摘 要： 介紹了一種自行研發(fā)與制作的比賽用滅火機(jī)器人。該機(jī)器人采用STC80C52單片機(jī)為主控芯片，結(jié)合使用步進(jìn)電機(jī)和溫度傳感器來(lái)判斷火源位置，利用紅外測(cè)距傳感器與直流電機(jī)完成機(jī)器人的行走和自動(dòng)避障等功能。在控制算法上，采用“左右手定則”和無(wú)火不入房的策略，提高了尋找火源的效率。
關(guān)鍵詞： 滅火機(jī)器人；STC80C52；紅外測(cè)距傳感器
隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，成為了先進(jìn)制造技術(shù)和自動(dòng)化裝備的典型代表。機(jī)器人技術(shù)涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，如電子、機(jī)械、自動(dòng)控制、傳感器、計(jì)算機(jī)等。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，近年來(lái)國(guó)內(nèi)許多企業(yè)為應(yīng)對(duì)人力資源緊張的局勢(shì)，積極與各大高校聯(lián)合，對(duì)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這使得對(duì)機(jī)器人技術(shù)的研究達(dá)到了空前的高潮。本文所介紹的機(jī)器人裝備了信息處理系統(tǒng)、各種傳感器、運(yùn)動(dòng)裝置和滅火裝置，可以獨(dú)立實(shí)施火源的搜索和滅火任務(wù)[1]。
1 總體設(shè)計(jì)思想
通過(guò)對(duì)比賽規(guī)則的分析（用蠟燭模擬火源，隨機(jī)分布在場(chǎng)地中，要求在最短的時(shí)間內(nèi)找到火源并將其撲滅），為在最短的時(shí)間內(nèi)完成比賽所規(guī)定的任務(wù)，對(duì)機(jī)器人完成整個(gè)動(dòng)作要求做如下設(shè)計(jì)：機(jī)器人在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成前后及轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作；在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中利用紅外傳感器和循跡模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障和房間定位功能；當(dāng)機(jī)器人定位火源的房間后，由直流電機(jī)和循跡模塊共同工作，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至滅火位置，隨后通過(guò)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)力風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)滅火任務(wù)；滅火完成后返回出發(fā)區(qū)域。
2 硬件及電路設(shè)計(jì)
機(jī)器人的控制芯片采用MCS-51系列的80C52單片機(jī)，它內(nèi)置8位中央處理單元，32個(gè)雙向輸入輸出口，是80C51的增強(qiáng)版本，工作電壓為3.3 V~5 V[2]。機(jī)器人硬件部分主要包括驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、滅火模塊和電源模塊，總體框圖如圖1所示。
2.1 驅(qū)動(dòng)模塊
驅(qū)動(dòng)模塊主要包括直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩部分。
直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊[3]主要用于控制直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)，完成機(jī)器人向前向后及轉(zhuǎn)彎等功能?？刂菩酒捎肔298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其邏輯供電電壓為5 V，與單片機(jī)工作電壓相匹配，驅(qū)動(dòng)供電電壓為5 V~46 V，在此采用12 V的電壓輸入?？刂圃韴D如圖2所示，其中VS和VSS分別為驅(qū)動(dòng)控制電壓和邏輯控制電壓，ENA、ENB分別為直流電機(jī)1、2的使能端，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4輸出PWM方波控制直流電機(jī)1、2的轉(zhuǎn)速。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要用于帶動(dòng)火焰?zhèn)鞲衅餍D(zhuǎn)進(jìn)行火焰的定位?？刂菩酒捎肁3955SB，該芯片是美國(guó)Allegro公司生產(chǎn)的，其工作電壓可達(dá)50 V，電流可達(dá)1.5 A。同時(shí)A3955SB芯片還提供過(guò)溫保護(hù)、過(guò)流保護(hù)及欠壓保護(hù)等功能[4]。A3955SB芯片為16引腳的芯片，其輸入為DAC的3個(gè)輸入端D0、D1、D2，通過(guò)設(shè)置REF端口的電壓和采樣電阻R0，可確定通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的最大電流Imax，其關(guān)系式為Imax=VREF/3R0；RC端口用來(lái)控制PWM的波形；輸出為OUTA和OUTB，用于控制步進(jìn)電機(jī)的某一相，同時(shí)PHASE端口決定步進(jìn)脈沖的方向。兩相步進(jìn)電機(jī)的控制電路圖如圖3所示。
2.2 傳感器模塊
傳感器相當(dāng)于人類的各種感官系統(tǒng)，幫助機(jī)器人識(shí)別路線、障礙、火源等一系列事物，是機(jī)器人完成特定任務(wù)的關(guān)鍵。該機(jī)器人所用傳感器主要包括紅外測(cè)距傳感器、循跡模塊和火焰?zhèn)鞲衅鳌?/p>
紅外測(cè)距傳感器可以精確地檢測(cè)距離，其測(cè)量范圍為0.2 m~1.5 m，測(cè)量信號(hào)可以模擬輸出。該機(jī)器人所使用的是Sharp公司生產(chǎn)的GP2Y0A02YK0F型紅外測(cè)距傳感器，它是基于三角測(cè)量原理，傳感器按照某一角度發(fā)射紅外光束，光束遇到障礙物后被反射，當(dāng)CCD檢測(cè)器檢測(cè)到有紅外光束被反射后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)距離為L(zhǎng)的偏移，運(yùn)用三角形的原理，結(jié)合必要的數(shù)據(jù)（如發(fā)射角a，焦距f等）可以計(jì)算出物體到傳感器的距離，如圖4所示。當(dāng)測(cè)量出距離后，傳感器會(huì)將距離轉(zhuǎn)換成電壓值輸出，如圖5所示。
循跡模塊主要由碰撞開(kāi)關(guān)和灰度傳感器組成，用來(lái)檢測(cè)碰撞和灰度，其工作原理比較簡(jiǎn)單，在此不做過(guò)多介紹。
火焰?zhèn)鞲衅鱎2868可以檢測(cè)到波長(zhǎng)在700 nm~1 000 nm范圍內(nèi)的紅外光，檢測(cè)距離為0.8 m，當(dāng)檢測(cè)到火焰信號(hào)后，輸出低電壓信號(hào)。
2.3 滅火模塊
滅火模塊主要依靠風(fēng)扇產(chǎn)生強(qiáng)勁的風(fēng)力將火源撲滅，由于其功率較大，需要采用繼電器對(duì)其進(jìn)行輔助控制。在實(shí)際的滅火環(huán)境下，可將滅火裝置改為干粉滅火器火噴水裝置來(lái)完成。
2.4 電源模塊
機(jī)器人采用12 V的鋰電池供電，由于單片機(jī)及部分傳感器工作電壓為5 V，需要設(shè)計(jì)降壓電路。降壓電路的芯片采用LM7805，它具有體積小、使用方便的特點(diǎn)，控制電路如圖6所示。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)對(duì)比賽規(guī)則的分析，決定采用“左右手定則”來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人路徑的規(guī)劃。所謂左右手定則，就是根據(jù)比賽場(chǎng)地的實(shí)際地形分布，在某段時(shí)間內(nèi)遇到岔路口向左（右）運(yùn)動(dòng)，以后都向右（左）運(yùn)動(dòng)的方式。在比賽中采用先右后左的策略，在每個(gè)房間的門口檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)火源，則進(jìn)入房間滅火，滅火后再次利用火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)火源檢測(cè)以確定是否將火源撲滅，否則不進(jìn)入該房間，繼續(xù)搜尋下一個(gè)房間。此外在機(jī)器人前進(jìn)的過(guò)程中，由于某些原因（如控制電路的延時(shí)性、摩擦阻力不同、電機(jī)性能不同等）會(huì)導(dǎo)致左右兩側(cè)的直流電機(jī)不同步，致使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線產(chǎn)生偏移。在此需要設(shè)計(jì)前進(jìn)位置偏移檢測(cè)程序來(lái)糾正機(jī)器人的位置偏差，主要原理是在前進(jìn)過(guò)程中每隔很短的時(shí)間，利用紅外測(cè)距傳感器對(duì)兩側(cè)距離進(jìn)行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)兩次檢測(cè)的距離不同，則對(duì)偏離方向進(jìn)行計(jì)算，并反饋給處理器對(duì)機(jī)器人的位置進(jìn)行調(diào)整。機(jī)器人控制流程如圖7所示。
主程序框架如下：
#include<REG51.h>
#include<absacc.h>
#include<math.h>
#include<intrins.h>
void main（void）
{
TMOD=0x02；//設(shè)定T0的工作模式為2
TH0=0x9B；
TL0=0x9B；//裝入定時(shí)器的初值
EA=1；
ET0=1；
TR0=1；
init（）； //程序初始化
Walk（）；//開(kāi)始運(yùn)動(dòng)
While（num<=4||mh=0）
{
If （left==1）
{
Check_left（）；//左手定則
left=0；
}
Else
Check_right（）；//右手定則
num=num+1；//房間數(shù)加1
}
huijia（）；//搜尋結(jié)束或滅火后回家
}
本機(jī)器人的設(shè)計(jì)目的是快速找到火源并將其撲滅之后安全回家，完成任務(wù)用時(shí)最短者獲勝。其中直線運(yùn)動(dòng)時(shí)位置調(diào)整次數(shù)、撞墻次數(shù)、房間搜尋安排、能否準(zhǔn)確定位火源位置等制約著比賽時(shí)間。
通過(guò)實(shí)際測(cè)驗(yàn)，該機(jī)器人性能穩(wěn)定，運(yùn)行速度較快，能較好完成滅火任務(wù)并安全回家，具有一定的實(shí)用性。
參考文獻(xiàn)
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[3] 劉雄，林茂松，梁艷陽(yáng).特種機(jī)器人的低電壓大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（10）：49-53.
[4] 韓英桃，胡亞山.A3955SB步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片及其應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，2003（2）：58-60.