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智能灭火机器人 毕业论文.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.67M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    前 言
    1 智能灭火机器人总体设计
    1.1 总体设计任务
    1.2 总体设计要求
    1.3 智能灭火机器人系统方案
    1.3.1 智能灭火机器人系统总体方案设计
    1.3.2智能灭火机器人各模块方案选择
    1.3.2.1 控制器模块
    1.3.2.2 火源探测模块
    1.3.2.3 寻线前进模块
    1.3.2.4 障碍物检测躲避模块
    1.3.2.5 路程测量模块
    1.3.2.6 智能灭火机器人电机驱动模块
    1.3.2.7 灭火模块
    1.3.2.8 电源模块
    1.3.3 系统各模块的最终方案
    2 智能灭火机器人系统的软、硬件设计与实现
    2.1 智能灭火机器人系统硬件基本组成部分的设计思想
    2.1.1 控制部分
    2.1.2 检测部分
    2.2 智能灭火机器人主要单元电路的电路图和说明
    2.2.1 控制部分单元电路图
    2.2.2 检测部分的单元电路图
    2.2.3 功能实现部分
    2.3 智能灭火机器人系统的软件设计
    2.3.1 系统主程序流程图
    2.3.2 各部分子程序设计
    3 系统测试与调整
    3.1 各部分测试过程和数据
    3.1.1 线路检测部分测试
    3.1.2 火焰检测部分测试
    4 致谢
    1致 谢
    参 考 文 献
    附录
    附录1 主要元器件清单
    附录2 部分程序
    摘 要 本设计中智能灭火机器人采用两块 SPCE061A 单片机作为检测和控 制的核心，实现机器人的智能控制，包括寻找火源、躲避障碍接近火源、 启用风扇灭火等功能。火源探测使用红外传感器，障碍物判断采用集成 红外传感器，电机采用直流电机。电机控制核心采用 SPCE061A 单片机， 控制系统与电路用光电耦合器完全隔离以避免干扰。实现的功能是：从 安全区出发，自动寻找火源并选择路线灭火，避开障碍接近火源，启用 风扇吹灭火源后结束。 关键词：寻找火源 躲避障碍 吹灭火源 I
    Abstract The design of intelligent robots fighting SPCE061A two single-chip microcomputer used as the detection and control of the core, the realization of the intelligent robot control, including the search for thermal sources, to avoid obstacles near the fire source, fire-fighting features such as the opening of the fan. Fire detection using infrared sensors, infrared barrier to determine the use of integrated sensors, motors using DC motor. SPCE061A core motor control using single-chip microcomputer, control system and optocoupler circuits completely isolated to avoid interference. The realization of the function is: starting from the security zone, automatic fire source to find and select the line of fire, avoid obstacles near the fire source,the opening of the fan blowing the source end after the fire. Key words: looking for fire fighting to avoid the source of obstacles to wind II
    目 录 前 言.................................................................................................................................1 1 智能灭火机器人总体设计 ............................................................................................ 2 1.1 总体设计任务 .................................................................................................... 2 1.2 总体设计要求 .................................................................................................... 2 1.3 智能灭火机器人系统方案................................................................................ 3 1.3.1 智能灭火机器人系统总体方案设计 ....................................................3 1.3.2 智能灭火机器人各模块方案选择 .........................................................4 1.3.3 系统各模块的最终方案 ...................................................................... 20 2 智能灭火机器人系统的软、硬件设计与实现 ..........................................................21 2.1 智能灭火机器人系统硬件基本组成部分的设计思想 ..................................21 2.1.1 控制部分 .............................................................................................. 21 2.1.2 检测部分 .............................................................................................. 22 2.2 智能灭火机器人主要单元电路的电路图和说明 ...........................................24 2.2.1 控制部分单元电路图 .......................................................................... 24 2.2.2 检测部分的单元电路图 ...................................................................... 28 2.2.3 功能实现部分 ...................................................................................... 30 2.3 智能灭火机器人系统的软件设计 ...................................................................30 2.3.1 系统主程序流程图 .............................................................................. 31 2.3.2 各部分子程序设计 .............................................................................. 32 3 系统测试与调整 .......................................................................................................... 35 3.1 各部分测试过程和数据 .................................................................................. 35 3.1.1 线路检测部分测试 .............................................................................. 35 3.1.2 火焰检测部分测试 .............................................................................. 36 4 致谢 ...............................................................................................................................38 参 考 文 献.................................................................................................................... 39 附录 ...................................................................................................................................41 附录 1 主要元器件清单....................................................................................... 41 附录 2 部分程序清单 ........................................................................................... 41 i
    前 言 最近几十年中，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。 从功能上划分，目前的消防机器人有下列几类：灭火机器人、侦察 机器人、攀登营救机器人和救护机器人。从控制方式来分，消防机器人 可分为遥控消防机器人和自主消防机器人。 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。 1
    1 智能灭火机器人总体设计 1.1 总体设计任务 设计制作一个智能灭火机器人的模型，能在指定区域进行灭火工作。 以蜡烛模拟火源，随机分布在场地中，场地如图所示： 1.2 总体设计要求 根据要求为设计确定了以下目标： （1）智能灭火机器人启动后能自行寻找到火源。 （2）发现火源后，避开障碍物接近火源。 （3）到达灭火距离时停止移动，启动风扇开始灭火。 （4）检测此火源已被吹灭，自动关闭风扇，寻找其他火源。 2
    1.3 智能灭火机器人系统方案 1.3.1 智能灭火机器人系统总体方案设计 本系统大体上分为7个基本模块，它们的关系可由如下方框图示意 方案一：在智能灭火机器人的两侧安装两个轮子并由两个普通直流 电机带动，前后各安装一个万向轮，方便智能灭火机器人拐弯并起平衡 支撑作用。在智能灭火机器人两侧各安装一个火焰传感器和一个风扇， 传感器输出信号经比较器来判断火源的远近，左侧通过放大可探测到距 离较远的火源，右侧传感器没有接放大器，只可检测到近距离内的火源。 另外在中间安装两个传感器，左右距离比前后两对传感器大一些，主要 起定位功能。智能灭火机器人从安全区出发后直走到达中线后左拐，开 启左侧传感器探测左侧半个场地内火源的情况，发现火源则在下一路口 左拐若此时正好在障碍物所处的两条线上则智能灭火机器人后退到前一 个路口再左拐，然后两侧传感器均开启，哪一侧检测到火源就开启哪一 3
    侧的风扇将火源吹灭。然后回到中线上继续前行探测火源，到达边线后 原地转180度对右侧的半个场地进行探测，程序与左半侧基本相同。火源 全部灭完后，智能灭火机器人沿中线返回安全区。这种方案硬件简单， 软件实现起来思路也比较清晰，但并没有真正起到避障的效果，现在是 已知障碍物的位置所以能避开，若临时改变障碍物的位置，则这一方案 就不能实现避障，也就无法完成灭火任务。 方案二：车身设计与方案一相同，在智能灭火机器人前方增加一个 红外障碍物探测传感器，在智能灭火机器人两侧各安装一个火焰传感器 和一个风扇，传感器输出信号经电容滤波进入比较器来判断火源的远近， 通过调节变阻器能调节比较器的参考电压，从而将火源的距离分成远近 两档。左侧为远距离档可探测到105cm以内的火源，右侧传感器可检测到 30cm以内的火源，为近距离档。另外在中间安装两个传感器，左右距离 比前后两对传感器稍大一些，主要起定位作用。智能灭火机器人从安全 区出发后直走到达中线后左拐，开启左侧传感器探测左侧半个场地内火 源的情况，若发现火源则在下一路口左拐，然后两侧传感器均开启，哪 一侧检测到火源就开启哪一侧的风扇将火源吹灭。然后继续前行探测火 源，到达边线后原地转180度对右侧的半个场地进行探测，程序与左半侧 基本相同。经考虑这个方案比较合适，所以采用方案二。 1.3.2智能灭火机器人各模块方案选择 1.3.2.1 控制器模块 单片机控制模块在本系统中处于核心地位。其工作包括处理键盘输 入、显示模块控制、响应传感器中断、控制电机运行等。对单片机控制 4
    模块的基本要求是具有较高的速度、资源配置满足要求。 方案一：采用传统的8位89C51单片机作为运动物体的控制中心。经 典51 单片机具有价格低廉,使用简单等特点，但其运算速度低，功能单 一，RAM、ROM空间小、不稳定等缺点。本题目要求有较大的RAM，由于智 能灭火机器人的颠簸需要比较稳定的系统，若采用89C51需要做RAM，ROM 来扩展其内存空间，其硬件工作量必然大大增多。而高档的MCS-51系衍 生产品价格昂贵、冗余资源较多、使用范围较窄。采用89C51单片机实现， 单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。但 是89C51需外接模数转换器来满足数据采样，硬件电路相对复杂。另外， 51单片机在线操作不易掌握，需要用仿真器来实现软硬件调试，过于复 杂，所以这个方案不予采用。 方案二：采用FPGA作为系统控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑 功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用EDA软件进行 仿真和调试。FPGA采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于 大规模实时性要求较高的系统。在本设计中智能灭火机器人的行走速度 不能过快， FPGA的高速处理能力得不到充分发挥，所以决定不考虑这个 方案。 方案三：采用PHILIPS公司的LPC213X—-ARM系列为控制器核心。高 集成度的32位嵌入式ARM控制器核心功能强大速度快，逻辑功能处理能力 强。并可以进行JTAG在线仿真，支持ADS1.2集成开发环境，内置USB接口， 具有良好的控制与通信功能。内部PLL电路可调整系统时钟可使CPU时钟 最大达到60M赫兹，运算速度很高。用于较高的系统及操作系统，适用于 5
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