基于stm32的消防机器人控制系统的设计与研究

1、摘 要随着近年来我国经济社会的快速发展，火灾对我国国民经济造成的损失已经呈现出逐年上升的趋势，其中工业火灾比例尤为突出。不同于常见的城市火灾，工业火灾往往发生于厂矿、化工企业，火灾现场大多堆放有大量易燃易爆危险品，且充斥着浓烟和有毒有害气体，消防人员在缺乏火场情报以及相关必要防护措施的情况下贸然冲入火场，极易产生无谓的伤亡。因此，研发消防灭火机器人，取代消防战士进入危险场所执行任务，以及变得迫在眉睫。本文首先介绍了消防机器人研究的背景以意义，通过阅读相关文献总结了国内外在消防机器人领域的研究现状，展望了消防机器人未来的发展方向。以此为基础，提出了本文需要研究设计的消防机器人的功能需求以及性能指

2、标，进行了行走动力系统以及整体机械结构的设计与研究。介绍无刷直流电机的特点以及工作原理，针对消防机器人大功率驱动特点，设计开发电机的驱动电路。对无刷直流电机建立数学模型，在MATLAB/Simulink中完成仿真建模。通过仿真比较PID和模糊PID控制效果，确定电机控制算法。最后对消防机器人电控系统进行整体设计，对电控水炮、传感器、串口通信等关键控制模块进行介绍并设计周围电路；软件部分介绍了开发环境，阐述了上位机和下位机的软件工作流程，并针对软硬件系统中潜在的干扰因素提出了相应的预防措施。关键词：消防机器人；行走控制系统；模糊PID；STM32AbstractWith the rapid de

3、velopment of our countrys economy and society in recent years, the losses caused by fire to our national economy have been increasing year by year, and the proportion of industrial fires is particularly prominent. Unlike common urban fires, industrial fires often occur in factories, mines and chemic

4、al enterprises. Most of the fires are stacked with inflammable and explosive dangerous goods, and full of heavy smoke and poisonous and harmful gases. Fire fighters flash into the fire field in the absence of fire field information and necessary protective measures. Casualties. Therefore, the develo

5、pment of firefighting robots to replace fire fighters into dangerous locations is urgent.This paper first introduces the background of the research on fire fighting robots, and summarizes the research status of fire fighting robots at home and abroad through reading the related literature, and looks

6、 forward to the future development direction of fire fighting robots. On the basis of this, the functional requirements and performance indexes of the fire fighting robot designed in this paper are put forward, and the design and research of the walking power system and the overall mechanical struct

7、ure are carried out.The characteristics and working principle of Brushless DC motor are introduced. Aiming at the characteristics of high power driving of fire robot, the driving circuit of motor is designed and developed. A mathematical model of Brushless DC motor is established, and simulation mod

8、eling is completed in MATLAB/Simulink. Through simulation, the effect of PID and fuzzy PID control is compared, and the motor control algorithm is determined.Finally, the whole design of the electronic control system of the fire fighting robot is carried out. The key control modules, such as the ele

9、ctronic control water gun, the sensor, the serial communication and so on, are introduced and the surrounding circuit is designed. The software part introduces the development environment, expounds the software workflow of the upper computer and the lower computer, and puts forward the potential int

10、erference factors in the hardware and software system. The corresponding preventive measures have been made.目录第1章 绪论随着现代社会的快速发展，自动化技术已经越来越深刻的渗透进各行各业的方方面面，机器人技术也随之愈发深刻地影响着我们的生活。从西周时偃师制造出的“歌舞机器人”伶人，到现如今自动化生产线上广泛应用的工业机器人，机器人技术从未停止过前进的脚步，并不断在更多行业发挥着更大的作用。1.1课题研究背景及意义火灾，作为一种古老的灾害种类，一直是人类社会发展过程中最主要的灾害之一1。

11、据相关统计2显示，2003年至2012年间，随着近年来我国社会、经济的持续不断发展，我国火灾发生次数虽然逐年下降，但是火灾所造成的社会经济损失除2006年有所下降以外，总体表现出逐年上升的态势；在美国，火灾同期发生次数和经济损失都要比我国高出至少一个数量级，但是总体数据趋势与我国也较为相似。究其原因，是近十年来高层建筑、地下涵洞、石油化工厂区如雨后春笋般不断涌现，这些建筑要么建筑结构复杂、消防作业空间狭小而且人员密度集中，要么充斥着大量高危的化工用品，一旦年久失修或者消防设施不完善，极易引发危险品的爆炸或者大量群众伤亡的恶性消防事故。在这种恶性事故面前，救援人员在不了解现场情况和缺乏专业的救援

12、设备的情况下若贸然闯入火场，可能非但不能降低火灾损失，反而会徒增无谓的伤亡。 图1-1 中美火灾统计数据2015年8月12日晚上,天津滨海新区周围出现危险货物仓库爆炸问题，共有165人死亡，8人失踪，其中有96名消防员丧生，5人失踪。直接经济损失高达68亿元人民币3。在这次火灾遇难的消防官兵中，有相当部分人员就是在不了解现场危险化工品堆放位置的情况下就冲入火灾现场，在随后的二次爆炸中不幸牺牲。又在2015年1月,北哈尔滨市南、北南勋陶瓷大市场仓库失火,持续长达20个多小时,坍塌建筑高达11层之多，5名消防战士不幸牺牲。建筑结构复杂、消防通道受阻、失火楼层较高，都使得传统的消防方式在火灾面前无法

13、发挥出应有的作用，更难以保障一线消防官兵的生命安全。如何在减少火灾造成的社会经济损失的同时尽可能地降低消防官兵的伤亡，已经成为摆在消防行业面前一个不容忽视的难题。图1-2 天津爆炸事故现场随着自动化技术和机器人技术的不断成熟，以及近年来人工智能技术的快速兴起，研发、生产一款用于替代消防员进入危险火场承担消防灭火任务的机器人已经成为了可能。中国制造2025中清楚表明，在2020年大致完成救援救灾机器人重要科技的突破，并能够在市场上小范围的生产及使用4。在上述相关资料的引导下，机器人产业发展规划（20162020年）5中国家也指出此后行业发展的具体目标和计划，是促进服务机器人向更广领域发展。而消防

14、机器人作为服务机器人的一种类型，位列重点发展的标志性产品的第七名。这些规划文件的出台，无一不表明着研发、装备新型消防设备在业内的需求日趋紧迫。消防机器人可以在火势凶猛、浓烟缺氧、随时都有坍塌物的恶性事故现场环境下，快速有效的替代消防人员执行降温、灭火、救援等消防任务，具有很多优点：(1) 无生命损伤性消防机器人作为非生命载体，可以替代消防战士冲入火场，降低救援人员直面火场的危险性，在人力所不能及的位置上发挥其应有的作用，极大地降低救援人员的伤亡。(2) 可重复使用性消防机器人作为一种面对火灾的特殊武器装备，并非一次性损耗用品，只要日常维护保养得当，可以多次反复使用，性价比较高。(3) 人工智能

15、性在人工智能已成熟的前提下，结合计算机、电子、机器视觉等多学科技术，消防机器人可以通过传感器采集、处理火场信息，智能感知火场危险因素，自主分析判断并实施救援方案，从而达到快速、高效灭火的目的。综上，消防机器人的大规模应用将大范围提升我国应对恶性火灾爆炸事故的救援处理能力，进一步降低火灾对国家、社会、企业及个人的经济损失，减少甚至完全避免消防战士在执行任务中产生的伤亡情况。同时，对消防机器人的设计与研发工作也必将带动其他相关机器人领域的前进与发展，更好地推进实现2025中国智造的总目标。1.2消防机器人的研究与发展现状1.2.1国外研究现状早在上世纪60年代，美国和日本就已经开始对消防用机器人展

16、开了研究，随后前苏联、英国、德国、加拿大等也陆续开始了消防机器人的研究工作。由于消防火灾现场环境以及作业侧重不同，单一功能的消防机器人几乎不可能满足所有方位的需求，因此各国在消防机器人的发展上也是五花八门的，基本呈现出团队化和多样化的趋势6，因此对于消防机器人的分类标准也不尽相同，目前主流的几种分类方式主要见表1-1。表1-1 消防机器人主要分类方法分类类别功能特征按智能化程度分类第一代：程序控制消防机器人第二代：具有感知功能的消防机器人第三代：智能化消防机器人按照消防作业类型分类灭火机器人侦察机器人破拆机器人排烟机器人救援机器人控制方式分类智能感知机器人有线控制机器人无线遥控机器人作为传统的

17、机器人大国，日本和美国在消防机器人方面也一直走在世界的前列，其研发的消防机器人以功能种类多样化而著称，而且目前大部分产品已经进入第三代智能消防机器人的阶段。日本最早于上世纪80年代设计开发出以“彩虹5号”为代表的一系列消防灭火机器人，这是世界上第一台真正意义上的消防机器人。这一系列消防机器人兼有柴油发动机和电机作为动力源，地盘上配有大流量的消防水炮和多种探测器装置，兼具消防和侦察功能。2008年，日本各大科研院校以及相关企业组建成立了消防救灾机器人技术网7，较为有力地加强了产学研的成果转化，加速了消防机器人实用化进程。在该技术网中，日本东北大学等组成的团队研发出一款蛇形消防救援机器人，可拖动消

18、防水带穿过狭小的空间区域进入火场，在机器人头部装有导航用摄像头，亦可作为灾后救援侦察使用。如图1- 是研究人员在宫城县仙台市展示这款机器人能在受灾倒塌受损的建筑物内部轻松把握状况。图1-3 日本蛇形消防救援机器人图1-4是美国H&H公司最新研发的ThermiTe RS2-T3 消防机器人，该机器人采用传统的履带式底盘设计，配有大功率电机，可轻易行驶在各种高低不平的路面，作业范围大大增强。机器人平台上装备有可调节流量的遥控消防炮，最大流量高达100L/s，配上远程遥控和高清图传功能，非常适合矿场、森林等超大火场的灭火作业。而在智能异形消防机器人方面，美国同样成果丰硕。图1-5是一款类人型消防机器

19、人SAFFiR，由美国南加州大学耗费4年时间于2015年研制成功。该机器人主要用于舰船上的消防作业，其类人型行走设计非常适合船舱中复杂空间环境中的快速行动。SAFFiR全身可承受500摄氏度以上的高温，头部装有最先进的热成像传感器，可自主寻找火源、深入火场，操控机械臂夹持消防水枪进行高效灭火。目前该型号机器人已在部分美国海军舰艇上试运营服役。图1-4 ThermiTe RS2-T3 消防机器人图1-5 SAFFiR 消防机器人1.2.2国内研究现状国内消防机器人的研究开始于 80年代，相较于国外起步较晚8，但是得益于国外先进经验的参考，以及国内各家科研院所在其他相关领域累积的技术储备，我国在消

20、防机器人上的研究可谓是后发先至，部分技术有了关键性突破，甚至达到了国际最高水平，在机器人的产品种类上也相当丰富。1995年，上海市科学研究所在上海市科学技术委员会的指导下，着手研制一款新型的自走式消防炮，这也是我国自主研制的第一台消防机器人，型号为JMX-LT509。这一消防机器人的问世打破了国外在这一领域的垄断地位。JMX-LT50底盘为轮胎式驱动，配有多功能消防炮，可进行灭火、洗销、冷却等多种消防任务。该型号的消防机器人底盘主要由柴油发动机提供动力，因而机器人体积和重量较大，已经渐渐无法适应消防队的快速反应需求，目前消防部队装备的该型号机器人主要用作日常教学以及相关消防演习使用。 图1-6

21、 JMX-LT50 消防机器人近年来，我国民营企业也陆续研制出许多新型的消防机器人。图1-7即为我国中信重工旗下的开诚智能装备有限公司研制的RXR-MC80JD型消防机器人。该机器人采用履带式底盘移动结构，灵活机动、车体稳定；机器人整体采用模块化设计，可以组合搭载不同型号的移动水炮、车载摄像头以及各种传感器探测装置，方便适应多种不同的环境，降低生产研发成本。该消防机器人已经多次在各地消防演习中崭露头角，也实际参与了仓储物流中心失火救援任务，在实战中展现出了较高的消防灭火水平，挽救了巨额的社会经济损失10。图1-7 RXR-MC80JD型消防机器人图1-8 是由我国常州常探机器人有限公司研制的火

22、凤凰自发电消防机器人HFH-4S-YDSP-80A，采用全金属履带底盘设计，具有侦察、灭火、排爆等功能。其最大特点在于突破消防机器人能量补给难题，在喷淋灭火的同时通过内部水循环系统驱动自带发电机，可实现75100w的发电功率，极大提升了消防机器人的工作时长，荣登军工装备配套产品暨军队物资采购服务采购目录11。图1-8 火凤凰消防机器人综上可以看出，我国消防机器人行业发展迅速，在国家政策的大力支持引导下，相关企业在这一领域中投入了大量的人力物力，产出了丰盛的成果，极大地提高了我国消防部队的信息化、现代化水平。但是相比于国外的发展，我们还是要认清自己存在的不足之处，摆脱消防机器人核心零部件对国外进

23、口的依靠，进一步降低机器人的生产成本，提高维护保养水平，研制出基层部队真正买得起、用得上的领先设施，是国内此类机器人行业不断发展的重点12。1.2.3发展趋势目前我国消防部队装备的消防机器人设备主要还处于第一代和第二代之间的水平，智能化已经成为了未来消防机器人发展的出路之一。以下针对消防救援的实际需要，简要介绍智能化消防机器人的一些发展方向：(1) 多传感器信息的交流与融合消防机器人上搭载多个传感器在现在已经几乎成为标配，但是这些传感器往往仅用于采集并记录现场环境信息，随着机器学习和人工智能技术的逐渐火热，如何整合、处理多传感器信息已经成为研究的热点13。在险情瞬息万变的火场，单一匮乏的数据往

24、往会使消防人员无法准确判断内部环境变化，容易对形势造成错误判断。而借助日趋成熟的人工智能技术，处理海量现场数据，不仅能够为后方指挥中心提供更为准确的综合情报和火情趋势，甚至能够让机器人主动发现细小隐患，更为高效、安全地执行灭火作业。(2) 多机器人协同配合作战多机器人协同系统已经进入实验室研发阶段，目前在机器人间信息交流沟通、协同指挥、消除冲突等方面已经取得了阶段性突破，但是距离实际应用还有不小的距离14。可以预见的是，这种多机器人间协同配合作战无疑会打破现有的单兵作战格局，极大地拓展了消防机器人应用领域，提高了可执行任务的复杂性，其所能带来的成果和创造的价值都让人无比期待。(3) 路径规划路

25、径规划技术主要分为部分路径规划和整体路径规划，这两方面分别借助人工势场路径规划和智能感知路径规划方法，确定机器人本体的当前位置，在避开沿途障碍物的基础上，完成从起始点到终点的最佳路径选择15。这一技术的应用，不仅可以使消防机器人更快的进出火场、执行作战任务，也可以快速找到现场受困群众并尽快指引群众安全转移。(4) 新一代人机交互技术美国国防高级研究所（DARP）启动了一项代号为“阿凡达”的研究项目16, 17，该项目旨在研发一种类似电影阿凡达的下一代人机交互控制系统。该系统可以将操作人员与一台类人型机器人相连接，机器人将所处的现场环境数据通过远程系统传输至控制端，通过VR技术展现给后方操作人员

26、，操作者通过自身动作实现对机器人的控制。该项技术的引入可以将救援人员的损失降至最低，真正实现消防现场的无人化作业。1.3论文主要研究内容在阅读并总结大量国内外关于消防机器人的文献和咨询后，对消防机器人国内外发展现状以及未来的发展趋势有了一定的了解。本论文将从以下几个方面对消防灭火机器人进行研究：1) 明确消防机器人的设计和功能需求，完成消防机器人整体的机械结构设计，同时对动力驱动系统进行选型、计算以及校核工作；2) 设计一种基于IR2130芯片的电机驱动控制系统，并采用MOSFET进行电路保护。在驱动控制系统的调速算法上，分析对比PID和模糊PID的原理以及控制效果，并详细介绍模糊PID控制器

27、的设计方法。3) 结合功能需求，对消防机器人控制系统进行了总体设计。详细阐述了控制系统中硬件模块组成以及软件工作流程，并针对软硬件抗干扰进行了一定的研究。1.4 本章小结本章主要通过介绍了新时期消防行业面临的困难，论证消防机器人课题的合理性和紧迫性。介绍了消防机器人领域中国内外发展历史和研究现状，展望了消防机器人未来的发展趋势。第2章 消防灭火机器人的机械结构设计2.1 消防灭火机器人的功能要求消防灭火机器人在恶劣的火场环境下不仅仅承担着消防灭火的任务，往往还要深入火场执行侦查等职责，所以机体需要具备表2-1中几个方面的功能。表2-1 消防灭火机器人应具备的功能消防灭火机器人的技术性能指标为达

28、到表2-1中所列举的功能要求，本论文设计的消防灭火机器人的性能指标拟定如下表2-2。表2-2 消防灭火机器人性能指标项目指标移动方式履带式有效载荷200kg结构尺寸800*500*200巡航速度01.5km/h无级变速越障能力350mm爬坡能力40转向能力可原地转弯2.2 消防灭火机器人行走系统的架构2.2.1 底盘结构选择消防灭火机器人的作业地面环境较为复杂，为了应对崎岖不平的路面环境，现有的消防灭火机器人的底盘系统主要有轮式、履带式、腿式等行走机构。不同的底盘类型所适应的场景页不尽相同，各有优缺点：轮式机器人行走速度高，稳定性也较好，控制设计也比较简单，但是无法越过障碍或者横沟，当路面积水

29、较多时也容易打滑，不适合消防喷淋作业环境下使用。腿式机器人基于仿生学原理制造，能够较好地行走于各种复杂的地面场景，但是稳定控制难度较高，且移动速度较为缓慢，目前主要处于实验室研究阶段，工业上应用较少。履带式机器人越障能力较强，同时具备一定的爬坡和跨越横沟的能力，控制上也较为简单，但是履带结构本身重量往往不轻，额外能耗相对较高。综上所述，为了更好地在火场复杂地形环境下快速移动，同时也为车载消防水炮提供稳定的底盘平台，履带式行走动结构明显是要由于其他行走机构的。同时，目前国内外市场上中小型特种机器人大多也都采用履带式行走动结构，设计、制造、保养、维修方面已经积累了充足的经验，因此选用履带式行走动结

30、构作为本论文中消防灭火机器人底盘系统的行走机构。通过查阅坦克悬挂减震底盘系统的相关资料，如图2-1、图2-2 所示。为了确保消防灭火机器人整体平台的稳定性，底盘行走动结构参考采用克里斯提和马提尔达四轮组悬挂平衡系统，配备三个减震弹簧，同时配有驱动轮调节张紧系统，使消防灭火机器人移动更加平稳。 图2-1 T34坦克用Christine悬挂系统图2-2 Matilda平衡悬挂系统2.2.2 电机种类选择随着电子技术以及控制技术的快速发展和应用，电机的适用范围近年来也越发广泛，已经逐步取代传动的燃油发动机成为机器人驱动控制的发展趋势。因此，消防机器人的机动性能质量高低主要在于是否选用合适的驱动电机。

31、考虑到消防灭火机器人的工作环境的复杂性，对电机的瞬时启停能力、驱动能力以及安全性等的要求也相对较高。目前普遍使用的电机一般是：有刷以及无刷直流电机、步进电机三类，对这上述电机进行优缺点比较如表表2-3 电机优缺点对比项目有刷直流电机无刷直流电机步进电机优点1 启动转矩大2 转速随供给电压线性变化3 输出转矩与驱动电流成比例4 价格低5 输出效率高1 噪声小2 可靠性高、寿命长3 加速快4 机器容易高密度化5 转速容易控制1 可开环控制，控制电路简单2 可用数字信号控制3 无电刷，寿命长4 可低速驱动缺点1 整流和旋转时噪声大2 整流子有一定寿命3 无转速控制，负载变化时转速变动大1 转子是永磁

32、体，难以低惯性化2 需要有整流功能的控制电路3 必须有专门的驱动器1 有可能失调火共振容易受负载转动惯量的影响2 最大转速有限制3 必须有专门的驱动电路结合图表进行比较，无刷直流电机的各项特性和指标均能满足设计需求。同时，由于电机没有电刷，可以极大提升电机的寿命，免去了后期拆机维护保养的过程。此外，将三相同步电机内部可以加装霍尔传感器元件，用以检测电机运行过程中磁极位置，方便控制系统对于电机速度的控制。因此本设计综合分析选择使用三相无刷直流电机作为底盘行走系统的驱动电机。2.3 履带式移动底盘动力系统设计动力系统作为履带式消防机器人的核心系统之一，是消防机器人是否能够顺利运动的关键所在。由于消

33、防机器人作业环境普遍比较恶劣，复杂坡道较多，因此动力系统的驱动功率是否充足、底盘结构设计是否合理，直接影响到机器人能否快速进入救灾现场，以及能否为控制系统提供平稳、安全的运行环境，是影响消防机器人整体性能的关键一环。2.3.1 驱动功率计算由消防机器人设计要求可知，消防机器人整体质量为200kg。但是在实际消防作业时，消防机器人还需要拖动水带进入火场，所以在功率负载计算时还应考虑水带重量的影响。根据消防部队调研所得数据，常用消防水带的长度为L=60m，其直径为D=0.08m，水带的自重为m带=30kg,取20C时水的容重为9789N/m3，可得消防作业时消防机器人整机实际重量为： (2.1)取

34、地面摩擦系数=0.2，可得整机摩擦力为： (2.2)故履带底盘所需提供的总驱动力应为： (2.3)消防机器人的动力系统采用无刷直流电机驱动，取电机驱动工作效率为 ，转速n=96r/min，可得所需电机的总功率为： (2.4)考虑到动力系统由双电机驱动，故选择采用两个1.5kw的直流无刷电机。经过市场调研，最终选择济南科亚电子科技有限公司的KY110AS0415-15型电机，减速器则选用上海涟恒精密机械有限公司的ABR90-7-S2-P2型减速器，其传动比为7:1。假设负载均匀，取安全系数为1，当预期使用寿命为20000h时，额定输出扭矩T额=130N.m；而实际所需扭矩TS= 90N.m。减速

35、器额定输入转速为3500rpm，电机实际输入转速为1500rpm，则减速器实际输出转速为214.29rpm，基本满足设计需求。2.3.2 底盘结构设计本设计中消防机器人防水等级要求为IPX5，为了达到这一防水等级要求，机器人底盘采用不锈钢焊接工艺，并在螺纹连接面采用防水胶密封，最后在表面喷涂红色防火漆，以满足防水防火以及美观的需求。通过调研确定控制系统所需电子元器件，测量各器件尺寸后，兼顾方便布线考虑，最终确定车体内元器件安装方案如下，见图2-3所示。图2-3 底盘内部元器件布局底盘内箱体骨架两侧开设有安装外装饰板支撑架的安装孔，可对支撑架进行安装。为了防止降温用喷淋管路漏水，需要将喷淋管路布

36、置在外装饰板支撑架内侧，以保证车体内部电器件的安全。最终设计效果图如下图2-4所示：图2-4 底盘外部装饰板支撑架为了保证移动底盘内部电子元器件的使用安全性，将其单独封装在内箱体中。其余传输天线、声光报警部分、照明部分及控制面板等部分安装在外装饰板上，通过设置的走线孔，与内箱元器件进行连接。外装饰板见图2-5所示，图2-5 外装饰板为保证车体运行的稳定性，机器人两侧的履带行走系统中配有悬挂减震设计，其设计图如下：图2-6 消防机器人悬挂减震系统结构图鉴于消防机器人实际工作环境复杂，消防救灾现场路面往往并不平整，如果将驱动轮直接与减速器的输出轴相连接，使减速器直接驱动整机底盘，将会对减速器甚至电

37、机造成极大的冲击，降低电机使用寿命。所以本减震悬挂系统使用三个相互独立的弹簧减震系统，同时将驱动轮移至底盘底部，依靠驱动轮支撑板将其固定。而减速器输出轴则与链轮1相连，通过链条传动间接驱动底盘驱动轮，达到驱动输出的目的。考虑到生产加工以及调试装配等过程造成误差使链轮以及履带无法张紧，故在驱动轮支撑板上外侧装有调节螺母，可以微调驱动轮在支撑板调节槽中的安装位置，提高驱动效率。在悬挂减震系统的前端装有两个导向轮，其中上导向轮位置相对下导向轮位置略微靠前，以确保悬挂系统的履带前段能够在底盘箱体之前，避免前进过程中前方障碍物与箱体发生碰撞，同时履带前段角度也便于机器人整体跨越一般小型障碍物。上下导向轮

38、之间的相对位置是通过导向轮调节板来保持的，其整体的绝对位置则是由铰接在调节板上的导向轮支撑板决定。而导向轮支撑板上连接有悬挂主安装架和减震弹簧，可以在发生碰撞的时候对撞击力进行缓冲，从而达到减震的作用。在减震悬挂系统的中部装有两组支重轮，每组支重轮分别与支撑板相连。当机器人经过崎岖路面时，支撑板会像跷跷板一样左右旋转，调节支重轮位置。同时支撑板之间装有减震弹簧，可以进一步保证车体稳定，同时尽可能增大了履带与地面的接触面积，降低履带打滑风险。最终悬挂减震系统的设计三维图如下所示：图2-7 履带悬挂减震系统结构三维图2.4 履带式移动底盘行驶能力分析2.4.1 行驶速度分析在履带式移动底盘行驶时，

39、 理论行驶速度为 (2.5)式中， 为驱动轮的角速度，取值为3.766rad/s 为驱动轮节圆半径，取值为0.118m带入计算可得： (2.6)在履带式消防机器人前进的实际过程中，履带和地面间的摩擦并不能简单的简化为两刚体间的摩擦，而是会有一定的形变和滑移，因此消防机器人的实际行进速度v小于理论速度vT，我们用滑转率来表示履带相对地面的滑转速度，其定义如下： (2.7)式中， 为履带的滑转效率，通过查表可知履带在湿沥青路面上的滑转效率为82.68%，带入计算可得移动底盘实际速度约为1.32km/h，基本满足设计需求。2.4.2 爬坡能力分析消防机器人底盘的爬坡能力主要由电机提供的驱动力、底盘与

40、地面接触摩擦条件以及抗倾覆侧翻性能等决定，本论文只从驱动力角度进行分析。履带式移动底盘在爬坡状态行驶原理见下图2-8所示。图2-8 履带式移动底盘爬坡行驶原理图图中Ft为底盘行驶时在驱动力矩Mk作用下履带驱动部分产生的拉力，理论计算可得： (2.8)而在实际情况下，由于履带与斜坡接触部分存在动力损耗，取其工作效率为 ，则实际驱动力为 。履带式移动底盘若能正常行驶，机器人在爬坡过程需要克服自身的重力、地面的摩擦力、空气阻力（可忽略不计）以及惯性力，机器人本体内带来的阻力可忽略不计。故在这种条件下，可估算机器人最大的爬坡角度，即爬坡角度的上限值。列出力学关系式如下：(2.9)式中： F为驱动力FX

41、为作业阻力G为自身重力分量Fa为惯性力故上式可展开为 (2.10)其中，为履带与斜坡面的摩擦系数，取值为=0.32，而 则为履带式底盘的最大设计斜坡角。代入上式即可得到机器人最大爬坡角度 ，满足设计2.5 本章小结本章通过分析消防灭火机器人的实际需求，提出并确定了消防机器人的主要性能指标，选择了合适的底盘结构和驱动电机选择方案。在此基础上，详细分析并计算驱动功率需求，合理设计底盘整体结构以及减震系统，完成了消防机器人主体的机械结构方案的设计。最后对消防机器人的行驶速度和爬坡能力进行了校核计算，结果满足预期设计要求。第3章 消防灭火机器人驱动电机控制系统的设计根据第二章对消防机器人的总体机械结构

42、方案的设计，本章主要研究消防机器人动力系统中电机驱动模块的设计。在第二章消防机器人移动底盘的结构基础之上，结合无刷直流电机的工作原理，本章详细设计底盘驱动系统中电机的驱动电路。3.1 电机控制原理3.1.1 无刷直流电机工作原理随着无刷直流电机（BLCDM）的发展，电机也被迅速的推广应用。无刷直流电动机驱动系统主要构成如图3-1所示。图 3-1 无刷直流电机基本结构图上图转子是电动机自身，电机驱动系统利用对转子位置传感器测试的信号（HA、HB、HC）开展逻辑变换，也就是传输到电路内的是数字信号，随之出现脉宽调制信号PWM，通过放大处置之后传输到逆变器的功率开关，进一步管控电机按相同环节开展操作

43、。3.1.2 电机控制系统的组成原理无刷直流电机转子由永久磁铁组成，定子是线圈。所谓3相（U相、W相、V相）的电枢绕组按120的间隔配置。没有整流子，不能利用整流子机械性的改变线圈（绕组）中电流的极性。用霍尔元器件检测转子的位置，将信号反馈给控制电路来驱使电流的极性改变。霍尔元件也间隔120，将扫过转子内的正弦波或梯形波的磁通变化转换成电压输出。电机控制系统一般包含CPU主控芯片、换相电路、基于IR2130的驱动电路、电流和电压检测保护电路等部分构成，此处换相电路主要包含六个MOSFET构成的三相全桥电路。在正式运作的时候，主控芯片研究位置，传送信息到IR2130输入端，由IR2130驱动换相

44、电路，管控MOSFET功率管的连接和关闭。通过霍尔信号传感器判定目前转子的情况，完成合理的管控。图 3-3 基于STM32 无刷直流电机控制系统硬件电路原理框图3.2电机驱动电路硬件设计3.2.1 基于IR2130的驱动电路设计随着无刷直流电机应用越来越广泛，此类控制方式开始得到我们的关注，各个国家著名半导体企业开始研发出与之相关的专用控制集成电路，上述电路集成水平高，内部电路体系复杂，大部分是中、大规模集成电路。此类电路原本就具备大量保护功能，提升功能的稳定性。本文主要使用IR2130，也是IR企业制造的高功能三相桥式驱动器，其仅仅采用一路驱动电源，然而却能输出6路驱动信号，促使具体设计直接

45、简单，此外IR2130的保护功能更稳定，促使电路顺利运作。主要结构图参考下图：图3-4 IR2130 内部结构图IR2130利用自举电路工作理论，减少MOSFET的开关时期，便于全面减少损耗，进一步提高综合操作效率。其能驱动桥式电路的低压侧的功率器件，能够驱动高侧电源组件，所以当前被普遍使用在电机控制、伺服驱动等多个部分。无刷直流电机使用三相桥式逆变电路，一般情况下要准备四组独立电源，导致驱动电路更为繁杂，造成逆变器稳定性弱化，使用芯片IR2130，此芯片需要供电电源，之后就能驱动三相桥式逆变电路的所有功率开关器件，促使驱动电路更加直接稳定。此外也能准备较高的开关频率PWM调速控制，所以本文使

46、用此芯片IR2130来驱动全部功率器件，需要单个供电电源去驱动IR2130，也就是驱动三相桥式逆变电路内的全部MOSFET，下图是具体的电路原理图。图3-5基于IR2130的电机驱动电路参考图3-5可知，U2极是IR2130驱动芯片，HO1-HO3，LO1-LO3是MOSFET功率管开关器件的驱动信号输出端，驱动信号需要提前通过集成在IR2130内部的脉冲处理器与电平移位器开展电位转换等，传送到CPU开展操作。HIN1-HIN3，LIN1-LIN是MOSFET功率管驱动信号的输入端。顺利运作的时候，霍尔信号通过转变进入CPU操作，CPU依照PID算法调试PWM信号传到IR2130的HIN1-H

47、IN3、LIN1-LIN3。输入六个引脚的驱动信号通过输入信号处理器操作之后转变成对应的输出脉冲信号，传播给对应的MOSFET用来驱动换相电路。其中c10c12，c28c30是自举电容，为了避免当外电流出现过流或者直通时，驱动信号检测器马上翻转，导致设备受损。二极管D1、D2、D3和电阻R1、R2、R3主动进行串联，构成漏源极彼此间的保护电路，二极管一般是为了促使栅极电压低于稳压管标准值，维护MOSFET的正常运作。电阻主要是释放电荷，不被电荷所影响，电荷积累促使MOSFET被击穿。所以此部分是MOSFET的内部电压保护电路。ITRIP是过流信号检测输入端，在或多或少的维护电路。FAULT故障

48、引脚与单片机的外部中断由单片机连接引脚中断程序处理发生障,在点击过流或者直通时，那么IR2130内部电路比较器马上翻转，关闭3路输入脉冲信号处理器的运作，维护功率器以及功率管，此外FAULT脚问题信号。3.2.2 MOSFET保护电路设计当前的电机越来越倾向于使用电流控制，相对于通过直接连接到相应电源（无论是直流源还是交流源）的做法来说，这种方式可以提供更好的控制速度、位置以及扭矩，达到更高的效率。要做到这一点，电机控制电路必须很快地开关流向电机线圈的电流，在开关上面需要达到最小的切换时间或导电期间的损失。要满足这些需求需要使用MOSFET和IGBT。本设计采用的是MOSFET。金 属-氧 化

49、 物 半 导 体 场 效 应 晶 体 管 ， 简也就是 金 氧 半 场 效 晶 体 管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是普遍采用的场效晶体管(field-effect transistor)一般使用在模拟和数字电路。MOSFET基于自身通道(工作载流子)的极性差异，被划分成N型和P型的两部分。对于目前的三相直流无刷电机，通常使用三相六状态，120度导通模式，换相电路开关零件使用MOSFET，开关器件动作的完成要单独的驱动电路，此外供电电源彼此分割。6只MOSFET功率管是重要的开关器件，组成三相桥式结构。假如

50、把其按照相应的组合方式与频率进行操作，此时需要对此类电机进行操作。MA相MB相MB相Q1Q2Q3Q4Q5Q6ONOFFOFFOFFOFFONONOFFOFFONOFFOFFOFFONONOFFOFFOFFOFFONOFFOFFONOFFOFFOFFONOFFOFFONOFFOFFOFFONONOFF功率MOSFET的导通环节参考表3-3可知，主要使用三相六状态的控制模式，因为每周运动出现六次换相，每相都存在上桥臂以及下桥臂，此时是导通局面，但每对上下管无法共同导通，不然就是短路问题。上述六相主要是：Q1+Q6，Q3+Q6，Q3+Q2，Q5+Q2，Q5+Q4，Q1+Q4。在不同时期，基于多种功率

51、MOSFET的导通，电流在电机内多个方向通过对应的线圈，持续出现旋转磁势，进而促进电机的转子运作。因为MOSFET管承担短时过载水平不高，尤其是在高频应用时期，需要对功率MOSFET管设计科学的保护电路，进而提升设备的稳定性。对进行具体设计的时候，第一，使用MOS驱动器的输出和MOS管之间串联电阻的方式，防止在功率管在导通与立即关闭时期，因为漏极电压的震荡频率导致di/dt太高而误导通的问题。参考图3-6可知，R4R9是MOSFET的门极驱动电阻。另外，MOS管栅极主要使用并联电阻的模式来减少电荷，避免栅源极间过电压。为了避免漏源极间过电压，一般使用C缓冲电路等维护举措。增设MOSFET保护电

52、路详情参考下图，I_SEN是MOSFET上得到的电流信号，在电流太大或者出现短路时，其会马上增加且高于标准值，导致MOSFET器件损坏。所以增多MOSFET的保护电路，通过U5(放大器)，转变成电压保护电路。图3-6 MOSFET保护电路3.2.3 转子位置信号检测电路图 3-7 转子位置信号检测电路图在无刷直流电机的控制体系内，为了得到最高转矩，要依照位置传感器的信号开展判定，进而完成对此类电机的换相任务。了解科学的换相时间，能缓和转矩变化，所以位置检测十分关键。转子位置反馈信号被传送到CPU的输入接口，上述信号的电平状态与跳变时间确定了电机的换相情况与时刻。参考上图3-7可知，霍尔位置传感

53、器输出信号HA、HB和HC通过高速光耦隔离之后输出。在通过整形与电容滤波滤去高频信号影响之后得出，最终传送到微处理器开展后续操作。3.3 其他电路设计3.3.1 电源模块电压的波动会影响到设备的性能和寿命，所以，电压模块的设计非常重要。当检测到异常电压时，要停机警告，以保护设备的安全使用及其器件的寿命，同时，芯片的工作电压是需要稳定电压，例如MOSFET驱动芯片，就需要稳定的33V%5或者5V%5电压，这就需要一个低功耗的降压稳压电路。图3-14，即为本设计采用的降压稳压电路。图3-8中，U1A为一款自适应导通同步降压转换器，采用TPS54429芯片设计，这款芯片使系统设计人员能够以成本效益低

54、的元件数量，低当前处理方案来完成多种终端设施的电源总线调节器套。TPS54429主要使用D-CAP2模式控制，准备相对高效的瞬态响应，不需要其他补偿元件。输出电压可编程在0.76 V至5.5 V之间，该器件还具有可调软启动时间和电源良好功能。U2为固定稳压器集成电路，输出电流0.5A，固定输出电压3.3V,5V，输出晶体管SOA保护。图 3-8 电源模块电路图3.3.2 整流模块图 3-9 整流电路施密特触发电路属于波形整形，可以将边沿变化不明显的电压波形整形成较为陡峭的矩形脉冲，进一步避免噪声在落后范围内影响电路的日常工作。主要理论可参考下图：图 3-10 施密特电路原理图本文确定的整流电路

55、参考图3-9，主要使用74HC施密特触发器，其是高速Si栅极CMOS器件，且和低功耗肖特基TTL（LSTTL）引脚兼容，涵盖多个2输入NAND门，可接受标准输入信号。其可以把逐渐变动的输入信号转变成锐利定义的无抖动信号。此输入信号端则是STM32的输出，进行波形整定后得到理想的矩形脉冲波形，输出到IR2130驱动芯片，用于驱动MOSFET。3.3.3 调速电路设计电机的基础转速调节可以通过调整电位器来实现，调速电路设计如图3-11所示。通过调节电位器的电阻大小，可以改变调速电路的线路中所分担的电压高低，经由放大器LM358的放大处理，将放大后电压送入硬件控制器的A/D转换模块进行处理，实现调节

56、基础转速的目的。图 3-11 调速电路设计3.3.4 全桥电路本论文设计通过全桥电路来控制直流电机的正反转，电路示意图如图3-12所示。全桥电路由四个MOSFET功率管组成。MOSFET功率管在全桥电路中作用类似于二极管，可以较好的阻隔电流的单向通过。当控制2端口输入高电平，控制1端口输入低电平，则Q1、Q4导通，Q2、Q4断开，此时电机反转；控制1端口输入高电平，控制2端口输入低电平是，Q1Q4通断状态与之前相反，电机正转。当控制1、控制2均输入高电平时，Q3、Q4导通,Q1、Q1关断，电机两端均输入高电平，电机不转。同理，控制1与控制2同时为低电平时，电机两端仍为高电平，亦不转。图 3-1

57、2 MOS 管H 桥原理图3.4 本章小结本部分重点设计出通过专用驱动芯片IR2130驱动功率MOSFET的电机驱动体系，不只可以完成驱动任务，此外还能高效避免电机过流和直通问题的出现，可以高效的提升综合稳定性。从硬件上电机驱动系统设计着手，叙述IR2130驱动芯片与MOSFET保护电路的详细内容。第4章 消防机器人调速系统的算法研究在第3章对消防机器人行走控制部分的驱动电路硬件方面进行了详细设计，在实际设计系统控制的过程中，往往需要选择适当的控制方法以满足性能指标的要求，算法的研究设计过程是一个反复试探的过程。本章首先介绍控制理论的基本知识，并给出常见的无刷直流电机数学模型；然后选用两种常用的PID控制及模糊PID控制方法，且基于双闭环调速控制方案，在MATLAB上对电机控制体系开展仿真，对比研究PID控制和模糊PID控制方式的功能，挑选更加高效的当做消防机器人控制体系的方式。4.1 控制