姜永昌

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590）

1 系統(tǒng)概述

本設(shè)計(jì)主要由火焰檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、避障模塊、氣體滅火模塊、啟動(dòng)模塊、藍(lán)牙模塊構(gòu)成。機(jī)器人啟動(dòng)后，按照預(yù)訂房間順序，自主尋找房間并依次完成所有房間內(nèi)的滅火任務(wù)，滅火時(shí)采用舵機(jī)控制C02氣體釋放，藍(lán)牙將機(jī)器人狀態(tài)信息反饋到計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、便于調(diào)試。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103系列單片機(jī)作為主控芯片。該單片機(jī)具有運(yùn)算速度快，內(nèi)部集成多個(gè)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)PWM輸出控制直流電機(jī)并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速編碼器正交解碼反饋，多路高速ADC連續(xù)掃描、DMA提高檢測(cè)速率并獨(dú)立傳輸、降低主控壓力。

2.2 傳感器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)火焰檢測(cè)采用多種傳感器加權(quán)檢測(cè)，紫外火焰?zhèn)鞲衅髯鳛橹鱾鞲衅?，紅外火焰?zhèn)鞲衅髯鳛檩o助傳感器。能在減少陽(yáng)光干擾前提下節(jié)約成本，做到火焰方向精確定位。運(yùn)動(dòng)檢測(cè)采用漫反射紅外傳感器，電子羅盤、陀螺儀以及灰度傳感器。啟動(dòng)檢測(cè)采用聲音傳感器。

2.3 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用東芝公司生產(chǎn)的TB6612驅(qū)動(dòng)芯片，較常見驅(qū)動(dòng)芯片，具有體積小，集成化，不需要二極管回流及外加散熱片等優(yōu)點(diǎn)，可以減小機(jī)器人體積，使更加靈活。

2.4 藍(lán)牙設(shè)計(jì)

使用串口通信的通信方式，通過藍(lán)牙將機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)反饋到計(jì)算機(jī)，便于調(diào)試與狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)則，機(jī)器人需要通過傳感器檢測(cè)，自主避障并尋找軌跡進(jìn)入房間，進(jìn)入房間后自主搜尋火焰并撲滅火焰，依次完成多個(gè)房間的搜尋任務(wù)并回到起點(diǎn)。機(jī)器人運(yùn)行程序主要由避障算法、尋火算法、滅火算法及位置姿態(tài)算法組成。

3.1 避障算法

通過讀取分布在機(jī)器人四周的七個(gè)紅外漫反射傳感器的反饋，判斷周圍障礙情況，做到以墻壁為參照，尋找行進(jìn)軌跡并自主避障。避障檢測(cè)包括左主檢測(cè)和右主檢測(cè)兩套檢測(cè)算法，通過合理切換兩套檢測(cè)機(jī)制，做到機(jī)器人在場(chǎng)地的不同位置都可以找到有效的墻壁參照。通過設(shè)定多個(gè)判斷條件，準(zhǔn)確判定當(dāng)前位置狀態(tài)及下一步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.2 尋火算法

紫外火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)火焰光中含有的UV紫外線比較敏感，而到達(dá)地面的陽(yáng)光中其含量極少，因此有很好的抗陽(yáng)光干擾能力，可以提高火焰是否存在的檢測(cè)準(zhǔn)確度?？紤]到成本，利用紅外火焰?zhèn)鞲衅鱽碜鳛榻咏鹧鏁r(shí)的姿態(tài)傳感器使用。本算法利用紫外火焰?zhèn)鞲衅鞔_定火焰方位，然后融合多組紅外火焰?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)值進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

在火焰方位檢測(cè)時(shí)，距離火焰遠(yuǎn)，紅外檢測(cè)誤差大，此時(shí)紫外檢測(cè)權(quán)值為1。在方位確定后的姿態(tài)調(diào)整前進(jìn)時(shí)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，紅外檢測(cè)權(quán)值為0.6，紫外檢測(cè)權(quán)值為0.4，效果較好。通過不斷調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)，使機(jī)器人能夠正確找到火焰方向并精準(zhǔn)的趨近火焰位置。

3.3 滅火算法

在灰度傳感器檢測(cè)到火焰外圈地面白線后，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)舵盤，經(jīng)桿件將扭力傳遞給與氣瓶閥門連接的摩擦件。通過摩擦力旋開氣瓶閥門，釋放C02氣體進(jìn)行滅火。同時(shí)車身左右擺動(dòng)，形成扇形的有效滅火區(qū)域，極大的提高了滅火的有效性。

3.4 位置姿態(tài)算法

通過讀取車模上安裝的陀螺儀測(cè)量的角速度與電子羅盤反饋的方位角，將兩種傳感器數(shù)據(jù)融合，來實(shí)現(xiàn)車體旋轉(zhuǎn)角度的精確性。

4 誤差分析及去除

4.1 行進(jìn)誤差

機(jī)器人采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，受電機(jī)參數(shù)及電流變化影響，兩電機(jī)轉(zhuǎn)速必會(huì)產(chǎn)生誤差，誤差積累將會(huì)使機(jī)器人不能直線行走。為去除誤差，采用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器反饋轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)。

4.2 角度誤差

機(jī)器人為靈活搜尋火焰，常采取自身旋轉(zhuǎn)，由于場(chǎng)地環(huán)境不同，采用計(jì)時(shí)旋轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)而確定旋轉(zhuǎn)角度的方法誤差值很大。而電子羅盤測(cè)方位角時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)測(cè)量角度抖動(dòng)嚴(yán)重。即使不動(dòng)，角度也在不停的小范圍內(nèi)變化。而陀螺儀通過測(cè)量角速度，積分計(jì)算方位角，若信號(hào)存在微小的偏差和漂移，經(jīng)過積分運(yùn)算形成的誤差積累，最終導(dǎo)致電路飽和，信號(hào)失真。為減小誤差，采用陀螺儀與電子羅盤雙傳感器融合的方法，最終得出準(zhǔn)確的角度數(shù)據(jù)。

設(shè)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)t上，電子羅盤值為CompassData（t），陀螺儀值為 GyroData（t），融合后的數(shù)據(jù)為 FuseData（t）。下一個(gè)時(shí)間點(diǎn)t+Δt時(shí)，陀螺儀計(jì)算的角度變化為

電子羅盤值為 CompassData（t+Δt），陀螺儀值為 GyroData（t+Δt），融合后的數(shù)據(jù)為 FuseData（t+Δt），他們之間的運(yùn)算關(guān)系是：

FuzeData（t+Δt）=K×（FuzeData（t）+dangle）+（1-K）×CompassData（t+Δt）

其中K的取值范圍一般為[0.9，1），物理意義就是電子羅盤對(duì)陀螺儀的信任程度。在調(diào)用傳感器的初始狀態(tài)T0時(shí)間點(diǎn)，F(xiàn)useData（T0）=CompassData（T0）

4.3 火焰檢測(cè)誤差

受傳感器與主控間較長(zhǎng)導(dǎo)線的引線寄生電感及環(huán)境電磁干擾影響，傳感器反饋模擬信號(hào)經(jīng)單片機(jī)片內(nèi)ADC檢測(cè)，檢測(cè)值波形存在部分高頻諧波，會(huì)對(duì)火焰方位檢測(cè)產(chǎn)生干擾。為盡可能使同一環(huán)境下檢測(cè)值波形穩(wěn)定，采用軟、硬件結(jié)合的滑動(dòng)平均限幅濾波+硬件ADC接口處電容低通濾波，通過雙濾波的方法，使環(huán)境干擾性大大降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從軟件、硬件、誤差分析等方面對(duì)滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。經(jīng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在搜尋速度和運(yùn)行穩(wěn)定性以及滅火方式上都較常規(guī)設(shè)計(jì)有明顯優(yōu)勢(shì)。

[1] 李圣怡.多傳感器融合理論及在智能制造系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，1998.