灭火机器人Word格式文档下载.docx
- 文档编号:22182662
- 上传时间:2023-02-02
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:490.54KB
灭火机器人Word格式文档下载.docx
《灭火机器人Word格式文档下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《灭火机器人Word格式文档下载.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
10
10
3.4传感器的选择10
3.4.1火焰传感器的选择10
3.4.4避障传感器的选择12
3.5灭火装置13
3.5.1原理介绍13
3.5.2使用说明13
4软件电路设计14
4.1软件总体设计方案14
4.2软件开发平台介绍14
4.3主程序流程图15
4.4寻线程序流程图16
4.5灭火程序流程图17
5总结19
6参考文献19
1绪论
机器人技术的发展,它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果,也同时,为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术,它的发展归功于在第二次世界大战中,各国加强了经济的投入,就加强了本国的经济的发展。
另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果,也是人类自身发展的必然结果,那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况,人们越来越不断探讨自然过程中,在改造自然过程中,认识自然过程中,实现人们对不可达世界的认识和改造,这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。
而灭火机器人,则是这发展过程中重要的一种,本文将以简要的模型来概括。
2机器人的相关概括
机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一,自20世纪60年代初问世以来,经历50年的发展已取得长足的进步。
未来的机器人是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险、复杂劳动的自动化机器,是集机械学、力学、电子学、生物学、控制论、计算机、人工智能和系统工程等多学科知识于一身的高新技术综合体。
走向成熟的工业机器人,各种用途的特种机器人的多用化,昭示着机器人技术灿烂的明天。
2.1机器人的发展
机器人技术的发展,它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果,同时,为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术,它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入,就加强了本国的经济的发展。
比如说日本,战后以后开始进行汽车的工业,那么这时候由于它人力的缺乏,它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造,提高生产效率降低人的劳动强度,这是从社会发展需求本身的一个需求。
另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果,也是人类自身发展的必然结果,那么人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况,人们越来越不断探讨自然过程中,在改造自然过程中,认识自然过程中,来需求能够解放人的一种奴隶。
那么这种奴隶就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动,实现人们对不可达世界的认识和改造,这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。
但另一方面,尽管人们有各种各样的好的想法,但是它也归功于电子技术,计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。
在20世纪70年代到20世纪80年代初期,工业机器人变成产品以后,得到全世界的普遍应用以后,那么很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人,出现了瑞典的ABB公司,德国的KUKA机器人公司,日本几家公司和日本的FUNAC公司,都在工业机器人方面都有很大的作为,同时我们也看到机器人的应用在不断拓宽,它已经从工业上的一些应用,扩展到了服务行业,扩展了它的作业空间,向海洋空间和服务医疗等等行业的使用。
所以从这张图可以看出机器人发展的几个过程。
那么总结一下,我们认为,机器人有三个发展阶段,那么也就是说,我们习惯于把机器人分成三类,一种是第一代机器人,那么也叫示教再现型机器人,它是通过一个计算机,来控制一个多自由度的一个机械,通过示教存储程序和信息,工作时把信息读取出来,然后发出指令,这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果,再现出这种动作,比方说汽车的点焊机器人,它只要把这个点焊的过程示教完以后,它总是重复这样一种工作,它对于外界的环境没有感知,这个力操作力的大小,这个工件存在不存在,焊的好与坏,它并不知道,那么实际上这种从第一代机器人,也就存在它这种缺陷,因此,在20世纪70年代后期,人们开始研究第二代机器人,叫带感觉的机器人,这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉,比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比,有了各种各样的感觉,比方说在机器人抓一个物体的时候,它实际上力的大小能感觉出来,它能够通过视觉,能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。
抓一个鸡蛋,它能通过一个触觉,知道它的力的大小和滑动的情况。
那么第三代机器人,也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段,叫智能机器人,那么只要告诉它做什么,不用告诉它怎么去做,它就能完成运动,感知思维和人机通讯的这种功能和机能,那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义,但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在,而只是随着我们不断的科学技术的发展,智能的概念越来越丰富,它内涵越来越宽。
那么从三代机器人发展过程中,从另一个方面,我们对机器人从应用的角度进行了分类,比如说工业机器人,它包括点焊、弧焊、喷漆、搬运、码垛,在工业现场中工作的这种机器人,我们统称为工业机器人,那么从不同的应用中,到水下去作业的叫水下机器人,到空间作业的叫空间机器人,同时又存在农业、林业、牧业,对医疗机器人叫医用机器人,还包括娱乐机器人,建筑和居室上用的机器人,所以从应用分类,它包括从行业、应用角度,也可以进行这样简单的分类。
2.2灭火机器人
近几十年中,大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。
由于这些建筑的特殊性,发生火灾时,不能快速高效的灭火。
为了解决这一问题,尽快救助火灾中的受害者,最大限度的保证消防人员的安全,消防机器人研究被提到了议事日程。
而机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证,使得消防灭火机器人应运而生。
从二十世纪八十年代开始,世界许多国家都进行了消防机器人的研究。
美国和苏联最早进行消防机器人的研究,而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了消防机器人的研究,目前已有多种不同类型的消防机器人用于各种火灾场合。
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,还有许多有待研究的问题。
比如,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,消防人员不容易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。
同时也应该看到,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、硬仗和特殊战役的能力,提高消防部队在处置大型复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。
2.3本人灭火机器人的主要内容
设计制作一个自主运行的机器人,设计一封闭房间模型,随机在其中一个房间里放置蜡烛代替的火源,让机器人在尽可能短的时间里无碰撞地找到火源然后启动灭火装置将其扑灭。
这个工作受地面摩擦、机器人惯性、机器人电机的转数差、齿轮箱与轮子的摩擦、电压变化等多个因素影响,它模拟了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。
3硬件电路设计
3.1电源及采样电路
电源是保证机器人稳定、可靠运行的关键部件,它直接影响着机器人性能的好坏。
由于本机器人电机驱动和控制器采用两种不同等级电压的电源,为避免2个电源相互干扰,本机器人采用双电源供电系统:
电机电源采用高放电倍率聚合物锂电池,容量为2500MAH,工作电压为24V,能提供40A的稳定供电电流,是普通电池的10倍;
控制器电源采用8.4V锂电池,并提供电压采样端口,以供电池检测,电路图如下图一所示。
图一控制器电源供电电路图
为获得CPU各端口电路所需要的不同等级的电压,本设计采用1个LM317T三端稳压器和2个AMS1117低压差线性电压调整器,并通过其附属电路,得到精确稳定的5V、3.3V、1.8V三种电压;
采用1个发光二极管LD1和限流电阻R5作为电源指示灯,以显示电源开关的状态;
为实时采样电源电压,防止锂电池过放或过充,设计中通过R1、R2分压,引出AD19端口作为电源采样端口。
3.2直流电机驱动电路
由于实际操作的需要,机器人要在避免碰撞的前提下尽可能提高速度,因此要求具有更大功率的驱动器和更灵敏的控制方式。
为此本文采用的电机驱动电源电压为16.8V,电流为20A;
采用占空比范围为0~95%的4路PWM信号控制直流电机,以实现精确的调速。
由于电机功率较大,并要求能实现双向、可调速运行,本文设计了半桥式电力MOSFET管,成功实现了对电机的控制。
如图3所示,2路PWM信号通过IR2104半桥驱动器(half-bridgedriver)和相应保护电路连接至型号为IRF2807的MOSFET管,控制电源与电动机连接线路的通与断,达到控制电机速度的目的。
当PWM信号占空比较大时,线路导通时间长,电机速度大;
相反,当PWM占空比较小时,线路导通时间短,电机速度小。
4个MOSFET管在不同时刻导通组合,实现控制电机转动方向:
当MSFET管1和4导通时,电机端口1为正、2为负,电机正转;
当MOSFET管2和3导通时,电机端口2为正、1为负,电机反转。
图二同眼电机驱动电路
3.3声音报警电路
声音报警电路如下图所示:
3.4传感器的选择
3.4.1火焰传感器的选择
从经济和方便的角度考虑,采用热释电红外测温传感器,热释电红外传感器TTS1000和TTS2000系列是根据LiTaO3的热释电效应设计的,用作检测器的热释电材料具有自发极化,其晶面能俘获大气中的自由电荷,从而保持中性,当晶面温度稍有变化即引起自发极化强度的变化,从而使晶面电荷量发生相应的变化。
由于它是非接触式测温,用于测量火焰温度非常方便。
图四火焰传感器实物图
此传感器具有优良的火焰探测性能,可根据可见光、红外光强弱变化输出电平的大小。
其输出端口是一个四针的插头,其中黑色线为地线、红色线为电源线(+5V)、黄色线为信号线,用于输出测量的红外光强度电平、棕色线为信号线,用于输出可见光强度电平。
3.4.2地面灰度传感器
机器人的启动和停止及进房间的标志都要依靠对地面灰度的判断,因此需使用能对地面反射光线的强弱做出反应的传感器。
本机器使用一对地面灰度传感器,放置在前后两端的底座上。
地面颜色越深,其值越大,地面颜色越浅,其值越小。
如图五所示,地面灰度传感器通过发光二极管LED照亮地面,地面的反射光线被光敏三极管接收,当地面颜色为黑色时,反射的光线比较弱,则光敏三极管的基极电流越小,集电极电流也相应较小,1端口电压值较高,其测量值较大;
反之当地面为白色时,反射的光线较强,集电极电流越大,1端口电压值较小,测量值也较小。
图五地面灰度传感器
3.4.3寻迹传感器的选择
用ST178型光电对管。
ST178为反射取样式红外线对管作为核心传感器件。
它采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成,以非接触检测方式,检测距离可调整范围大,4-10mm可用。
ST178的示意图和特性曲线如图所示。
当发光二极管发出的光反射回来时,三极管导通输出低电平。
此光电对管调理电路简单,工作性能稳定。
(a)ST178示意图(b)ST178特性表
图六ST178的示意图和特性曲线
3.4.4避障传感器的选择
考虑到本系统只需要检测简单障碍物,没有十分复杂的环境。
为了使用方便,便于操作和调试,选用红外光电开关ST178进行避障。
光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束,被物体阻断或部分反射,受光器最终据此做出判断反应,是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射,当检测到有障碍物的时候,光电对管就能够接收到物体反射的红外光,其物体不限于金属,对所有能反射光线的物体均能检测。
光电对管ST178操作简单,使用方便。
当有光线反射回来时,输出低电平。
当没有光线反射回来时,输出高电平。
图七红外光电传感器
3.5灭火装置
机器人灭火方式有多种,但不能使用任何危险的或者可能破坏场地的方法或者物质来灭火(如通过燃放爆竹产生冲击是蜡烛熄灭),也不能通过碰倒蜡烛的方式来灭火。
综合考虑技术、经济等多方面,我准备采用安装灭火风扇的方式来完成灭火动作。
3.5.1原理介绍
通过能力风暴主板上的扩展直流电机口来驱动直流电机旋转,带动风扇页旋转,用风吹灭烛火。
3.5.2使用说明
灭火风扇装置由支架、直流电机、扇叶及导线、螺钉等组成。
1,首先取出灭火支架配件,将它们组装起来。
2,将灭火支架装在能力风暴上,在使用灭火支架时不能同时使用能力风暴透明顶盖。
3,将机器人主板右上方的跳线插到DCA3口的位置,将风扇电机线接到MDCA3口。
4,使用风扇时,不能与喇叭、伺服电机扩展口同时使用。
5,扩展直流电机控制没有变速功能,通过改变直流电机插针的结插方向可以改变电机旋转方向。
6,在图形化编程时,直接用“启动电机模块”与“停止电机模块”控制;
在代码框编程时,使用函数motor(3,100)和stop_motor(3)控制风扇的起止。
4软件电路设计
4.1软件总体设计方案
传感器组把测得温度分别通过模数转换传给单片机,单片机通过一定的处理,比较得出温度最高的三个传感器,根据能量在自由空间的衰减规律可知,火源与传感器的距离与传感器测得温度的大小呈负相关,温度越高,距离火源越近,所以,火源即在这三个传感器所对的那个方向上。
具体的方位可以通过相应的公式计算出来,调整机器人方向并通过避障传感器避障前进到火源位置驱动灭火风扇进行灭火。
所以需要的主要是编写寻线控制程序和灭火控制程序。
4.2软件开发平台介绍
编程语言选用C语言,因为我们学的是C,所以相对而言比较熟悉。
汇编语言作为传统的嵌入式系统的编程语言,具有执行效率高的优点,但其本身是低级语言,编程效率较低,可移植性和可读性差,维护极不方便。
而C语言以其结构化,容易维护,容易移植的优势满足开发的需要。
MCS-51是支持C语言编程的编译器,它主要有两种:
FranklinC51编译器和KeilC51编译器,我们简称C51。
C51是专为MCS-51开发的一种高性能的C编译器。
由C51产生的目标代码的运行速度极高,所需存储空间极小,完全可以和汇编语言媲美。
Keil软件公司提供的专用8051嵌入式应用开发工具套件,可以编译C源文件、汇编源文件、连接定位目标模块和库、生成并调试目标程序,为实际的每一种8051及其派生系列产品生成嵌入式应用系统。
KeilC51交叉编译器兼容ANSI(美国国家标准协会)C编译器,专用于为8051微控制器系列生成快速紧凑的目标代码。
使用Keil8051开发工具套件,以工程的形式组织各种文件,工程开发周期与任何其他软件开发工程的周期大致相同。
µ
Vision2IDE是Keil公司提供的用于开发MCS-51系列芯片的汇编语言与C程序的集成开发环境,是标准的Windows应用程序,同其他Windows应用程序一样,µ
Vision2IDE环境包括菜单、工具条、编辑及显示多种窗口。
Vision2IDE支持使用的KeilC51工具,包括C编译器、宏汇编器、连接定位器、目标代码到HEX的转换器。
4.3主程序流程图
主程序流程图如图八所示。
用左手法则搜索整个房间,可以容易地检测到房间各个角落,避免出现检测盲区。
在机器人行进过程中检测火焰,一旦发现火焰则切换到趋光程序,计算火焰位置,准确定位并启动风扇灭火,灭火后检测火焰是否被扑灭,确定火焰被扑灭后计数并回到发现
火焰的位置继续搜索房间,直至扑灭所有火焰后启动回家程序,回到原始位置。
图八主程序流程图
4.4寻线程序流程图
寻线的程序流程图如图九所示:
机器人寻线时,由ST178红外对管检测地面引导线,反射光越强,值越大;
反射光越弱,值越小。
程序开始,先将机器人放在引导线上,测得引导线与地面背景的值,求出平均值作为阀值。
若检测值大于阀值,则对应的是白色引导线,若检测值小于阀值,则对应的是深色背景。
通过比较三个寻线传感器的结果,来得出机器人的位置状态,从而控制机器人做出响应的动作,避免机器人脱离引导线运动。
图九寻线子程序流程图
机器人的控制:
机器人前进时,两个电机速度相同;
机器人左转,左轮速度降低,右轮保持不变;
机器人右转,右轮速度降低,左轮保持不变;
机器人后退,电机反转。
电机的速度采用延时控制电机绕组电压接通与断开的时间,这样即可改变电机的平均电压达到调速的目的。
4.5灭火程序流程图
灭火子程序的流程图如图十所示。
当机器人检测到火焰时,由于有障碍物的存在,需要对不同坐标上的火焰分别进行判断。
由于设计中使用一个风扇,安装在机器人的正前方,没有使用舵机的方案,风扇只能朝前方吹风。
为了提高灭火的准确度,我们要让机器人正面对准火焰,否则,可能会出现长时间灭不了火的现象。
对火时让机器人走到火焰附近,判断左右两边火焰强度,左边火焰强,左转一点,右边火焰强,右转一点,每对一次火,前进一点。
图十灭火子程序流程图
5总结
本次的灭火机器人设计主要涉及到单片机开发、机器人组成和原理、电机与驱动、传感器知识及程序算法设计等。
使用最多的是传感器,传感器是机器人的眼睛,只有传感器正确的识别道路,机器人才能正确搜寻房间。
因此传感器的设置很重要,须多次调试得出最佳参数值,如电压值、测试距离、探测角度等。
在整个实验过程中是最关键、最麻烦的就是系统的整体调试,我们要调节各个参数,保证车子能正常完成各个功能。
同时还要考虑出现的各种不良因素,这要求制作的机器人的适应能力好,到达现场时需要调整的参数越少越好。
在控制机器人小车精确转弯时一定要使用相关硬件器件进行控制,比如指南针或者采用好的算法不需要进行精确转弯。
还要考虑机器人的行走路径的选择,因为我们制作的小车为履带结构,结合我们小车的特点和前面分析,我们选择过台阶直接过台阶,然后开始搜索。
显然直接过台阶可以节省很多的时间,路径更短。
6参考文献
[1]蒋新松.机器人与工业自动化[M].石家庄:
河北教育出版社,2003.
[2]王耀南.机器人智能控制工程[M].北京:
科学出版社,2004.
[3]倪星元,等.传感器敏感功能材料及应用[M].北京:
化学工业出版社,2005.
[4]雨宫好文.传感器入门[M].北京:
科学出版社,2000.
[5]许大中等.电机控制[M].杭州:
浙江大学出版社,2002.
[6]黄玉清梁靓张玲霞李想.机器人的差分方向控制与实现[J].信息与电子工程.2004-9,2(3).
[7]黄玉清张江美等.模糊控制在移动机器人中的应用[J].西南科技大学学报.2004-3,19
(1).
[8]姜志海.单片机原理及应用[M].北京:
电子工业出版社,2005.
[9]李全利、迟荣强.单片机原理及接口技术.北京:
高等教育出版社,2004.1
[10]康华光.电子技术基础模拟部分(第四版)[M].北京:
高等教育出版社,1999.
[11]黄玉清梁靓.机器人导航系统中的路径规划算法[J].《微计算机信息》嵌入式SOC.2006.22(7-2).
[12]万永伦丁杰雄.一种机器人寻线控制系统[J].电子科技大学学报,2003,32
(1).
[13]黄玉清梁靓.基于嵌入式PC的机器人光电寻线系统[J].西南科技大学学报.2004-12,19(4).
[14]谭浩强.C程序设计(第二版).北京:
清华大学出版社,1999.12
[15]童诗白、华成英.模拟电子技术基础(
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 灭火 机器人
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)