全自动循迹灭火机器人的设计

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摘 要：本系统以stm32F103VCT6Mini微控制器为核心控制单元，以安装在车体两侧红外传感器来循迹，采用灰度传感器检测进入房间的白线，通过声音传感器启动，使用火焰传感器来检测火焰，并用风扇来灭火，车身主要以相隔30度的五个红外传感器来调整车身的角度，实现了对运动方向的控制。在这篇文章里，我们对小车创造时我们的整体想法等各个参数的介绍，仔细地说明了我们的创意。

关键词：灭火机器人；stm32F103VCT6Mini；设计

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.210

1 实现功能与设计方案

我们想制作一个可以全自动运作的机器人，它可以在任何地方识别地形，自主完成灭火工作。要想完成这个工作需要考虑很多方面。比如地面摩擦、机器人电机的转速差、各个齿轮间的摩擦等多个因素，我们用一个小屋来模拟现实家庭中机器人处理火警的过程，蜡烛代表家里燃起的火源，机器人必须找到并熄灭它。

针对以上的实现功能，我们打算设计一个一辆两个大轮转动，两的万向轮配合使用的车子，灭火工具在经过讨论之后，我们打算使用风扇这样一个相对难度较低的灭火器件。

2 机器人设计制作原理

灭火机器人主要以stm32为控制核心，他通过红外火焰传感器确定火灾位置，通过红外传感与地面灰度传感器进行地形识别，我们采用双电机驱动来使其运动。通过无线蓝牙模块启动小车后，机器人沿着场地里的右面墙壁行走，当搜寻到有蜡烛的房间时，红外传感器电压会变低，低于设定好的电频值，单片机接受信号，驱动电机，完成灭火。

3 模拟房子介绍

我们用的模拟场地的墙壁33cm高，材质为木头与金属。所有地板为黑色的金属地板。墙壁为白色木质板。为了更加形象，我们在地板、门口铺设地毯，模拟家庭。场地中所有的走廊和门口宽都是46cm，我们采用2.5cm宽的金属标识表示房间入口。

4 系统硬件设计

我们设计的目的是设计一个在规定区域能自主搜索火源并实施灭火的智能机器人小车，本次设计使用的主控芯片使用了stm32单片机，我们有它完整的库，所以程序编写方面不成问题，主要工作是设计驱动跟改善机械结构上。

机器人机械部分安装及改造：我们采用3D打印技术一次性打印出车体的框架。在电路板方面，我们用AD将稳压模块，电机驱动，stm32芯片全都集成到了一个板子上，节省了车体空间。因为是用3D打印的车体，所以车体坚固，重量小，便于其转弯，提速。

传感器的设计安装、系统电路板的固定及连接：我们把五个红外管放在底盘上面，三个大致岔开60度，车体后面安装了两个大致岔开120度的红外对管。这样能够使探测的范围更大，有利于对墙壁的探测。系统电路板用铜柱架空，为了达到灭火的高度，将风扇和火焰传感器也加高。

5 系统软件设计

软件设计方案是以上述硬件电路为基础的，我们采用C语言编写，在将程序分为多个部分，一号房间，二号房间，三号房间，四号房间，一号返回，二号返回，三号返回，四号回家。用结构化程序完成小车的既定任务，方便，简洁，有效。包括电机控制模块、传感器模块的程序设计与实现。

6 灭火机器人行进路线分析

当小车于起点，小车一是可以不通过台阶，绕着1号房间向外搜索。二是直接过台阶，然后开始搜索。结合我们小车的特点和前面分析，我们选择不过台阶。

起跑后，小车处于1号和4号房间中间，由图可知，沿着左走的方案比较好，因此我们采用是左手规则，首先搜索的是1号房间，如图中的绿色箭头。当在1号房间发现火源时，小车进入房间并灭火，灭火后按最左侧路线返回；如没有发现火源，小车继续按左手规则搜索房间，在第2个房间里有火源时，无论在那个角，火焰传感器都能检测得到，如果没有检测到，则直接搜索第3个房间，同理，然后搜索第4号房间，不管有没有搜索到火源，从4号房间出来都绕着4号房间返回起点，因为回家过程中的时间不记入总时间，而绕行比较安全，小车比较好控制。

在选择回家的路径时，因为回家时间不算，所以针对这问题，我们的想法是减慢回家的速度，争取成功率和稳定性。而且路线的选择我们选的是从第一个房间里出来的是绕远路的行驶路线，从第二个房间里出来是直线回家，但是不会再搜索其余的房间，因此我们在回家的程序上进行了很多讨论，最终确立了一个最佳方案。

7 实验心得与结论

本次的全自动循迹灭火机器人的设计对我来说是个非常好的经历，它使我学会了keil这个编译环境。并且我对C语言的理解加深，对stm32芯片的各个模块的运用更加娴熟。使我在学习创造方面有了质的飞跃。再设计制作中我也认识了很多大神朋友，他们教会了我很多东西，我在未来的制作中可以避免很多错误，丰富了知识储备。我体会到硬件设计如果比较好的话，软件编程是比较容易的，所以这才启发我如果想搞好硬件，软件必须要懂，要想编出一个比较漂亮的程序，硬件设计也要必须懂，只有软硬兼顾，这才能开发出一个比较好的系统。

此外，由于地面的摩擦、机器人惯性、机器人电机的转数差、齿轮箱与轮子的摩擦等因素，控制机器人直行和转90度有一定的难度，要经过反复的调试、降低机器人的速度、通过传感器矫正等才能达到比较精确的控制。所以在做的过程中，选择一个好的、稳定的车模是必须的。

参考文献：

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