机械毕业设计1116灭火机器人结构与控制

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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。实际应用说明，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。

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，还有大量有待研究的问题。譬如，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，消防人员不简单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。同时也应当看到，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、硬仗和特别战役的能力，提高消防部队在处置大型繁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。

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其次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

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2.2主板

主板布局图如下：

图2－3ASU主板布局图

2.368HC11的基本知识

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个输入捕获，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。

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68HC11的CPU有两个8位累加器，两个16位变址寄放器、一个8位条件寄放器，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0.5μs），3个输入捕获，可测量脉冲数量，脉冲周期、宽度和相位等；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，机器人中用输入捕获计码盘信号，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放器，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。后一种功能可以便利实施去掉最大、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，十分便利。

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：

I?Z1/Z2Z1为主动齿轮的齿数；Z2为从动齿轮的齿数输出的速度可以表达为：V输出?V动力源?I

图2-4齿轮箱展开图

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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，组装适合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便利，看起来也

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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确凿定长步进性能，便利的实现调速和方向的偏转，且能确凿的测量速度、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。而且改变正负极可便利的改变电机转动的方向，便利改变小车的行进状态。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理。

与其它调速系统相比，PWM调速系统有以下优点：

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.对噪声抗争能力的加强是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，该方案缺点明显：易受外界光源的干扰，

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主要是由于可见光的反射效果跟地表的平坦程度，地表材料的反射状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，而且不简单战胜外界可见光的干扰。

方案2：采用红外光电对管，由于只需分辩黑白，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、便利性，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，可以便利的在线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，能够确凿的计算出时间，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，试验中发现在一定距离范围内，空气温度场变化十分小，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。试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，不能确凿测定火源位置。

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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0~255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断红外光线的强弱,从而能大致判别出火源的远近。红外火焰传感器可以用来探测火源或其它一些波长在760纳米～1100纳米范围内的热源，探测角度达60度，其中红外光波长在940纳米附近时，其灵敏度达到最大。试验中发现假使环境中红外干扰比较少的时候本方案能比较确凿的检测到火源。

鉴于以上3种方案的比较，本课题选择方案3。

3.7灭火模块的选定

灭火方法是多种多样的，可采用二氧化碳、水、风扇和盖板等，结合具体因素，本课题选用了水进行灭火，具体详见第五章。

3.8电源模块的选定

在本系统中，需要用到的电源有单片机的5V和电机的电源7-25V。所以需要对电源的提供必需正确和稳定可靠。

方案1：采用UT-3W提供的电源方案为电机供电，采用UT-3W提供的电源接口为单片机提供电源。优点：简单便利。

方案2：用7.2V锂电池为整个系统供电，再转换为电机和单片机需要的电压。基于系统的稳定性考虑，本课题选择了方案2。

3.9最终方案

经过细心考虑，本课题最终确定了如下方案：

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1．车体是购买专用电动车。

2．采用68HC11单片机作为控制核心。3．采用7.2V锂电池供电。

4．用红外探测传感器作为寻迹传感器。5．采用红外接收管制作红外火源传感器。6．采用水泵灭火模块。

系统的结构框图如图3-3所示。

图3-3系统结构框图

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第四章灭火控制方案与策略

4.1灭火场地

灭火场地是标准场地，房间的平面结构（图4-1）是事先已知的，而目标是尽快找到并熄灭蜡烛。假使事先知道