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廣陵學院
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
教 科 部： 機電工程系
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
學 生 姓 名： 柳輝 學號： 100007122
畢業(yè)（論文）題目： 滅火機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制
起 迄 日 期： 2014.02.18～2014.06.10
設(shè)計（論文）地點：
指 導(dǎo) 老 師： 魏孝斌
專 業(yè) 負 責 人： 柳輝
發(fā)任務(wù)書日期： 2014 年 02 月 18 日
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達到的目的：
機器人技術(shù)是集機械、電子、測試、控制于一體的綜合性的技術(shù)。機器人目前已經(jīng)涉及到社會生活的方方面面，將機器人用于火災(zāi)的預(yù)防與撲滅工作，便是其具體應(yīng)用之一。本課題以“能力風暴”智能機器人為開發(fā)平臺，結(jié)合實際生活中火災(zāi)探測和撲滅的過程，對該機器人進行結(jié)構(gòu)和控制功能的改造，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自主發(fā)現(xiàn)火源，并能進行滅火動作的功能，具體內(nèi)容分為兩部分：1. 滅火機器人的結(jié)構(gòu)與機電系統(tǒng)改造設(shè)計；2. 滅火控制系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試。
課題的主要任務(wù)是根據(jù)具體要求，對機器人的外圍傳感器以及內(nèi)部控制程序進行設(shè)計，是機器人具有自動巡視、探測火源以及滅火的功能，從而實現(xiàn)滅火機器人所應(yīng)具有的基本功能。
2．畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：
了解機器人的基本結(jié)構(gòu)和控制原理。分析現(xiàn)有機器人控制系統(tǒng)的基本原理，掌握相關(guān)輸入輸出接口的使用方法以及主板功能的拓展。掌握相關(guān)傳感器的性能和使用方法。重新設(shè)置和配置相應(yīng)的傳感器。針對機器人滅火過程中所需達到的目的，通過對可能出現(xiàn)的各種情況進行深入的分析，從而設(shè)計出較為完善的滅火機器人的結(jié)構(gòu)框架和控制策略，并利用相關(guān)的工具進行裝配和調(diào)試。
3．對本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題成果的要求（包括畢業(yè)設(shè)計論文、圖表、實物樣品等）：
1. 分析“能力風暴”機器人的原始結(jié)構(gòu)，對其結(jié)構(gòu)進行改造設(shè)計，繪制改造后的滅火機器人裝配圖，以及重要構(gòu)件的零件圖。
2. 分析原有控制系統(tǒng)，并根據(jù)自己所設(shè)計的控制策略對其進行編程，使其能基本達到設(shè)定的功能要求，完成相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計圖紙；
3. 完成傳感器的安裝調(diào)試，以及控制程序的測試；
4. 編寫設(shè)計說明書和使用說明書各一份。
4．主要參考文獻：
1. 機械設(shè)計手冊，編寫組，機械工業(yè)出版社， 1991.09
2. 機械制造自動化技術(shù)，周驥平主編，機械工業(yè)出版社，2001.08
3. 機器人學，熊有倫等編著， 機械工業(yè)出版社， 1993.10
4. 測試技術(shù)，尤麗華主編， 機械工業(yè)出版社 2002.03
5. 傳感器及傳感技術(shù)應(yīng)用，丁鎮(zhèn)生編著，電子工業(yè)出版社，1998.08
6. 能力風暴智能機器人使用手冊
7. 能力風暴智能機器人開發(fā)系統(tǒng)VJC1.5使用手冊
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
5、本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進度計劃
起止日期
工 作 內(nèi) 容
2014.2.18~2014.3.22
2014.3.23~2014.3. 31
2014.4. 1~2014.4.20
2014.4.21~2014.5.10
2014.5. 11~2014.5.31
2014.6.1~2014.6.10
查閱相關(guān)資料，了解能力風暴智能機器人，智能滅火機械的結(jié)構(gòu)、工作原理，進行資料翻譯等工作。
制定控制策略方案及可行性分析，選擇相關(guān)的傳感器。
針對現(xiàn)有智能機器人的結(jié)構(gòu)，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制改造后的裝配圖，和重要零件的結(jié)構(gòu)圖。
確定控制策略的具體方案，并進行傳感器和接口電路的連接。
根據(jù)機器人控制策略編寫相應(yīng)的控制程序，并進行整機測試。
編寫設(shè)計計算說明書、使用說明書等，準備畢業(yè)設(shè)計答辯；
所在專業(yè)審核意見：
負責人：
年 月 日
學院意見：
院長：
年 月 日
滅火機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制
專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化
學 生： 柳 輝
指 導(dǎo) 教 師： 魏 孝 斌
完 成 日 期： 2014-5-30
揚州大學廣陵學院
揚州大學廣陵學院
本科生畢業(yè)設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計題目 滅火機器人結(jié)構(gòu)與控制
學 生 姓 名 柳 輝
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級 機械81001班
指 導(dǎo) 教 師 魏 孝 斌
完 成 日 期 2014 年 5 月 30 日
實習報告
光陰似箭，四年的大學生活即將結(jié)束，對于即將畢業(yè)的大學生，相較于三年的理論學習，畢業(yè)實習則是我們大學期間的最后一門實踐課程，在此期間，我們每個人都迫切希望能夠通過個人的親身實踐來檢驗一下自己四年來所學知識的實際應(yīng)用的針對性和相應(yīng)掌握的程度如何。
有一名話叫做：不經(jīng)過風雨，怎么見彩虹？我想改一下：不真正進入社會，怎能了解社會呢？
2014年3月5日至3月31日，我在金壇建明機械有限公司進行了為期20余天的實習學習，從此踏出了在我人生中關(guān)鍵的一步：從學校走向社會開始了賺錢謀生的日子。雖然只是實習階段但是也感覺意義非同一般，喜悅與擔心并存。在這里我學到了很多，也得到了各位經(jīng)理的很多幫助，與同事們也很好得相處了一個半月，這是我人生中的一段美好時光，也是我在人生歷程中踩下的一個堅實的腳步。
我在該公司雖然實習時間并不長，但是我卻學到了很多學校中根本接觸不到的東西。通過這次實習不僅讓我體會到了理論與實踐的差距和聯(lián)系，人際關(guān)系的協(xié)調(diào)，還讓我豐富了專業(yè)知識，結(jié)交了很多朋友。
最初幾天主要在生產(chǎn)管理課度過，該課除了負責生產(chǎn)計劃安排等外還負責對入庫出庫產(chǎn)品的品質(zhì)檢驗，這是生產(chǎn)加工的第一關(guān)，重要性毋庸置疑。在這幾天中我體會到了細心的重要性。首先，東西要輕拿輕放，各種測量儀器要規(guī)范的使用，在測量前要把材料表面的油漬擦掉，察看表面是否有裂紋等缺陷，然后才可以進行測量。
接下來在機械，鈑金，組立工段的學習更多的是和專業(yè)知識的結(jié)合了，其中我印象最深的就是數(shù)控機床了。數(shù)控機床分為臥式和立式兩種，只需將零件通過起吊機夾持到爪盤上，在操作面板上輸入好各項數(shù)據(jù)坐標，機器自己會按照內(nèi)置的程序按部就班的推進運行，完成一系列的加工操作。值得注意的是，數(shù)控機床是可外部編程的，然后輸入指令來達到想要的目的的。這必然要求操作人員有一定的編程能力，由此可見，計算機編程絕對是課程學習中不可忽視的存在。在所有機加工圖紙上，都有精度標注。分為三級：手加工和一般車床精度，較高的車床精度（數(shù)控車床），磨床精度。不同的床負責不同的工作，但有時候又是能一機多用的。比如鍵槽可由插床或者銑床加工，但是插床精度更高一點。更換了不同刀頭，銑床還能車平面等等。鈑金部分主要是焊接，而焊接保護氣體主要有兩種：二氧化碳和氬氣。組立部分我主要了解了涂裝的整個一個流程：除油（用堿性溶液），除銹（用酸性溶液），清水清洗，上磷化膜（使油漆附著力增強）。在涂裝的時候有幾個原則也必須遵守：內(nèi)表面不涂，裝配表面不涂，從下往上裝，從里往外裝。最后是持續(xù)45-60min的烘干，就完成了整個涂裝流程。
最后，我還了解到我們所學的pro_e、cad、soildworks等專業(yè)繪圖軟件在廠里應(yīng)用也很廣泛。
通過此次實習，主要有以下幾點的體會：
1.走出校門，踏進社會，不能把自己要求太高，不要眼高手低。
2.多聽、多看、多想、多做、少說。
3.少埋怨，虛心學。
4.與他人和睦相處，加強和同事以及他人之間的溝通。
經(jīng)過這次實習，我學到了很多課本上學不到的知識，在就業(yè)心態(tài)上我也有了很大的改變，以前我總是想找一份適合自己愛好的工作，可是現(xiàn)在我知道找工作很難，要專業(yè)對口更難，很多東西我們初到社會才接觸，所以我們現(xiàn)在不能再像以前那樣等待更好的機會來臨，要建立起自己的就業(yè)觀。應(yīng)盡快丟掉對學校的依賴心理， 學會在社會上獨立，敢于參加與社會的競爭，敢于承受社會壓力，使自己能夠在社會上快速成長。在就是保持一顆思考、學習的心。作為一位大學生，最重要的就是自己的學習思考能力。
總之，畢業(yè)實習使我獲得了人生第一筆寶貴的工作經(jīng)驗，雖然在步入社會后，還有很多東西要學習，很多教訓呀要吸收，但我想我已經(jīng)做好了足夠的準備，無論是心態(tài)上還是技能上?，F(xiàn)代社會的競爭是殘酷的，但是只要努力的付出，我的職業(yè)生涯就必定會開出希望的花朵，結(jié)出成功的果實。
揚州大學機械工程學院
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
學 生 姓 名： 柳輝 學號： 100007122
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
設(shè)計（論文）題目: 滅火機器人結(jié)構(gòu)與控制
指 導(dǎo) 老 師： 魏 孝 斌
2014 年 2 月 28 日
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2000字左右的文獻綜述：
文 獻 綜 述
一、課題的意義和目的
近幾十年中，大量的高層、地下建筑與大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊性，發(fā)生火災(zāi)時，不能快速高效的滅火。為了解決這一問題，盡快救助火災(zāi)中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，消防機器人研究被提到了議事日程。而機器人技術(shù)的發(fā)展也為這一要求的實現(xiàn)提供了技術(shù)上的保證，使得消防機器人應(yīng)運而生。
從二十世紀八十年代開始，世界許多國家都進行了消防機器人的研究。美國和蘇聯(lián)最早進行消防機器人的研究，而后日本、英國、法國等國家都紛紛開展了消防機器人的研究，目前已有多種不同類型的消防機器人用于各種火災(zāi)場合。
我國從八十年代末期開始消防機器人的研究，公安部上海消防研究所等單位在消防機器人的研究中取得了大量的成果，自行式消防炮已經(jīng)投入市場，履帶輪式消防滅火偵察機器人也于 2000 年 6 月通過了國家驗收。但是，我國消防機器人的研究還處在初級階段，還有許多有待研究的問題。比如，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，消防人員不可能在短時間內(nèi)到達高處的火災(zāi)發(fā)生地點，在地下建筑中，由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴散，消防人員不容易快速的判定火源位置；而在石化企業(yè)發(fā)生火災(zāi)時，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時極易中毒。研制能夠用于這些場合的偵察滅火機器人，協(xié)助消防人員進行火災(zāi)的定位和滅火，將有極大的社會意義。
基于人工智能的不斷發(fā)展，各項高新技術(shù)的不斷成熟，在可預(yù)見的將來，消防機器人在功能上會更具多樣特點，在較多危險區(qū)域可以完全代替消防員，避免消防員生命傷亡。同時也應(yīng)該看到，我國在研究消防機器人方面較國外同行已落后太多，存在技術(shù)差異和代溝，消防機器人的不斷研制、生產(chǎn)和裝備過程，應(yīng)堅持自主研制為主，引進為輔，提高我國消防部隊消防裝備現(xiàn)代化的水平并及時裝備消防部隊，提高消防部隊打贏大仗、惡仗、硬仗和特殊戰(zhàn)役的能力，提高消防部隊在處置大型復(fù)雜火災(zāi)和應(yīng)急救援的作戰(zhàn)效能 提高消防部隊的自我防護能力減少消防指戰(zhàn)員的人身傷亡，更好地保衛(wèi)我國經(jīng)濟發(fā)展。
二、滅火機器人的發(fā)展和趨勢
機器人技術(shù)作為20世紀人類最偉大的發(fā)明之一，自60年代初問世以來，經(jīng)歷40余年的發(fā)展己取得長足的進步。
消防機器人屬于特種機器人范疇，它作為特種消防設(shè)備可以替代消防隊員接近火災(zāi)現(xiàn)場實施有效的滅火救援作業(yè)，開展各項火場偵察任務(wù)，尤其是在危險性大或者消防隊員不易接近的場合，消防機器人的應(yīng)用將大大提高消防部門撲滅惡性火災(zāi)的能力，對減少國家財產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡具有重要的作用。
根據(jù)消防機器人的滅火要求，應(yīng)具有的基本功能包括以下幾個方面：行駛電機的控制、消防噴槍位置的控制、現(xiàn)場信息的采集、數(shù)據(jù)處理與通信等等。消防機器人往往需要在高溫、強熱輻射、濃煙、地形復(fù)雜、障礙物多、化學腐蝕、易燃易爆等惡劣環(huán)境中進行火場偵察、化學危險品探測、滅火、冷卻、洗消、破拆、救人、啟閉閥門、搬移物品、堵漏等作業(yè)。因此作為某種特定功能的消防機器人應(yīng)該具備以下某項或幾項行走和自衛(wèi)功能:爬坡、登梯及障礙物跨越功能,耐溫和抗熱輻射功能,防雨淋功能,防爆、隔爆功能,防化學腐蝕功能,防電磁干擾功能,遙控功能等。
1. 國外消防機器人發(fā)展歷史
目前，工業(yè)發(fā)達國家正在加快開發(fā)具有不同功能的實用型的第二代消防機器人和第三代低級智能化消防機器人，著手研究第三代高級智能機器人。一些工業(yè)發(fā)達國家把研究開發(fā)消防機器人列入國家技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，將它作為經(jīng)濟發(fā)展的一個重要保證手段。
日本投入應(yīng)用的消防機器人最多。一類機器人以內(nèi)燃機或電動機作為動力，配置驅(qū)動輪或履帶式行駛機構(gòu)，能爬坡、越障礙；裝有較大噴射流量的消防槍炮，能作俯仰和左右回轉(zhuǎn)；裝有氣體檢測儀器和電視監(jiān)視設(shè)備；通過電纜或無線控制，控制距離最大為100m。另一類機器人為偵察、搶險機器人，除裝有氣體檢測儀器和電視監(jiān)視器設(shè)備外，還裝有機械手，能通過遙控處理危險物品。
美國已研制出能依靠感覺信息控制的救災(zāi)智能化機器人，亞利桑諾州消防部門研制的消防機器人，裝有破拆工具和消防水槍，能一邊破拆，一邊噴射滅火。
2．國內(nèi)消防機器人發(fā)展
我國大約有30家左右的高等院校和研究院所在從事各類機器人的研究工作，自1971年以來，已在機器人的感覺識別，操作、移動技術(shù)，人機接口技術(shù),智能化技術(shù)等方面取得了可喜的成就。
近年來，我國消防機器人的研制工作得到了政府有關(guān)部門的支持。1995年上海市科學技術(shù)委員會批準公安部上海消防科學研究所著手研制我國第一臺消防機器人——自行式消防炮，目前該項目已通過驗收并順利進入產(chǎn)業(yè)化階段。
該消防機器人的研制成功標志著我國第一代（多功能）消防機器人正式誕生，填補了我國在消防機器人領(lǐng)域的空白，其技術(shù)水平達到了國際 80 年代中期的消防機器人水平。
我國研制和開發(fā)消防機器人提高了我國消防部隊消防裝備現(xiàn)代化的水平，提高了我國消防部隊在處置大型復(fù)雜火災(zāi)中的作戰(zhàn)效能，提高我國消防部隊的自我防護能力，減少消防指戰(zhàn)員的人身傷亡，但我國消防機器人在無線遙控領(lǐng)域與技術(shù)發(fā)達國家還存在一定差距。
當前消防機器人的發(fā)展有智能化和專業(yè)化趨勢，一方面消防機器人越來越“聰明”，不僅僅可以通過無線人工控制而且能夠根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場的情況，在無人操控的情況下可以做出各種反應(yīng)。另一方面消防機器人將更加專業(yè)化，由于火災(zāi)情況的多樣性和復(fù)雜性，想只用一種消防機器人解決所有問題是不可能的，消防機器人的應(yīng)用將出現(xiàn)多樣化和團隊化。比如在一幢大樓的火災(zāi)中，搜索火源和幸存者的偵察機器人，負責救援的機器人以及負責滅火的機器人可以協(xié)同工作。
參考文獻
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畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
2．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
一、課題的來源
機器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個科學技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，也同時，為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。 另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認識自然過程中，實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。 那么什么是機器人呢？人們一般的理解來看，機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置，或者叫自動化裝置，它仍然是個機器，它有三個特點，一個是有類人的功能，比如說作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動作，它還有一個特點是根據(jù)人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點，就是它可以編程，改變它的工作、動作、工作的對象，和工作的一些要求，它是人造的機器或機械電子裝置。但從完整的更為深遠的機器人定義來看，應(yīng)該更強調(diào)機器人智能，所以人們又提出來機器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學習、情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機器。那么這給機器人提出來更高層次的要求，展望 21 世紀，機器人將是一個與 20 世紀計算機的普及一樣，會深入地應(yīng)用到各個領(lǐng)域，在 21 世紀的前 20 年是機器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機器人發(fā)展的一個關(guān)鍵時期。
二、課題的主要設(shè)計內(nèi)容
了解機器人的基本結(jié)構(gòu)和控制原理。分析現(xiàn)有機器人控制系統(tǒng)的基本原理，掌握相關(guān)輸入輸出接口的使用方法以及主板功能的拓展。掌握相關(guān)傳感器的性能和使用方法。重新設(shè)置和配置相應(yīng)的傳感器。針對機器人滅火過程中所需達到的目的，通過對可能出現(xiàn)的各種情況進行深入的分析，從而設(shè)計出較為完善的滅火機器人的結(jié)構(gòu)框架和控制策略，并利用相關(guān)的工具進行裝配和調(diào)試。
三、課題的設(shè)計方案
(1) 查閱相關(guān)文獻，全面了解滅火機器人的工作原理與結(jié)構(gòu)；
(2) 查閱相關(guān)文獻,選擇合適的尋跡傳感器，火焰檢測模塊，以及避障模塊；
(3) 請教相關(guān)老師選擇好驅(qū)動電機；
(4) 現(xiàn)場參觀相關(guān)機械，借鑒學習機器人的設(shè)計；
(5) 請教工廠老師父學習了解滅火風扇的設(shè)計與選擇；
(6) 進行算法設(shè)計，利用C 語言編寫控制程序。
四、課題的設(shè)計手段、工作計劃及步驟
1、采用的軟件：軟件主要用Pro-e：對所設(shè)計的滅火機器人總體結(jié)構(gòu)進行實體造型
2、設(shè)計工作計劃及步驟
2014.2.18~2014.3.22：查閱相關(guān)資料，了解能力風暴智能機器人，智能滅火機械的結(jié)構(gòu)、工作原理，進行資料翻譯等工作。
2014.3.23~2014.3. 31：制定控制策略方案及可行性分析，選擇相關(guān)的傳感器。
2014.4. 1~2014.4.20：針對現(xiàn)有智能機器人的結(jié)構(gòu)，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，繪制改造后的裝配圖，和重要零件的結(jié)構(gòu)圖。
2014.4.21~2014.5.10：確定控制策略的具體方案，并進行傳感器和接口電路的連接。
2014.5. 11~2014.5.25：根據(jù)機器人控制策略編寫相應(yīng)的控制程序，并進行整機測試。
2014.5.26~2014.6.3: 編寫設(shè)計計算說明書、使用說明書等，準備畢業(yè)設(shè)計答辯；
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
指導(dǎo)教師意見：
1． 對“文獻綜述”的評語：
2． 對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計（論文）結(jié)果的預(yù)測：
指導(dǎo)老師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負責人：
年 月 日
8
機械工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）外文資料翻譯
教 科 部： 機械電子教科部
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
姓 名： 柳輝
學 號： 100007122
外 文 出 處：
（用外文寫）
附 件： 英文和翻譯
指導(dǎo)老師評語
簽名：
年 月 日
注：請將該封面與附件裝訂成冊。
28.第一章 電機和運動控制系統(tǒng)
圖1-24是
無刷直流電機
與霍爾設(shè)備(HED
)簡略的爆炸視圖。
此IC能夠感應(yīng)的極性轉(zhuǎn)子的磁場，然后發(fā)送適當?shù)男盘柕焦β示w管T1和T2上，以使電機的轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
運行原理如下：
1。當轉(zhuǎn)子不動時，HED檢測到轉(zhuǎn)子的北磁極，使它產(chǎn)生一個信號，觸發(fā)晶體管T2。這將導(dǎo)致電流流過，從而激勵繞組W2形成吸引電磁轉(zhuǎn)子的磁極—南極 。進而吸引了轉(zhuǎn)子的北極使得轉(zhuǎn)子繞逆時針（CCW）方向旋轉(zhuǎn)。
2。轉(zhuǎn)子的慣性使其轉(zhuǎn)過它的中間位置，HED檢測轉(zhuǎn)子的南磁極，從而切換到晶體管T1，使在繞組W1中流動的電流進而形成一個尋找北定子的磁極，該磁極吸引轉(zhuǎn)子的南極，使其繼續(xù)在CCW方向旋轉(zhuǎn)。晶體管以正確的順序進行，以確保在定子繞組W2和W1上的勵磁總是使得PM轉(zhuǎn)子磁產(chǎn)生所需的扭矩以保持轉(zhuǎn)子在不斷旋轉(zhuǎn)。該 繞組以圍繞著定子的方式通電。
此外在實際的無刷電機中，2或3 HEDS以90或120度間隔開。它們把信號發(fā)送到運動控制器，實際上觸發(fā)功率晶體管，驅(qū)動電樞繞組在指定的電機電流和電壓電平。
在分解圖圖1-24無刷電機說明了一個微型直流無刷電機的設(shè)計，其中包括霍爾效應(yīng)。該定子形成為銅線圈的無鐵芯套筒與聚合物樹脂和玻璃纖維粘結(jié)在一起，以形成一個剛性結(jié)構(gòu)，類似于杯型轉(zhuǎn)子。它被固定在鋼疊片內(nèi)的電動機殼體內(nèi)。
這種操作方法允許起動電流的范圍值和具體轉(zhuǎn)速（rpm/ V）取決于線徑和次數(shù)。各個終端電阻可以得到，從而允許用戶用一個特定的應(yīng)用程序來選擇最佳的電機。霍爾效應(yīng)傳感器和被磁化的小磁鐵盤被裝在馬達殼體內(nèi)的圓盤狀的分區(qū)。
無刷電機中的位置傳感器
這兩個磁傳感器和解析器可以檢測到轉(zhuǎn)子在無刷電機中的位置。在圖1-25的圖表中顯示了三個磁傳感器如何檢測到轉(zhuǎn)子在三相電整流無刷直流電動機的位置。在這個例子中，磁傳感器位于底鈴電機的里面。這廉價的版本足夠滿足簡單的控制的要求了。
圖1-26所示是另外一種設(shè)計，當需要更高的定位 的精度要求時，端蓋上的分解器用來檢測轉(zhuǎn)子位置。來自旋轉(zhuǎn)變壓器的高分辨率信號可以用來產(chǎn)生電動機控制器內(nèi)的正弦電機電流。通過三個電機繞組中的電流是獨立的，分別為120°相位位置。
圖1-25磁傳感器作為轉(zhuǎn)子位置指示器：1-固定無刷電機繞組 2-永久磁鐵電動機轉(zhuǎn)子3-三相電整流場 4-三磁傳感器 5-電子電路板
圖1-26解析器作為轉(zhuǎn)子位置指示器：1-靜止電機繞組 2-永磁電機的轉(zhuǎn)子 3-三相電整流場 4-三個磁傳感器 5-電子電路板
無刷電機的優(yōu)勢
無刷直流電機相對于有刷流電動機至少有四個不同的優(yōu)勢，這歸 于無刷電機用電子換向的方式替換機械式換向。
?沒有必要更換刷子或從馬達上刪除引起的電刷磨損的堅韌不拔的殘留物。
?無電刷引起電弧，無刷電機就不能在易燃或存在爆炸性氣體，灰塵或液體的環(huán)境中產(chǎn)生火和爆炸的可能。
?通過替換機械換向使電磁干擾（EMI）最小化，用電子換向不需要的無線電頻率源。
?用電子換向的無刷電機運行速度更快，更有效?？梢詫崿F(xiàn)高達50,000 RPM轉(zhuǎn)速的相當于約5000rpm旋轉(zhuǎn)刷式直流馬達的上限。
無刷直流電機的劣勢
無刷直流伺服電動機的至少四個缺點
?無刷永磁直流伺服電機不能簡單的通過扭轉(zhuǎn)電源的極性反轉(zhuǎn)。供給到所述勵磁線圈的電流的順序必須被扭轉(zhuǎn)。
?無刷直流伺服電機的成本比同等有刷直流伺服電機高。
?需要額外的系統(tǒng)布線給電子換向電路供電。
?運動控制器和驅(qū)動器電子需要操作一個無刷直流伺服電機，這個比常規(guī)直流伺服電動機是更復(fù)雜更昂貴
因此，一個無刷電動機的選擇通?；谔囟ǖ膽?yīng)用需求或危險的操作環(huán)境。
無刷旋轉(zhuǎn)伺服電機的特性
由于各種各樣的市售產(chǎn)品的電機，很難對直流特性旋轉(zhuǎn)伺服電機進行總結(jié)。
然而，他們通常提供0.62磅 - 英尺的連續(xù)轉(zhuǎn)矩額定值（0.84米）至5.0磅 - 英尺（6.8米），1.9磅 - 英尺的峰值扭矩額定值（2.6 納米）到14磅 - 英尺（19牛米），和0.73馬力的連續(xù)額定功率 （0.54千瓦），以2.76馬力（2.06千瓦）。最高速度可以從1400變化到7500轉(zhuǎn)，并且這些馬達的重量可以從5.0磅（2.3千克）到23磅（10公斤）。反饋通?？梢允怯山馕銎骰蚓幋a器獲得。
直線伺服電機
線性馬達基本上是一個放在一個平面上的回轉(zhuǎn)馬達，但是它運行原則一樣。一種永久磁鐵直流線性馬達類似于一個永久磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機，同時一個
交流異步鼠籠電機類似于感應(yīng)直線電機。旋轉(zhuǎn)電動機中產(chǎn)生扭矩的電磁力同樣可以在線性馬達產(chǎn)生相同的扭矩。線性馬達的控制方法一樣并且使用可編程的位置控制器作為旋轉(zhuǎn)電機。
圖1-27為一線性伺服電機的運行原則
在直線電機未發(fā)明出來之前，只有使用氣動或液壓缸，或用滾珠螺桿或皮帶和滑輪才能實現(xiàn)線性運動。滾珠螺桿或皮帶和皮帶輪。
線性馬達有兩個機械組件：線圈和磁鐵，如圖1-27 。繞組中的電流在磁通場中流動產(chǎn)生一個力。銅繞組傳導(dǎo)電流（ I），同時組件生成的磁通密度（B）。當電流和磁通密度互動，一個力（F）在如圖1-27所示的方向產(chǎn)生，其中F = I *B。
即使是很小的電機運行也會有效率，并且如果線圈圈數(shù)很多，磁鐵磁力很強可以產(chǎn)生很大一個力。除了繞組的相差120度電位，它們還必須不斷地切換或換向，以維持運動。
這里僅討論閉環(huán)伺服系統(tǒng)無刷直線電動機。這些電機中有兩種類型可在市場中購買到：鋼芯（也稱為鐵心）和環(huán)氧核心（也稱為 無鐵芯） 。這些線性伺服電機具有的特點和特性在不同的應(yīng)用擇優(yōu)選擇。
鋼芯電機的線圈繞在硅鋼上的目的是使用磁體組或其他方法產(chǎn)生的力最大化。圖1-28是一個鋼芯無刷直線電機。在這些電機的鋼機構(gòu)集中于用磁通產(chǎn)生非常高的力密度。磁體組件包括安裝 在鋼基片的上表面上的稀土磁鐵棒，它們被設(shè)置成具有交替 極性（即，N，S，N，S）。
柳輝 滅火機器人結(jié)構(gòu)與控制
摘要
面對諸多惡劣的工作環(huán)境(如滅火、救援等)，為了有效的避免人員傷亡，就需要采用智能小車去現(xiàn)場來完成相應(yīng)的任務(wù)。因此研究和開發(fā)智能小車引導(dǎo)控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。本系統(tǒng)采用68HC11單片機作為核心控制芯片，設(shè)計制作了一款通過紅外光電傳感器檢測路徑信息、紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火源的智能尋跡滅火小車。本系統(tǒng)由單片機控制模塊、尋跡傳感器模塊、驅(qū)動電機模塊、火源傳感器模塊、風扇模塊、電源模塊等組成。實際應(yīng)用表明，該小車可以在專門設(shè)計的場地上實現(xiàn)自主發(fā)現(xiàn)火源，自主識別路線，自主行進接近火源并滅火，最終完成滅火的任務(wù)。
關(guān)鍵詞：單片機 ，小車，引導(dǎo)控制 ，傳感器
IV
Abstract
Content: Confronted with so many bad working environment (such as fire fighting, rescue etc), in order to effectively avoid casualties, need to use intelligent go by car scene to complete relevant tasks. Therefore, the research and development of intelligent car guide control system has the extremely vital significance. This system uses 68HC11 as the core control chip, design and make a new electric sensor detection by infrared sensor information, infrared flame path of intelligent tracing test fire extinguishing car. The system is composed of single-chip microcomputer control module, tracing sensor module, drive motor module, ignition sensor module, fan module, power supply module. The practical application indicates that the car can be in a specially designed field on fire, to realize the independent found autonomous recognition route, independent sources and marching close to the fire extinguishing, finally complete task.
Keywords: Microcontroller , Car ,Control system, Sensors
目 錄
摘要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1課題來源與意義 1
1.2課題背景 1
1.3課題研究方法 2
第二章 能力風暴機器人的基本構(gòu)成 3
2.1外形構(gòu)造 3
2.2主板 4
2.3 68HC11的基本知識 4
2.4傳動結(jié)構(gòu)——齒輪箱 5
第三章 方案設(shè)計與論證 6
3.1總體設(shè)計方案 6
3.2小車的制作方案設(shè)計與論證 6
3.3驅(qū)動電機模塊的選定 7
3.4尋跡傳感器模塊的選定 7
3.5單片機控制模塊的選定 8
3.6火源傳感器模塊的選定 8
3.7滅火模塊的選定 9
3.8電源模塊的選定 9
3.9最終方案 9
第四章 滅火控制方案與策略 11
4.1 滅火場地 11
4.2行走方案分析與確定 11
4.3火焰定位 13
4.4傳感器的布置 14
第五章 滅火機器人滅火裝置及結(jié)構(gòu)設(shè)計 15
5.1滅火方案的確定 15
5.2水泵滅火裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計 16
5.3滅火機器人外形設(shè)計 19
第六章 控制程序設(shè)計 20
6.1智能滅火小車系統(tǒng)總體流程 20
6.2程序流程圖 21
6.3部分功能代碼 24
結(jié) 論 28
致 謝 29
參考文獻 30
柳輝 滅火機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制
第一章 緒論
1.1課題來源與意義
隨著時代的發(fā)展，機器人已經(jīng)不是一個陌生的名詞了，現(xiàn)在的電影大片中經(jīng)常性的出現(xiàn)機器人，它們存在于工廠，普通人的家里，科技研究所，馬路上等等，它們有智能的也有非智能的，有人型也有普通機械式的，其中對我們這代人來說印象最深刻的就要是風靡一時的好萊塢電影大片《變形金剛》，里面的機器人不但可以變身而且它們有自己的思想，是智能機器人但又高于智能機器人，它們近乎是一個個完整的獨立的“人”?，F(xiàn)實生活中，機器人的運用也非常廣泛，就馬航失聯(lián)一事來說，我國的“蛟龍”號探測機器人就發(fā)揮著人類無法替代的作用（人類無法承受深水下巨大的水壓）；再如我國的“嫦娥”號探月機器人更是凝聚全國人民的心血，象征了華夏民族偉大的智慧的結(jié)晶?？傊?，如今的時代方方面面有著的機器人的身影。
近幾十年中，大量的高層、地下建筑與大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊性，發(fā)生火災(zāi)時，不能快速高效的滅火。為了解決這一問題，盡快救助火災(zāi)中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，消防機器人研究被提到了議事日程。而機器人技術(shù)的發(fā)展也為這一要求的實現(xiàn)提供了技術(shù)上的保證，使得消防機器人應(yīng)運而生。
目前智能機器人比賽在高校進行的如火如荼，很多高校都有自己的機器人協(xié)會及研究中心。利用各類機器人平臺還可以完成本科生、研究生的畢業(yè)課題研究。我的畢業(yè)課題就來自于“能力風暴”智能機器人比賽。本課題所選取的智能機器人平臺就是廣茂達公司推出的“能力風暴”智能機器人，本課題完成的就是滅火機器人結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的研究。
1.2課題背景
從二十世紀八十年代開始，世界許多國家都進行了消防機器人的研究。美國和蘇聯(lián)最早進行消防機器人的研究，而后日本、英國、法國等國家都紛紛開展了消防機器人的研究，目前已有多種不同類型的消防機器人用于各種火災(zāi)場合。
我國從八十年代末期開始消防機器人的研究，公安部上海消防研究所等單位在消防機器人的研究中取得了大量的成果，自行式消防炮已經(jīng)投入市場，履帶輪式消防滅火偵察機器人也于 2000 年 6 月通過了國家驗收。但是，我國消防機器人的研究還處在初級階段，還有許多有待研究的問題。比如，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，消防人員不可能在短時間內(nèi)到達高處的火災(zāi)發(fā)生地點，在地下建筑中，由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴散，消防人員不容易快速的判定火源位置；而在石化企業(yè)發(fā)生火災(zāi)時，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時極易中毒。研制能夠用于這些場合的偵察滅火機器人，協(xié)助消防人員進行火災(zāi)的定位和滅火，將有極大的社會意義。
基于人工智能的不斷發(fā)展，各項高新技術(shù)的不斷成熟，在可預(yù)見的將來，消防機器人在功能上會更具多樣特點，在較多危險區(qū)域可以完全代替消防員，避免消防員生命傷亡。同時也應(yīng)該看到，我國在研究消防機器人方面較國外同行已落后太多，存在技術(shù)差異和代溝，消防機器人的不斷研制、生產(chǎn)和裝備過程，應(yīng)堅持自主研制為主，引進為輔，提高我國消防部隊消防裝備現(xiàn)代化的水平并及時裝備消防部隊，提高消防部隊打贏大仗、惡仗、硬仗和特殊戰(zhàn)役的能力，提高消防部隊在處置大型復(fù)雜火災(zāi)和應(yīng)急救援的作戰(zhàn)效能，提高消防部隊的自我防護能力減少消防指戰(zhàn)員的人身傷亡，更好地保衛(wèi)我國經(jīng)濟發(fā)展。
1.3課題研究方法
為了更好的完成設(shè)計任務(wù)，基于“能力風暴”機器人的開發(fā)平臺，首先研究“能力風暴”機器人樣機，了解機器人的結(jié)構(gòu)、常用傳感器以及它的軟件開發(fā)平臺，圍繞控制機器人迅速穩(wěn)定的完成滅火任務(wù)，測試傳感器的基本參數(shù)，合理的布置傳感器，編制程序，并調(diào)試最終能夠控制機器人快速、穩(wěn)定地完成滅火任務(wù)。
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第二章 能力風暴機器人的基本構(gòu)成
2.1外形構(gòu)造
能力風暴機器人的基本構(gòu)造如圖2-1及圖2-2：
圖2-1 能力風暴機器人側(cè)視圖
圖2-2 能力風暴機器人俯視圖
2.2主板
主板布局圖如下：
圖2－3 ASU主板布局圖
2.3 68HC11的基本知識
為了實現(xiàn)對機器人的控制，首先我們要對機器人的控制器有所了解，Motorala生產(chǎn)的68HC11，使我們以極少的周邊芯片獲得了齊全的功能，8個模擬口，5個輸入捕捉，3個PWM輸出，16位地址，8位數(shù)據(jù)總線，串口，以及4個通用I/O。
68HC11的CPU有兩個8位累加器，兩個16位變址寄存器、一個8位條件寄存器，一個16位堆棧指針和程序計數(shù)器；M6800/M6801指令系統(tǒng)，共300多條指令；16位加、減、乘、除指令。68HC11的16位高性能定時器系統(tǒng)，8M晶振，定時器頻率為2MHZ（周期0.5μs），3個輸入捕捉，可測量脈沖數(shù)量，脈沖周期、寬度和相位等；5個輸出比較，可輸出PWM信號，可以完成各種定時控制功能，有定時器溢出中斷功能。高性能定時器是68HC11的特色，機器人中用輸入捕捉計碼盤信號，用輸出比較功能控制直流電機。68HC11的A/D轉(zhuǎn)換器具有8個輸入通道和四個轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器，能夠一次完成四路A/D轉(zhuǎn)換或連續(xù)對同一路采樣轉(zhuǎn)換4次的功能。后一種功能可以方便實施去掉最大、最小，取均位的濾波方法。機器人的碰撞傳感器、聲音均使用A/D轉(zhuǎn)換器，非常方便。
2.4傳動結(jié)構(gòu) ——齒輪箱
在機器人用到的齒輪箱如圖2-4所示，在“能力風暴”機器人上使用的是兩個直流電機，要將直流電機固定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化成我們所需要的適當?shù)乃俣染托枰粋€降速傳動機構(gòu)，圖中的齒輪箱實現(xiàn)了這一功能。對于齒輪傳動，傳動比可以用兩個齒輪的齒數(shù)來定義：
Z為主動齒輪的齒數(shù)；Z為從動齒輪的齒數(shù)
輸出的速度可以表達為：
圖2-4 齒輪箱展開圖
第三章 方案設(shè)計與論證
3.1 總體設(shè)計方案
總體方案為：整個電路分為驅(qū)動電機模塊、紅外尋跡傳感器模塊、單片機控制模塊、火源傳感器模塊、水泵模塊、電源模塊六個模塊。
首先利用紅外對路面信號進行探測，利用火源傳感器檢測火源信號，兩種信號經(jīng)過處理之后，送給單片機控制模塊進行實時運算，輸出相應(yīng)的信號給驅(qū)動電機模塊驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，從而控制整個小車的運動。系統(tǒng)方案框圖如圖3-2所示。
圖3-2 系統(tǒng)設(shè)計方案框圖
3.2 小車制作方案設(shè)計與論證
方案1：自己制作電動車 自己制作車體，組裝合適的電機及電機驅(qū)動板，自制探測器，并利用開發(fā)板做控制驅(qū)動小車。但自己制作的小車，車體會比較粗糙，車身重量、平衡，小車的電路設(shè)計，這些都比較難實現(xiàn)。
方案2：購買專用電動車 購買專用電動車具有組裝完整的車架車輪，甚至有完整的電機裝配和電機驅(qū)動板。用自制探測器或購買完整探測模塊，并用開發(fā)板控制小車運動。這種專用電動車裝配緊湊，各種所需電路的安裝十分方便，看起來也比較美觀。而且，用專用電動車具有完整的電機裝配和電機驅(qū)動，這用就省去了對電機傳動和電機驅(qū)動的設(shè)計和實現(xiàn)。
綜合考慮，本課題選定了方案2作為初步方案。
3.3 驅(qū)動電機模塊的選定
方案1：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機 利用步進電機的準確定長步進性能，方便的實現(xiàn)調(diào)速和方向的偏轉(zhuǎn)，且能準確的測量速度、路程以及時間，簡化編程和硬件連接的工作量。但步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度的系統(tǒng)。
方案2：采用直流電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機 直流電機的控制方法比較簡單，只需給電機的兩根控制線加上適當?shù)碾妷杭纯墒闺姍C轉(zhuǎn)動起來，電壓越高則電機轉(zhuǎn)速越高。而且改變正負極可方便的改變電機轉(zhuǎn)動的方向，方便改變小車的行進狀態(tài)。對于直流電機的速度調(diào)高，可以采用改變電壓的方法，也可采用PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速就是使加在直流電機兩端的電壓為方波形式，通過改變方波的占空比實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。
與其它調(diào)速系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：
1. PWM從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
2. 對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點
3．由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。
4．主電路簡單，所用功率元件少。
5．低速性能好，穩(wěn)定精度高，調(diào)速范圍寬。
綜合考慮，本設(shè)計采用了方案2。
3.4 尋跡傳感器模塊的選定
方案1：采用發(fā)光二極管+光敏電阻，該方案缺點明顯：易受外界光源的干擾，主要是因為可見光的反射效果跟地表的平坦程度，地表材料的反射情況對檢測效果產(chǎn)生直接影響。而且外界的可見光對設(shè)備的影響很大，而且不容易克服外界可見光的干擾。
方案2：采用紅外光電對管，由于只需分辨黑白，紅外光電對管有一個管發(fā)射紅外線一個用于接收紅外線，當紅外線照射到黑線上時不會發(fā)射回來，當紅外線照射到白色的地方就會返回，光電對管發(fā)射的同時也能接收紅外信號，整個檢測設(shè)備簡單，穩(wěn)定性高，速度快。缺點是檢測距離短，優(yōu)點是成本低，易于操作。
根據(jù)以上分析本課題采用方案2。
3.5 單片機控制模塊的選定
考慮到整個系統(tǒng)的簡單、方便性，本課題采用能力風暴機器人中68HC11芯片做控制模塊，該芯片有足夠的存儲空間，可以方便的在線ISP下載程序，能夠滿足該系統(tǒng)軟件的需要，該芯片提供了兩個計數(shù)器中斷，對于本作品系統(tǒng)已經(jīng)足夠，采用該芯片可以比較靈活的選擇各個模塊控制芯片，能夠準確的計算出時間，有很好的實時性。而且68HC11有很強的擴展性，使用簡單，靈活性高且價廉。所有本課題直接采用68HC11作為主控芯片。
3.6 火源傳感器模塊的選定
方案1：采用兩個熱敏電阻作為核心的傳感器，實驗中發(fā)現(xiàn)在一定距離范圍內(nèi)，空氣溫度場變化非常小，熱敏電阻幾乎不發(fā)生任何變化。
方案2：采用兩個光敏電阻作為核心的傳感器，利用光敏電阻對不同距離及不同強度的光照均有較好的光敏特性來將外界光信號轉(zhuǎn)換成電信號，提供給單片機進行相關(guān)判斷操作。實驗中我們發(fā)現(xiàn)這種方案有很大的缺點，抗干擾能力極差，而且誤差偏大，不能準確測定火源位置。
方案3：采用紅外接收二極管，紅外接收二極管將外界紅外光的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過 A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號反映為 0~255 范圍內(nèi)的數(shù)字信號。外界紅外光越強，數(shù)值越小，根據(jù)數(shù)值的變化能判斷紅外光線的強弱,從而能大致判別出火源的遠近。紅外火焰?zhèn)鞲衅骺梢杂脕硖綔y火源或其它一些波長在760納米～1100納米范圍內(nèi)的熱源，探測角度達60度，其中紅外光波長在940納米附近時，其靈敏度達到最大。實驗中發(fā)現(xiàn)如果環(huán)境中紅外干擾比較少的時候本方案能比較準確的檢測到火源。
鑒于以上3種方案的比較，本課題選擇方案3。
3.7 滅火模塊的選定
滅火方法是多種多樣的，可采用二氧化碳、水、風扇和蓋板等，結(jié)合具體因素，本課題選用了水進行滅火，具體詳見第五章。
3.8 電源模塊的選定
在本系統(tǒng)中，需要用到的電源有單片機的5V和電機的電源7-25V。所以需要對電源的提供必須正確和穩(wěn)定可靠。
方案1：采用UT-3W提供的電源方案為電機供電，采用UT-3W提供的電源接口為單片機提供電源。優(yōu)點：簡單方便。
方案2：用7.2V鋰電池為整個系統(tǒng)供電，再轉(zhuǎn)換為電機和單片機需要的電壓。
基于系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮，本課題選擇了方案2。
3.9 最終方案
經(jīng)過仔細考慮，本課題最終確定了如下方案：
1．車體是購買專用電動車。
2．采用68HC11單片機作為控制核心。
3．采用7.2V鋰電池供電。
4．用紅外探測傳感器作為尋跡傳感器。
5．采用紅外接收管制作紅外火源傳感器。
6．采用水泵滅火模塊。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-3所示。
圖3-3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
第四章 滅火控制方案與策略
4.1 滅火場地
滅火場地是標準場地，房間的平面結(jié)構(gòu)（圖4-1）是事先已知的，而目標是盡快找到并熄滅蠟燭。如果事先知道蠟燭布置的房間，就可以直接走最短的路線，再啟動裝置進行滅火。但事實上，在滅火之前，我們并不知道蠟燭是布置在哪個房間，因此，機器人需要逐個房間搜索來發(fā)現(xiàn)火源，進而滅火。圖中的尺寸是近似的，實際場地尺寸與之相差在2cm之內(nèi)。
圖4-1 滅火場地平面結(jié)構(gòu)圖（H為機器人起始位置）
4.2行走方案分析與確定
對于機器人的行走，我們可以采用多種方案。
方案一：推測航行法，也就是說，如果開始時導(dǎo)向正確可以通過將移動的距離和轉(zhuǎn)過的角度加到原來的位置上來獲得新的位置和方向。這種方法的關(guān)鍵就是事先要知道比賽場地中不同房間的距離。這就需要把機器人在比賽中所要走的路線全部計算出來，并需要確保它走的方向、距離以及轉(zhuǎn)過的角度都必須與預(yù)計路線一致。對于事先知道蠟燭布置房間的情況我們可以預(yù)先編制到每個房間的具體路線程序，如圖4-2所示為進入第一個房間的路線：
圖4-2 第一個房間的行走路線
這種方案是將要走的路線的距離、轉(zhuǎn)角順序編制成程序，它不能夠彌補行走過程中由于意外情況產(chǎn)生的誤差。因此，這種方法雖說理論上是一種合理的方法，但實施過程中會有很多的意外情況發(fā)生，故它并不是一種實用的方案。
方案二：沿墻壁平移的非推測航行算法，算法基本原理：利用反饋原理，毎隔一段時間對前進中的機器人與右邊墻壁的距離進行測量（測量方向不變），如果發(fā)生偏差，就進行調(diào)節(jié)。同時對前進中的機器人與前方墻壁的距離進行測量，如果小于一定值，就左轉(zhuǎn)90°轉(zhuǎn)彎前進。
這種方案中需要檢測前進中的機器人與右邊及前邊墻壁的距離，再進行比較。在能力風暴機器人的一系列擴展卡中，也有AS2紅外測距卡，但在調(diào)試過程中測距效果不佳。
方案三：左手或右手規(guī)則行走?！澳芰︼L暴”機器人配有比較完善的傳感器，利用現(xiàn)有的傳感器，紅外傳感器可以檢測障礙，只要檢測出左邊（右邊）沒有障礙物就左轉(zhuǎn)（右轉(zhuǎn)）即可。
綜上所述，因為方案一不夠?qū)嵱?，方案二中紅外測距卡的測距效果不佳，所以滅火機器人的行走采用左手規(guī)則行走，利用紅外傳感器檢測障礙，在行進中同時檢測是否有火源，如果發(fā)現(xiàn)火源，則調(diào)用靠近火源及滅火程序。如果沒有發(fā)現(xiàn)火源則繼續(xù)行走。若發(fā)生碰撞，就躲避碰撞。但是分析它的行走路線就會發(fā)現(xiàn)第四個小房間是無法進入察看的，可以在編程的時候定義一個變量，使它的初始值為0，每走一個房間，變量值加1，如果機器人在滅火過程中，變量值變成3的話，就改用右手定則，進入第四個房間，探測火源，進行滅火。
4.3火源定位
在紅外避障以及躲避碰撞完成之后，機器人在比賽中的行走問題基本解決。其實，機器人的行走也是為了尋找火源，要發(fā)現(xiàn)火源，就需要能夠檢測火源的傳感器。
遠紅外火焰探頭可以用來探測火源或其它一些波長在700nm～1000nm范圍內(nèi)的熱源，探測角度為60°。遠紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過A/D轉(zhuǎn)換器反映為0～255范圍內(nèi)數(shù)值的變化。外界紅外光越強，數(shù)值越小；紅外光越弱，數(shù)值越大。
由于遠紅外火焰探頭有60°的探測角度，距離比較遠時就能及時發(fā)現(xiàn)火源，但在接近火源的過程中，需要不停的確定火源的位置，本課題采用兩個遠紅外火焰探頭并聯(lián)，以此來擴大機器人探測角（圖4-3），滿足火焰定位的要求。通過布置在機器人前部左、右兩邊兩對不同位置的火焰探頭返回數(shù)值的大小關(guān)系，對檢測到的火源值進行比較，調(diào)整機器人的走向，矯正接近火焰的角度及距離。
圖4-3 遠紅外探頭探測角
在每個房間的門口都會有一條8cm寬的白線，這條白線表示房間的入口。利用這條白線，可以提高尋找火源的效率。當檢測到門口白線的時候，機器人立即停下來對房間進行掃描，掃描時機器人原地旋轉(zhuǎn)一個角度，檢測房間內(nèi)有沒有火光。如果有，就進去。如果沒有，退出來繼續(xù)尋找。一般來說，火焰探頭可視范圍是80cm，在房間入口發(fā)現(xiàn)火光是沒問題的。
4.4傳感器的布置
機器人的傳感器布置具體如下：
能力風暴機器人原有的紅外傳感器、碰撞傳感器不變，把中間的紅外接收傳感器改裝到稍微偏左，再在右邊對稱的地方加一個紅外接收傳感器，這樣左邊的紅外發(fā)射和接收傳感器用來進行左手規(guī)則，右邊的紅外發(fā)射和接收傳感器用來進行右手規(guī)則。
在機器人前端鋁架上布置四個遠紅外火焰探頭，兩邊各兩個，采用并聯(lián)方式，在機器人的底盤下面布置一個紅外傳感器，探測每個房間入口處地面上的白線以及火源前面的白線。
第五章 滅火裝置及結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.1滅火方案的確定
滅火方案是多種多樣的，二氧化碳、水、風扇、蓋板等。
方案一：采用風扇滅火
采用風扇滅火需要一個直流電機和一個風扇，用直流電機帶動風扇，可以在機器人的前端安裝一個支架，在這個支架兩邊可以安裝遠紅外探頭，用來探測火源，在支架的中間安裝水泵，水泵由電機帶動，電機的選擇功率要適中，只要能夠用就可以了，可以選擇一個額定電壓和控制系統(tǒng)輸出的DC7.8V電壓差不多的電機，這樣就可以省去一些麻煩，額定電壓小的話，要進行變壓；大的話還要對電機提供額外的電源。當機器人到達滅火地點的時候主板給出一個信號，接通電路，電機起動，開始滅火。這種滅火方案比較簡單，但僅用于滅火比賽中，在實際生活中，這種方案不符合實際。
方案二：采用二氧化碳滅火器進行滅火
滅火原理：二氧化碳滅火劑是一種具有一百多年歷史的滅火劑，價格低廉，獲取、制備容易，其主要依靠窒息作用和部分冷卻作用滅火。二氧化碳具有較高的密度，約為空氣的1.5倍。在常壓下，液態(tài)的二氧化碳會立即汽化，一般1kg的液態(tài)二氧化碳可產(chǎn)生約0.5立方米的氣體。因而，滅火時，二氧化碳氣體可以排除空氣而包圍在燃燒物體的表面或分布于較密閉的空間中，降低可燃物周圍或防護空間內(nèi)的氧氣濃度，產(chǎn)生窒息作用而滅火。另外，二氧化碳從儲存容器中噴出時，會由液體迅速汽化成氣體，而從周圍吸引部分熱量，起到冷卻的作用。
采用二氧化碳進行滅火需要一個儲氣罐，當滅火機器人到達滅火地點時，要打開儲氣罐，可以在儲氣罐的罐口安裝一個DC12V二位二通電磁閥，當機器人到達火源時電磁閥通電，打開電磁閥，儲氣罐罐口打開，二氧化碳從儲氣罐里噴出，進行滅火。二氧化碳滅火器的氣壓回路圖如圖5-1。
電磁閥要求采用DC12V驅(qū)動，而能力風暴機器人上的電池電壓為DC7.8V，需外加一個電源，對其進行供電?？刂葡到y(tǒng)輸出的是DC7.8V，而電磁閥工作電壓是DC12V的電壓，為此需要設(shè)計一個簡單的開關(guān)電路，實現(xiàn)高低電壓控制。當信號給出時，電磁閥電路接通，二氧化碳從儲氣罐里噴出，進行滅火。當信號給出時，可以關(guān)閉電磁閥電路，電磁閥關(guān)閉，從而可以實現(xiàn)DC12V的驅(qū)動。
圖 5-1氣壓回路圖
總結(jié)：考慮到滅火機器人的實用性，首選二氧化碳進行滅火或水滅火。本課題對滅火方案進行了探討，考慮到使用二氧化碳進行滅火，但是由于密封設(shè)計比較困難，被否定了；最后決定使用水滅火，選用水滅火時，可以設(shè)計一個機構(gòu)，到達滅火白線時，直接把水潑到蠟燭上，考慮到機構(gòu)設(shè)計比較復(fù)雜，本課題最終決定使用水泵進行滅火。
5.2水泵滅火裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計
1、水箱 水箱里貯存著水，水箱與水泵用水管連接。在底盤上布置一個鋁架，用來安裝水箱。水箱上面還要安放一個蓋子，防止機器人在滅火過程發(fā)生碰撞，水箱中的水濺出。
圖5-2水箱和水箱蓋
2、水泵 選用水泵時，選取了微型水泵，水泵是為了給水加壓，使水以一定的速度噴出，這樣就能使噴出的水能夠達到一定的距離，因而機器人就不需要非?？拷鹪磥磉M行滅火，在實際應(yīng)用中，符合人性化，降低了危險。
3、噴水槍 噴水槍由槍體、槍套、槍帽、墊片和墊圈組成。槍帽和槍體之間采用螺紋連接，槍帽和槍體外面加了滾花，方便拆裝，槍體的頭部有墊圈，墊圈采用橡膠制成，保證噴水槍的密封性能，槍帽和槍頭之間還加了一個墊片，墊片也是橡膠的，墊片上開個小孔，堵在槍帽的出水口，既能夠加強噴水的壓力，又能夠保證密封性。水槍實體如圖5-3。
圖5-3 水槍
4、繼電器 在滅火過程中，水泵的啟動由繼電器來控制，當機器人到達滅火白線的時候，主板給繼電器一個信號，接通控制電路，水泵啟動。
5、電池 控制系統(tǒng)輸出的是DC7.8V的電壓，而水泵的工作電壓是DC12V電壓，因此在底盤上安裝了一個DC12V的充電電池。
6、控制電路 控制系統(tǒng)輸出信號為DC7.8V電壓，而水泵工作需DC12V電壓，為此需要設(shè)計一個簡單的開關(guān)電路，實現(xiàn)高低電壓控制，如圖5-4，繼電器由控制系統(tǒng)供電，水泵和繼電器兩端的電容起穩(wěn)壓作用。
圖5-4 控制電路
7、水管 水管主要是用于連接水箱和水泵的，還有水泵與噴水槍之間的連接，要求連接處一定要密封好。
8、鋁架 鋁架（圖5-5）兩邊分別安裝兩個遠紅外探頭（圖5-6），采用并聯(lián)，擴大機器人探測火焰的探測角，中間開一個小孔，用來安裝水槍，最下面一層安放水泵。
圖5-5 噴水支架 圖5-6 遠紅外探頭
滅火裝置布置圖如下：
圖5-7 滅火裝置布置圖
5.3滅火機器人外形設(shè)計
能力風暴原機器人外形為宇宙飛船形，外部包括碰撞環(huán)、底盤、上蓋、液晶顯示器、傳感器和主板等（圖5-8）。
圖5-8 能力風暴機器人原型
在了解能力風暴機器人原型的基礎(chǔ)上，我對之有如下改進。在滅火裝置中，加裝了水箱、水管、水泵、噴水槍等零件，再加上鋁架和一些能力風暴機器人的原始
零件構(gòu)成了滅火機器人的總裝圖，如圖5-9所示：
圖5-9 滅火機器人總裝圖
第六章 控制程序設(shè)計
在進行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時，本課題根據(jù)單片機的具體情況使用Keil C51軟件，采用主流設(shè)計語言C語言對單片機進行編程實現(xiàn)各項功能。C語言功能豐富，表達能力強，目標程序效率高，可移植性好，既具有高級語言的優(yōu)點，又具有低級語言的許多特點，應(yīng)用十分廣泛。
6.1 智能滅火小車系統(tǒng)總體流程
此部分是小車運行的核心部分，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用，具有導(dǎo)向和決策的功能。程序控制流程圖如圖6-1所示。
圖6-1 控制流程圖
系統(tǒng)總體流程是：小車進入驅(qū)動后，即先判斷是否有火源存在，一旦檢測到有火源，則從出發(fā)點沿著黑白線前進接近火源。程序不停的判斷火源位置和行進的線路，把相應(yīng)的信號發(fā)送給電動機從而糾正小車的狀態(tài)，使小車按照規(guī)定的線路尋找到火源，并將火滅掉。
6.2 程序流程圖
1. 小車滅火的主程序軟件流程圖
如圖6-2所示，首先開始后對小車進行初始化，在這個階段讓小車檢測火源，確定自己的位置，同時尋找線路。接著單片機判斷是否有火源，如果有火源存在，啟動小車尋跡模塊程序，讓小車前進，當小車找到火源時，停止前進，這時開啟滅火水泵，進行滅火的操作，這時再判斷是否將火滅掉，如果火已經(jīng)熄滅，則小車繼續(xù)尋找下一個火源，如果沒有熄滅則水泵繼續(xù)開啟。主程序流程圖如圖6-2所示。
圖6-2 程序流程圖
2. 小車尋跡模塊、火源模塊程序軟件流程圖
尋跡模塊程序首先采集尋跡傳感器傳回的信號，判斷當前小車所在的位置，如果小車正好在線上，則小車繼續(xù)前進；如果小車左側(cè)壓線，說明小車偏左，則小車右拐前進；如果小車右側(cè)壓線，說明小車偏右，則小車左拐前進；如果小車沒有檢測到黑線，說明前面沒有路，則小車后轉(zhuǎn)180度，返回；如果小車三個傳感器都檢測到黑線，說明小車走到十字路口，則再判斷火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘枴?
如果火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘栵@示火焰在小車的前方，則小車繼續(xù)前進；如果檢測到火焰在小車的左方，則小車左轉(zhuǎn)90度，沿黑白線繼續(xù)前進；如果小車檢測到火焰在小車的右方，則小車右轉(zhuǎn)90度，沿黑白線繼續(xù)前進；如果小車檢測到火焰在小車的后方，則小車后轉(zhuǎn)180度，沿黑白線繼續(xù)前進。
尋跡模塊程序流程圖如圖6-3所示，火焰?zhèn)鞲衅髂K程序流程圖如圖6-4所示。
圖6-3 尋跡模塊 圖6-4 判斷火源位置模塊
3.逼近火源程序軟件流程圖
當遠紅外探頭探測到火源時，這時機器人啟動逼近火源程序，逼近火源，當機器人當比較靠近火源時，降低行走速度。當左遠紅外探頭返回值大于右遠紅外探頭返回值時，這時機器人向右轉(zhuǎn)，因為火源靠近機器人的右邊，當?shù)竭_滅火控制白線時，機器人停止準備滅火程序。逼近火源（同時探測是否到達滅火控制白線）流程圖如下：
圖6-4 逼近火源流程圖
4.逼近火源并啟動水泵滅火軟件流程圖
這個子程序，調(diào)用到上面的逼近火源程序，當機器人發(fā)現(xiàn)火源，啟動逼近火源程序，逼近過程中探測到白線，則停止前進，開始滅火，為保證滅火可靠，噴水的同時對準火焰擺動噴頭，當左右遠紅外探頭返回值一樣時，說明火已經(jīng)被撲滅，當兩個不一樣時，說明火未被撲滅。若左遠紅外探頭返回值大于右遠紅外探頭返回值，機器人右轉(zhuǎn)一下，繼續(xù)滅火，反之左轉(zhuǎn)，火撲滅后，轉(zhuǎn)到回家程序。流程圖如下：
圖6-5 逼近火源并滅火流程圖
6.3 部分功能代碼
1．小車轉(zhuǎn)向代碼
void run() //電機啟動
{
P1=0x11;
}
void left() //左轉(zhuǎn)
{
P1=0x13;
}
void right() //右轉(zhuǎn)
{
P1=0x31;
}
void big_right() //右大轉(zhuǎn)
{
P1=0x21;
}
void big_left() //左大轉(zhuǎn)
{
P1=0x12;
}
void stop() //停止
{
P1=0x33;
}
void back() //后退
{
P1=0x22;
}
2．小車尋跡代碼
void track()
{
unsigned char Num;
timer_init();
PWM_ON = 4; //高電平時間檔,共10個檔位
while(1)
{
Num = P2;
Num = Num & 0x07;
P0 = Num | 0xf8; //指示燈
switch(Num)
{
case 0x02: //前進
{
run();
STATE_LAST = Num;
}
case 0x04: //左轉(zhuǎn)
{
left();
STATE_LAST = Num;
}
case 0x06: //左大轉(zhuǎn)
{
big_left();
STATE_LAST = Num;
}
case 0x01: //右轉(zhuǎn)
{
right();
STATE_LAST = Num;
}
case 0x03: //右大轉(zhuǎn)
{
big_right();
STATE_LAST = Num;
}
case 0x07: //停止
{
stop();
}
case 0x00: //檢測不到黑線時查看上一個狀態(tài)，并做出判斷
{
if(STATE_LAST == 0x04 || STATE_LAST == 0x06) //左輪后退
{
P1 = 0x02;
}
else if(STATE_LAST == 0x01 || STATE_LAST == 0x03) //右輪后退
{
P1 = 0x20;
}
else if(STATE_LAST == 0x00)
{
left(); //左轉(zhuǎn)尋線
}
else
{
stop();
}
}
default:
{
left();
}
}
}
}
3．PWM調(diào)速代碼
void tim(void) interrupt 1
{
static unsigned char count;
TH0 = (65536 - 100) / 256;
TL0 = (65536 - 100) % 256; //定時0.1mS
if (count == PWM_ON)
{
PWM = 1; //高電平
}
count++;
if(count == 10) //分為10個檔
{
count = 0;
if(PWM_ON != 0)
{
PWM = 0; //低電平
}
}
}
結(jié) 論
歷經(jīng)幾個月的畢業(yè)設(shè)計，從最初的資料查找、方案設(shè)計，經(jīng)過最基本的電路設(shè)計、調(diào)試過程，再到軟件設(shè)計、測試，我學習了單片機系統(tǒng)設(shè)計的整個過程。從傳感器信號的處理，到單片機接收并處理信號，再到輸出信號至外部系統(tǒng)，通過該作品的設(shè)計制作，使我更好的了解了各類傳感器，掌握了光電三極管的使用，并熟悉了單片機的中斷和定時器的控制，程序中對各種任務(wù)的合理安排，使整體系統(tǒng)能夠更好的協(xié)同工作，增強了自己的動手能力，更好的熟悉的了解了一個單片機系統(tǒng)的開發(fā)過程。
測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)實現(xiàn)了設(shè)計任務(wù)要求，小車采集紅外尋跡傳感器信號探測線路，采集遠紅外傳感器探測火源，并根據(jù)單片機控制模塊的分析結(jié)果決策和控制下一步的運動形式。該控制系統(tǒng)運用了單片機、紅外尋跡傳感器，直流電機，PWM調(diào)速，遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鞯燃夹g(shù)，基本實現(xiàn)了智能滅火小車的要求。
學習的過程中雖然遇到很多困難，但經(jīng)過努力克服了困難解決了問題，最終完成了設(shè)計。
通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我深刻地明白了“紙上得來終覺淺”的涵義，沒有實踐就沒有發(fā)言權(quán)，要想真正理解一件事一定要實踐，自己動手。深刻認識到學好專業(yè)知識的重要性以及本專業(yè)對實踐的極大需要，同時這也是對大學四年的學習成果的一個全面檢驗。這幾個月的設(shè)計是對過去所學知識的系統(tǒng)提高和擴充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。本次畢業(yè)設(shè)計從開始到現(xiàn)在總共經(jīng)歷了三個月的時間，從剛開始考慮自己題目，然后考慮了一段時間確定了自己的畢業(yè)設(shè)計題目，然后查閱相關(guān)資料（包括從專業(yè)課書中，課外書中，網(wǎng)上資料的資料），想到設(shè)計思路，以及到最后做出來成品，雖然過程很苦，但當我看到最后成果時卻很快樂，感覺前面的一切都是值得的。
通過本次畢業(yè)設(shè)計我復(fù)習了自己四年所學的專業(yè)知識，增加了自己的動手能力，解決問題的能力，自學能力，豐富了自己的實踐經(jīng)驗。機器人滅火比賽其實就是模擬現(xiàn)實生活中將來消防機器人的滅火過程，雖然比賽中的滅火情況簡單了些，但它的現(xiàn)實意義卻很大，相信不久將來機器人滅火會在我國普及。
致 謝
光陰似箭，轉(zhuǎn)眼間四年的大學生活即將結(jié)束，畢業(yè)設(shè)計是檢查學生四年學習成果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是對學生四年學習知識的全面總結(jié)和整合。
一學期的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)進入最后階段。我的畢業(yè)設(shè)計是在魏孝斌老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在這里，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師。從選題、查資料，到報告的修改、完稿，每個階段，老師都給予我最耐心的啟發(fā)和最細心的指導(dǎo)。每當我又不會的問題，不管多煩，魏老師總是很耐心的指導(dǎo)我。對于我犯的一些錯誤，老師沒有責罵，而是指出錯誤之處并以其淵博的知識，給予我許多有益的建議并分析錯誤的原因，為我解決了一個又一個的難題。從他身上，我不僅學習到學術(shù)知識，更重要的是他嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，敏銳的洞察力，尤其是獻身科學、積極進取的精神，將是我終身努力的方向。
在此，感謝母校揚州大學廣陵學院給予了我四年良好的學習環(huán)境。母校的“求是、求實、求新、求精”的校風將使我一生受用。揚州大學廣陵學院給了我展示自己和提升自己的舞臺，我會一直以我為揚州大學廣陵學院的畢業(yè)生而感到驕傲和自豪！
柳輝 滅火機器人結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)的研究
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