王凡开题报告

哈尔滨理工大学电子科学与技术专业本科毕业论文论文开题报告学 院 应用科学学学院专 业 电子科学与技术导 师 曹一江 学 生 王凡 班 级 2013级3班 开题报告日期 2017.3.20 论文题目 机器人灭火系统设计电子科学与技术系一、 课题研究的目的和意义随着社会与国家的发展，在经济迅速增长的同时，各种危险场所不可避免的火灾频繁出现，给社会造成了许多安全隐患，于是现代火灾及时补救已经成为迫在眉睫需要解决的问题，救火早一刻就少一分损失，而且消防人员进入救火现场有生命危险，于是采用机器人进行灭火的理念诞生了。本设计主要就是针对消防机器人的制作与研究，小车以AT89S52单片机为控制核心，加以电源电路为小车提供负载，电机驱动控制小车前进，光电传感电路及火焰检测电路探测火源，灭火水泵进行灭火，进而实现灭火的目的。同时机器人的技术水平，是一个国家自动化水平和国家综合国力的表现，是工业以及非产业界的主要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。目前机器人在汽车工业、机电工业、建筑业、海洋工业、军事和航天等领域获得了广泛的应用，此外还出现仿生机器人、家政机器人、水下机器人、导游机器人、遥控潜水器、蛇形机器人和高智慧的智能机器人等。机器人技术是近年来高新技术发展的一个重要领域和研究热点。随着机器人技术的发展，机器人的应用领域的不断扩大，对机器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地将其他领域（如图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等）的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中，是一项富有挑战性的研究工作。二、 国内外研究现状2.1我国消防机器人市场需求及研究现状近年来，我国石油化工等行业有了飞速的发展和进步，生产过程中的易燃易爆和剧毒化学制品急剧增长，由于设备以及管理等方面的原因，导致化学危险品和放射性物质泄漏以及燃烧、爆炸的事故隐患越来越多。一旦事故发生，假如没有有效的方法、装备及设施，救援人员将无法进入事故现场，而要冒然采取行动，往往只会造成无辜生命的牺牲,付出惨重代价，结果仍不能达到预期目的，这方面各地消防及救援部门已有许多次血的教训。深圳清水河大爆炸、南京金陵石化火灾、北京东方化工厂罐区火灾等事件发生后，全国各地要求配备消防机器人的呼声愈来愈高。尤其是在明确公安消防部队作为处置各类化学危险品泄漏事故的主力军之后，在我国消防部门配备消防机器人的问题就显得更为迫切了。自八十年代末开始，我国消防部队装备归口研究单位公安部上海消防研究所在公安部的支持下曾多次对作为灭火消防机器人重要组成部分的远控消防炮系统及相应的研究试验技术进行了立项研究，重点解决远控消防炮系统在油码头等场合的工程应用问题，目前该成果已成功地应用于我国众多的油码头、油罐区和飞机维修库等场合，相关产品在国内占据了百分之八十以上的市场份额，产品和工程应用技术已经比较成熟，为我国消防机器人的研究奠定了良好的基础。1998年8月,由该所承担,在上海市科委立项的“自行式消防炮”（六轮消防灭火机器人）通过了专家鉴定，该设备可自动寻找火源，实现喷水灭火。次年，由该所研制的“履带式消防灭火机器人”也顺利完成，该机器人能在松软泥泞的土地上快速行走，是由于底部采用履带结构。2000年6月24日，由公安部上海消防研究所、上海交通大学和上海市消防局三家单位共同承担的国家863项目“履带轮式消防灭火侦察机器人”研制成功并顺利通过国家验收。目前，在上海市科委的支持下,公安部上海消防研究所以及上述有关单位正在通力合作，全面开展消防侦察机器人和消防救援机器人的预研及相关技术开发工作，为二项技术的进一步研究和开发奠定了良好的基础。2.2国外消防机器人发展现状国际上较早开展消防机器人研究的是美国和原苏联，稍后，英国、日本、法国、德国等国家也纷纷开始研究该类技术。目前已有很多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。日本投入应用的消防机器人最多。80年代，日本研制了不少于5种型号的自动行驶灭火机器人，分别配备于大阪、东京、高石、太田、蒲田等消防部门，这类机器人以内燃机或电动机作为动力，配置驱动轮或履带式行驶机构,能爬坡、越障碍;装有较大喷射流量的消防枪炮，能作俯仰和左右回转;装有气体检测仪器和电视监视设备;通过电缆或无线控制，控制距离最大为100m（150m）。另一类机器人为侦察、抢险机器人，除装有气体检测仪器和电视监视器设备外,还装有机械手，能通过遥控处理危险物品。美国已研制出能依靠感觉信息控制的救灾智能化机器人，如1994年用于探测阿拉斯加州斯珀活火山的“但丁2号”，抓获杀人犯的RM1-9型遥控消防机器人等。亚利桑那州消防部门研制的消防机器人，装有破拆工具和消防水枪，能一边破拆，一边喷射灭火。英国智能化保安公司生产的RO-VEH遥控消防车已装备于中部和西部消防部门，配置为履带式或轮式行驶机构，能爬楼梯，通过电缆供电或自携蓄电池供电。装有消防水炮、摄像机或热像仪。采用有线控制方式。1985年英国中西部消防部门和FirmaSAS公司联合研制的机器人消防车，用HunterlII汽车改装而成，装有双臂、水枪、探测器（温度、化学物质、辐射等）、工业电视摄像机、红外线装置。机械手用来启闭阀门、搬移物品或开门等。国际上对消防机器人的研究可分为三个阶段（三代），第一代是程序控制消防机器人，第二代是具有感觉功能的消防机器人,第三代是智能化消防机器人。目前，工业发达国家正在加快开发具有不同功能的实用型的第二代消防机器人和第三代低级智能化消防机器人，着手研究第三代高级智能机器人。一些工业发达国家把研究开发消防机器人列入国家技术发展规划，将它作为经济发展的一个重要保证手段。三、主要研究内容1、 采用红外测距传感器和红外火焰传感器探测火源距离，确定火源所在位置。2、 准确定位火源，采用电机控制后轮的转速，以实现机器人转向，使灭火器出水孔对准火源，以达到最佳的灭火效果。

3、 调用麦克风函数，熟练掌握麦克风函数使用方法，使机器人具有声音启动模式。4、 安装灭火装置，本设计采用风扇的旋转，实现灭火。四、研究方案及进展（―）研究方案1、 阅读国内外文献，了解机器人灭火的发展状况，确定研究方向。2、 了解探测火源时所需的模块及器件，对火源进行精密的探测，并控制灭火风扇系统。3、 对机器人转向进行设计，采用整体转动的形式，当控制信号到来时，机器人整体转动。4、 安装麦克风装置，此装置可以识别声强大小，调用麦克风函数，使机器人具有声音启动模式。5、 灭火装置的设置，采用风扇灭火，在机器人上安装风扇，当控制信号到来时，风扇发动，从而实现灭火。（二）已完成工作1、探测火源的距离传感器模块：机器人能否顺利检查每个房间火源情况，准确找到火源并熄灭，关键取决于传感器。因此该系统设计选用红外测距传感器、远红外火焰传感器，来实现传感器模块设计。1.1红外测距传感器为了测量并控制机器人与火源的方位，来确定机器人的转臂方向，从而控制向何方向进行喷水，采用红外测距传感器，这里选用SHARP-GP2D12PSD距离传感器（简称PSD传感器）。该传感器利用红外测距原理，将物体距离转换成电压信号，精确测距范围为10〜80cm，并具有方向性强，不受干扰，操作简单，价格便宜等特性。该设计专门采用6个PSD传感器。传感器位置分布如图（1）所示（注：四角的传感器必须按45°安放）。图（1）PSD传感器位置分布1.2远红外火焰传感器利用单个远红外火焰传感器探测火源，不能准确判断距离火源的距离且费时，为更快速更准确地确定与火源的距离确定多远处进行喷水，以及该系统设计采用远红外火焰传感器组。该传感器组由14个红外接收管组成，每2个并联且指向同一方向，有7个方向，共用2组，可以覆盖全部范围。远红外火焰探头为超高灵敏光电三极管探头，读数范围为0〜1023,对可见光和红外光的有效探测距离可达2m,线性度精确，其读数规律为光照越强，读数越大。2、机器人转向该设计采用机器人整体转向的方案，通过电机驱动两后轮旋转速度，当两轮速度不同时，即可实现机器人的转向功能。红外妙 1T3D槪微控制器-1驱动电机1I1命令服务髀一卜I驱动电机2 |1 通腿口 卜—J报W1舷 |图（2）转向控制模块3、灭火装置及灭火装置模块设计在全部程序中，喷水灭火子程序无疑是最关键的环节。灭火子程序流程首先调整转向角度至最佳喷水灭火角度，然后进行喷水灭火，最后检测灭火效果。若未完成灭火，则重复执行灭火程序。可燃物的燃烧的条件有两个：一是有助燃物，二是可燃物的温度达到着火点以上。因此灭火也就有两种方案:一是将助燃物与可燃物隔离开,二是降低可燃物的温度至着火点以下。本设计小车采用第二种方案,即降低温度至着火点以下。方案1:喷水灭火。利用微型水泵喷出适量的水来灭掉火源。喷水灭火是现实生活中灭火的最主要的方式，但是对于本设计的智能灭火小车，有两个致命的缺点:一是几乎买不到小型可控的喷水装置，二是装上大量水后，小车的负载过大。方案2:风扇灭火。利用一个不减速的直流小电机带动一个小叶扇进行简单的灭火。由于风扇灭火负载低，成本小，使用方法简易，故本设计采用风扇灭火。五、工作进度安排第1-4周：对机器人灭火系统有初步的了解。第5-8周：明确火源探测的方法，采用红外测距的方法判断火源的距离。第9-12周：确定机器转臂的控制过程，准确的瞄准火源，并控制风扇进行灭火。第13-16周：整理数据，攥写毕业论文，准备答辩。六、预计研究过程中可能遇到的困难和问题以及解决的措施确定灭火前与蜡烛的距离，一般通过远红外火焰传感器寻找火源，当检测到的火焰值小于设定值时就开始灭火，但经常会发现机器人要么离蜡烛太远就开始灭火、要么撞了蜡烛还没反应。这是由于环境光线的变化、蜡烛火焰大小的变化引起的。为了提高有效灭火的成功率，我们可以用远红外火焰传感器来判断火焰。在编程时，如果机器人发现火源同时又发现地面白线，才进行灭火动作。参考文献刘极峰.机器人技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.杨莹，许侃•国际机器人科学知识前沿演化的可视化分析[C]科学理论与科学计量学探索全国科学技术学暨科学理论与学科建设2008年联合年会论文集，中国安徽,2008:168-173⑶熊有伦，丁汉，刘恩沧.机器人学[M].机械工业出版社，1993(01)[4]ChenC,MorrisS.Visualizingevolvingnetworks:Minimumspanningtreesversuspathfindernetworks[C]〃ProceedingsofIEEESymposiumonInformationVisualization,Washington:IEEEComputerSocietyPress,2003:67-74⑸刘君华.智能传感器系统[M].西安：西安电子科技大学出版社，1999.⑹广茂达能力风暴智能机器人开发系统AS-UII使用手册[M],2008.梁毓明，徐立鸿.移动机器人多传感器测距系统研究与设计[J].计算机应用,200&28(6):340-343.曹小松,唐鸿儒，杨炯.移动机器人多传感器信息融合测距系统设计[J].自动化仪表,2009,(5):4-8..YahjaA,SinghS,StntzA.Anefficienton-linepathplannerforout-doormobilerobots.RoboticsandAutonomousSystems,2000,32(2)郭瑞璜•日本开发应用消防机器人的现状•消防技术与产品信息,2011,02:87-88[11」YJ.Kim,J.H.Kim,D.S.Kwon.Evolutionaryprogramming-BasedUni-vectorFieldNavigationMethodforFastMobileRobots.IEEETranscationsonSystemsManandCybernetics,2001,31(3):450-458SouhilaK,KarimA.Opticalflowbasedrobotobstacleavoidance.InternationalJournalofAdvanceedRoboticSystems,2007,4(1):13-16HartmutSurmann,HrgHuser,JensWehking.pathplanningforafuzzyControlledAutonomousmobilerobot[A].FifthIEEEInt.Conf.OnFuzzySystemFuzz-IEEE96[C].UAS:NewOrleans,1996王飞，乔永亮,何东健，陈帝伊.基于多传感器信息融合