(jì)算機(jī) 主控端實(shí)時(shí)通信，在計(jì)算機(jī)主控端界面上就能夠看到滅火機(jī) 器人的情況，即實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀看攝像頭記錄的圖像，并利用手 持控制器，對(duì)滅火機(jī)器人遠(yuǎn)程控制。3 軟件的設(shè)計(jì)部分以及系統(tǒng)測(cè)試 智能滅火機(jī)器人的軟件部分設(shè)計(jì)分為若干個(gè)模塊進(jìn)行 的整體設(shè)計(jì)。智能滅火機(jī)器人的開機(jī)模塊使用的是自動(dòng)啟動(dòng) 程序，啟動(dòng)完成之后要用手動(dòng)按鍵的方式選擇是否需要進(jìn)入 無(wú)線模式，無(wú)線模式下按鍵就可以控制智能滅火機(jī)器人的走 動(dòng)比如：右轉(zhuǎn)控制、左轉(zhuǎn)控制、后退控制、前進(jìn)控制等，如果在前進(jìn)的過(guò)程中遇到障礙物可以通過(guò)操作將障礙物夾起 進(jìn)行道路清理。自動(dòng)模式下智能滅火機(jī)器人會(huì)自動(dòng)判定自身 周圍是否有火源出現(xiàn)，如果沒(méi)有火源機(jī)

8、器人就會(huì)自動(dòng)前進(jìn)去 尋找火源，在這個(gè)過(guò)程中如果遇到障礙物就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行清 理，然后繼續(xù)尋找火源，直到找到火源之后機(jī)器人會(huì)選擇噴 水、風(fēng)扇滅火等方式進(jìn)行滅火。軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)全部完 成之后就要進(jìn)行整體的系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試時(shí)首先需要驗(yàn)證的就 是無(wú)限模式能否正常運(yùn)行，測(cè)試時(shí)通過(guò)控制端對(duì)機(jī)器人進(jìn)行 后退、前進(jìn)、清除障礙物、滅火等實(shí)際行動(dòng)的控制。其次是 自動(dòng)模式的測(cè)試，自動(dòng)模式的測(cè)試比較簡(jiǎn)單，只要直接開啟 即可，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了智能滅火機(jī)器人的各個(gè)系統(tǒng)，能夠較 好的完成預(yù)定的任務(wù)。4 總結(jié)本文對(duì)于智能滅火機(jī)器人的探討是在 STM32F411RE 控 制器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，并具體從軟件和硬件兩個(gè)方面進(jìn)行了 詳細(xì)的介紹，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)火焰搜索系統(tǒng)和自動(dòng)避障系 統(tǒng)都進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)驗(yàn)證得到了可以完成智能滅火機(jī)器人 的結(jié)論，智能滅火機(jī)器人的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)引起廣大的關(guān)注，成 功引入到消防領(lǐng)域后會(huì)解決很多以前難以解決的難題。參考文獻(xiàn)1 龍桂鈴 .基于單片機(jī)的智能車避障的實(shí)現(xiàn) J. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程， 2011（ 0