智能灭火机器人的设计与实现

1系统硬件设计

机器人灭火比赛的目的是在图1（尺寸单位：mm ）所示的

平面结构房子模型里，将蜡烛代替的火源随机地放于其中一间，要求机器人快速无碰撞找到火源并将其熄灭。

为满足比赛的功能要求，本设计的灭火机器人硬件结构由控制器、传感器模块、电源模块、驱动模块、灭火装置以及声音模块等组成，其总体结构如图2所示。

1.1嵌入式系统

由于该系统设计所用传感器较多，传感器系统在整个灭火过程中不断采集环境信息，故要求控制器的核心必须对实时任务具有很强的支持能力。因此，选用以嵌入式CPU

ARM966E-S 为核心的STR911FAM44控制器，该器件具有32

位高端ARM9处理器，实时处理信息的能力强，处理速度为

1.1MIPS/MHz ，达到2倍以上ARM7处理器的处理能力[5]。为

智能灭火机器人的设计与实现

李小燕，陈帝伊，马孝义

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院电气系，陕西杨凌712100）

摘要:根据国际灭火机器人的比赛规则，给出灭火机器人的软硬件设计。该系统硬件设计是以嵌入式ARM966E -S 为核心，科学布置6个红外测距传感器，实现远红外火焰传感器组，能够快速精确检测环境。并采用双电源供电，直流电机驱动。而系统软件设计采用优化的避障、灭火算法。实验证明，该设计大大提高系统的实时性、快速性和可靠性。机器人搜寻4个房间并完成灭火用时8s 左右，达到国际先进水平。关键词:机器人；嵌入式系统；传感器；灭火机器人中图分类号:TP311

文献标识码:A

文章编号:1674-6236（2010）03-0051-04

Design and implementation of intelligent fire -fighting robot

LI Xiao -yan ，CHEN Di -yi ，MA Xiao -yi

（Electric Department of College of Water Resources and Architectural Engineering ，NorthWest A&F University ，

Yangling 712100，China ）

Abstract:According to the rule of international fire -fighting robot race ，the hardware and software design of the fire -fight -ing robot are presented.The hardware structure is based on embedded ARM966E -S.Six infrared distance sensors are dis -tributed scientifically and the section of far -infrared flame sensors is designed creatively ，which realizes the function of de -tecting environment quickly and accurately.Dual power supply solution is adopted ，and DC motor is taken as driver.The optimized algorithms for obstacle -avoidance and fire -extinguishing are introduced in software design.The experiments show that the real -time capability ，rapidity and reliability of the system are largely improved by this design.The robot takes eight seconds to search for four rooms and finishes fire -fighting ，which reaches the international advanced level.Key words:robot ；embedded system ；sensor ；fire -fighting robot

收稿日期:2009-07-24

稿件编号:200907083

基金项目:国家“863”计划（2006AA100209）

作者简介:李小燕（1985—），女，四川成都人。研究方向:智能机器人。

图1比赛场地平面图

2010年3月Mar.2010

第18卷第3期

Vol.18No.3

电子设计工程

Electronic Design Engineering －51－

1.2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、远红外火焰传感器和地面灰度传感器，来实现传感器模块设计。

1.2.1红外测距传感器

为了测量并控制机器人与墙的距离，防止机器人碰壁，采用红外测距传感器，这里选用SHARP-GP2D12PSD 距离传感器[6]（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。

根据比赛场地的通道特点，该设计专门采用6个PSD 传感器。传感器位置分布如图4（a ）所示（注：四角的传感器必须按45°安放）。这样，灭火机器人就能对其周围各方向的障碍物进行测距，以此调整其运动方向，达到有效防碰的

效果。

1.2.2远红外火焰传感器

利用单个远红外火焰传感器探测火源，不能准确判断房间是否有火源且费时。为更快速更准确地确定火源的位置，该系统设计采用远红外火焰传感器组，如图4（b ）所示。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

提高端口信息读取速度，本设计在主器件设置了ADC0~

ADC7的8路数据输入端口，每秒可实现50万次数据采集；

另设有20路数据输入端口，由辅助单片机ATMEGA816-PC 连接到主器件上，用以读取检测端口及远红外火焰传感器组的数值。设置4路PWM 控制信号输出，用以驱动4台大功率直流电机，精确调速。此外，还设置了7路Do 数字输出端口，可分别配置为伺服电机、继电器等的驱动口。同时内置512

Kb Flash 存储器，可靠性高，功耗小，程序易于在线升级和调

试。STR911FAM44控制器电路图如图3所示。

图4

传感器模块

图2灭火机器人硬件结构

由于采用远红外火焰传感器组，机器人进入房间后无需沿墙趋近火源，可直接趋光，从而节省时间；通过比较传感器组多个端口的数值，能准确调整机器人方位，实现正面趋光。

1.2.3地面灰度传感器

为检测比赛场地中的白线，该系统设计采用一对地面灰度传感器，将其分别安装于机器人前后底座上。地面灰度传感器反应不同颜色（灰度），其变化趋势是：颜色越浅，测得数值越小。

1.3电源模块

为了避免干扰，提高系统工作的稳定性和可靠性，这里的电源模块采用双电源供电，将控制器电源与电机电源隔离，控制器电源采用8.4V的锂电池供电，且提供电压采样端口，以供电池检测；电机电源采用高放电倍率聚合物锂电池，工作电压为24V，可提供40A的稳定供电电流，是普通电池的10倍。

1.4电机驱动模块

机器人在运动过程中需要改变速度和方向，要求电机的驱动器具有良好的电压调整特性，这里采用大功率MOS驱动器，在11~25V电压下，可提供20A的额定电流。此驱动器采用双极性驱动，通过控制PWM的占空比实现电机调速，这样机器人实现动态环境下快速准确达到目标速度[7]。4路PWM 信号驱动4台大功率直流电机，控制轮子的转动方向。灭火风扇直流电机由控制器的伺服电机输出端口的信号驱动。

1.5其他模块

灭火模块主要包括微型电风扇和风扇直流电机，当机器人发现并趋近火源后，控制器启动风扇灭火。

为提高比赛成绩，采用声音启动模式，控制器的语音采集端口读取声音信号，当信号值大于某一值，机器人启动。

2系统软件设计

根据比赛规则，机器人在行走过程中应能避开障碍物，顺利找到火源并尽快灭火。为此，该设计机器人采用沿墙走模式（沿离目标位置最近的一面墙行进），利用PSD传感器导航，实现无碰撞行走。在寻火模块中，机器人通过地面灰度传感器检测门口白线，并利用远红外火焰传感器来发现火源，若发现火源，则启动灭火模块，机器人利用远红外火焰传感器组快速、精确定位火源，完成趋光、灭火动作，最后返回出发位置。主程序流程如图5所示。主程序控制采用避障算法和灭火算法。其中避障算法决定机器人行走的稳定性、可靠性和快速性的高低，而灭火算法可减小灭火时间，提高灭火的准确性。

避障算法通过读取多个PSD传感器信号，判断障碍物的情况，从而控制机器人无碰撞地沿墙走。以沿右墙走为例说明行走算法，其他行走情况也可据此分析，沿右墙走程序流程如图6所示。可见，通过设定多个条件判断，可以准确决定

出机器人的下一步运动方位，实现更精确地控制机器人行走且有效防碰的功能。程序中的数据（离墙距离，左、右电机速度v/（cm·s-1））是由实验调试而定。

灭火算法主要用于完成趋光、灭火任务。其中趋光控制决定火源定位的准确性，灭火的可靠性，因此该控制是灭火算法的重点。以机器人正面灭火为例，趋光的主要思想是通过读取远红外火焰传感器组的7个端口信息，确定最大值（光最强）端口，依此调整机器人的方向，直至正面对光。因此该算法能够实现快速准确趋光，效果良好。

3实验结果

经理论分析和实验验证，确定软件程序策略中机器人到任意一个房间灭火的最优行走路径如表1所示。

图5主程序流程

图6沿右墙走子程序

李小燕，等智能灭火机器人的设计与实现

－53－

选取机器人沿墙走的直行速度为最佳调试速度80cm/s （速度不宜过大，否则会出现偶尔碰壁现象，不稳定），按表1策略分别对4个房间进行3次灭火实验。灭火时间记录如表

2

所示。表中，折算值=实际值×房间系数。

可见，机器人遍历4个房间后，熄灭3号房间的火源，实际用时仅8s 左右，且其折算值也最低，达到国际先进水平，其余房间实际灭火时间均在7s 以内。采用表1优化策略，该系统机器人完成灭火的时间较采用一般算法的机器为减少，并且在整个灭火过程中，机器人运行良好，稳定可靠。

4结论

根据国际灭火比赛的规则，设计出一种基于ARM9嵌入

式系统的智能灭火机器人，其价格合理，功能强大，且具有以下创新：1）采用嵌入式ARM9处理器，大大增强了系统实时处理信息的能力；2）合理选择PSD 传感器的数量，科学布置

6个PSD 传感器的位置，实现了360°全方位导航和避障；3）

远红外火焰传感器组的设计，实现了火源的快速，准确定位，提高了灭火的快速性和可靠性；4）优化的避障、趋光算法以及最优灭火路径的选择，大大提高灭火成绩，实验实际灭火成绩在8.0s 左右，达到国际先进水平。参考文献:

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[2]田国会.家庭服务机器人研究前景广阔[J].国际学术动态，

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分析[C]//科学学理论与科学计量学探索—全国科学技术学暨科学学理论与学科建设2008年联合年会论文集，中

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现[J].浙江大学学报:工学版，2004，38（12）：1656-1653.

《电子设计工程》2010年第3期

Maxim Integrated Products 推出MAX97000/MAX97001/MAX97002系列单声道音频子系统。该系列器件集成了带限幅器的

高效率D 类单声道扬声器放大器、DirectDrive II H 类立体声耳机放大器以及噪声极低的模拟旁路开关。Maxim 的DirectDrive II 技术采用一个双模式内部电荷泵，在信号电平较低时输出±0.9V 电压，仅在需要较大输出功率时切换至±1.8V 电压输出。这种创新的架构大大降低了功耗，并避免了其它H 类架构中存在的信号不连续问题。MAX97000-MAX97002能够提供业内最佳的效率（87%，典型值）和音质，可理想用于蜂窝电话、便携式媒体播放器（PMP ）及其它需要高音质、大输出功率和高效率的设备。

除能够提升效率外，DirectDrive II 架构还能够在单电源供电时产生以地电位为参考的输出，省去了大体积隔直流电容。同时，扩展频谱调制和有源辐射抑制技术能够显著降低D 类放大器输出极的EMI ，无需采用外部LC 滤波器或屏蔽即可使设计满足EN 55022B 标准。集成的低噪声、模拟DPST 音频开关省去了采用外部开关的费用，可旁路D 类放大器，以降低功耗。

MAX97000-MAX97002具有较高的RF/TDMA 噪声抑制和业内最佳的咔嗒/噼噗声抑制性能，消除了上电和掉电期间的可

闻噪声，简化了设计过程。子系统还具有输入混音、音量控制以及灵活的用户可定义的输入架构，带有前置放大器增益设置。所有控制均通过I?C 接口完成。

MAX97000-MAX97002采用3.7V 电源供电时，能够以87%（典型值）的效率为8Ω负载提供大于710mW 的输出功率。MAX97000提供2.0mm ×2.0mm 、25焊球WLP 封装，焊球间距为0.4mm ；MAX97001/MAX97002提供2.0mm ×2.5mm 、20焊

球WLP 封装，焊球间距为0.5mm 。所有器件均工作在-40~+85°C 扩展级温度范围。

咨询编号：201003102

采用Maxim 专有的D 类和H 类放大器技术的音频子系统

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