摘  要： 以ATMega128芯片為控制核心,，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能偵查滅火機(jī)器人的相關(guān)功能,。實(shí)驗(yàn)證明，智能滅火機(jī)器人的尋光,、避障以及行走模塊系統(tǒng)工作,，使其能夠更快速、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并到達(dá)火源,，實(shí)現(xiàn)滅火,。
關(guān)鍵詞： ATMega128芯片,；智能偵查滅火機(jī)器人；火源

　最近幾十年中,，大量的高層,、地下建筑及大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊性,，發(fā)生火災(zāi)時(shí),，不能快速高效地滅火。比如,，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí),，消防人員不可能在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)高處的火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，在地下建筑中,，由于環(huán)境比較潮濕,，煙氣不易擴(kuò)散，消防人員不容易快速判定火源位置,；而在石化企業(yè)發(fā)生火災(zāi)時(shí),，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時(shí)極易中毒,。為了解決這一問題,，研制能夠用于這些場(chǎng)合的偵察滅火機(jī)器人，協(xié)助消防人員進(jìn)行火災(zāi)的定位和滅火,，將有極大的社會(huì)意義,。
　作為一個(gè)智能化的機(jī)器，機(jī)器人必須具有如下功能：(1)動(dòng)作機(jī)構(gòu)類似于人或其他生物體某些器官(肢體,、感官等)的功能,；(2)有通用性，工作種類多樣,，動(dòng)作程序靈活易變,；(3)有一定程度的智能，如記憶,、感知,、推測(cè)、決策和學(xué)習(xí)等,；(4)有獨(dú)立性,，完整的機(jī)器人系統(tǒng)(機(jī)器)在工作中可以不依賴人的操縱。偵察滅火機(jī)器人是一個(gè)具有一定智能的機(jī)器,，要完成上述功能,，必須解決下述幾個(gè)問題[1]。
　(1)路徑規(guī)劃和實(shí)施
　為了進(jìn)行偵察,，偵察滅火機(jī)器人必須對(duì)偵察目標(biāo)進(jìn)行巡視,，必須能夠在偵察目標(biāo)內(nèi)安全行走,。偵察滅火機(jī)器人要解決的首要問題就是如何行走，也就是路徑規(guī)劃的問題,。第一,，必須有全局的偵察路徑規(guī)劃。對(duì)不同的目標(biāo),，必須制定不同的偵察路徑策略,，以指導(dǎo)機(jī)器人對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全局掃描偵察。第二,，機(jī)器人必須知道當(dāng)前自身所處的位置,。這一位置非常重要，機(jī)器人根據(jù)當(dāng)前位置,，結(jié)合全局的偵察規(guī)劃,，確定下一步的行走計(jì)劃；對(duì)發(fā)現(xiàn)的火源,，機(jī)器人通過確定火源相對(duì)于機(jī)器人當(dāng)前位置的坐標(biāo)以確定火源在整個(gè)偵察目標(biāo)中的位置,。第三，機(jī)器人必須識(shí)別行走中的障礙,。機(jī)器人必須收集傳感器得到的信息,，確定行走中的各種障礙。這些障礙包括臺(tái)階,、墻壁等各種突起物,，地面的凹凸，各種人為放置的障礙等,。機(jī)器人必須能夠識(shí)別這些障礙物,，并對(duì)各種障礙進(jìn)行分類。第四,，確定避障的方案。對(duì)識(shí)別的障礙,，機(jī)器人必須確定是否能夠直接越過障礙,；對(duì)不能越過的障礙，必須確定規(guī)避的方案[2],。
　(2)火源識(shí)別和定位
　偵察滅火機(jī)器人必須能夠識(shí)別火源,，對(duì)火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)定位。機(jī)器人在行走過程中對(duì)環(huán)境進(jìn)行偵察,，對(duì)傳感器得到的信息進(jìn)行分析,，在得到可疑信息處適當(dāng)?shù)赝Ａ簦杉喔敿?xì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,，以判定火源的存在[3],。對(duì)確定存在的火源,，必須對(duì)其定位，確定火源相對(duì)機(jī)器人的位置,，以確定火源在整個(gè)目標(biāo)中的實(shí)際位置,。

    (3)滅火
　當(dāng)機(jī)器人找到火源并且定好距離后，啟動(dòng)滅火裝置進(jìn)行滅火,，當(dāng)火滅后,，機(jī)器人退出火場(chǎng)[4]。
1 滅火機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)
　本系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊,、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,、火源檢測(cè)模塊、避障模塊及電源模塊等構(gòu)成,。采用了基于TWI總線規(guī)范的主從機(jī)控制方式,，以AVR系列單片機(jī)ATMega128作為控制系統(tǒng)的主模塊，ATMega8作為底層控制模塊,，實(shí)現(xiàn)控制偵察車動(dòng)作(如車體的前進(jìn),、后退、拐彎等),，系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

1.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
　直流電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)的硬件電路如圖2所示。其中電機(jī)控制采用的是L298,。通過一個(gè)L298芯片驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流減速電機(jī),，將EA/EB接PWM(高電平有效)，P1,、P2,、P3、P4接單片機(jī),，通過改變EA,、EB以及PWM的占空比即可控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)停止、加速減速和前進(jìn)倒退,。

1.2 火源檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

　方案一：采用光敏電阻,，利用其在不同的光強(qiáng)下阻值不同，確定小車的轉(zhuǎn)向,，但檢測(cè)距離有限,，易受外界環(huán)境干擾。
　方案二：采用光電三極管形成陣列,，在小車車頭排列成為半圓狀結(jié)構(gòu),。根據(jù)矢量合成原理，按照各個(gè)傳感器測(cè)量光強(qiáng)的不同,，確定小車相對(duì)于光的位置,。檢測(cè)距離較遠(yuǎn),，受外界干擾小。
　方案選擇：采用方案二,，此方案實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜但能取得良好的效果,。
　小車尋光采用光敏三極管陣列，每個(gè)光敏三極管的硬件電路如圖3所示,。

　導(dǎo)航分系統(tǒng)通過接收均勻分布在圓周的八個(gè)光敏三極管采集的信號(hào),，送給單片機(jī)的ADC模塊，從而得到光強(qiáng)信息,，確定光源所在位置,，引導(dǎo)小車導(dǎo)航。傳感器陣列的位置分布見圖4,。

1.3 避障模塊設(shè)計(jì)
　方案一：采用光電開關(guān),，方向雜散小，在距離障礙物一定距離時(shí)可測(cè)出障礙物,，價(jià)格低廉,。
　方案二：采用超聲波測(cè)距的方法。利用超聲波傳感器,，監(jiān)視測(cè)量發(fā)射脈沖和接受脈沖的時(shí)間差,，計(jì)算超聲波和物體之間的距離。
　方案選擇：超聲波測(cè)距價(jià)格較高,，且通過算法優(yōu)化,，光電開關(guān)完全可以滿足設(shè)計(jì)要求，故采用方案一,。
小車避障模塊采用的紅外光電接近開關(guān),，接收均勻分布在半圓周的五個(gè)光電開關(guān)采集的信號(hào)如圖4所示，單片機(jī)通過讀取開關(guān)電平的高低即可確定障礙物的方向,，引導(dǎo)小車躲避障礙,。本設(shè)計(jì)中采用的是E18-D80NK型光電開關(guān)。
2 滅火機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)
　可編程微控制器模塊使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)下列功能[5]：(1)監(jiān)測(cè)傳感器以探測(cè)周邊環(huán)境,；(2)基于傳感元件的檢測(cè)做出決策,；(3)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；(4)實(shí)現(xiàn)滅火功能,。
2.1 滅火機(jī)器人程序設(shè)計(jì)思路
　(1)尋找火源：機(jī)器人在各個(gè)房間門口搜索房間是否有火，如果有火就停下,。
　(2)滅火：檢測(cè)到房間有火,，利用光敏電阻尋找蠟燭，直接朝火焰前進(jìn),，到達(dá)火焰一定距離(由程序設(shè)定),，停下,，啟動(dòng)滅火裝置。
　(3)返回：機(jī)器人救火任務(wù)完成,，從所處的位置回到起點(diǎn),。
程序流程圖如圖5所示。

2.2 尋光,、避障導(dǎo)航算法
　尋光算法：根據(jù)傳感器環(huán)路的結(jié)構(gòu),，以小車左右方向作為X軸，八個(gè)光敏三極管分別位于0°,、45°,、90°、135°,、180°,、225°、270°,、315°的位置,。計(jì)算信號(hào)幅度最大的光敏三極管與位置90°的光敏三極管之間的夾角，將小車轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)夾角,，使位置90°的光敏三極管所接收的信號(hào)幅度最大,，然后前進(jìn)。
避障算法：根據(jù)傳感器環(huán)路的結(jié)構(gòu),，以小車左右方向作為X軸,，五個(gè)光電開關(guān)分別位于0°、45°,、90°,、135°、180°的位置,。光電開關(guān)只能輸出TTL電平,，可以轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制分量，當(dāng)傳感器分量為高電平時(shí),，表示探測(cè)到障礙物,。
　當(dāng)有三個(gè)以上光電開關(guān)分量為高電平時(shí)，表明障礙情況比較復(fù)雜,，此時(shí)將小車退后,，然后再向右一段距離，繼續(xù)前進(jìn),。
當(dāng)只有一到兩個(gè)光電開關(guān)分量為高電平時(shí),，表明障礙情況比較簡單，此時(shí)小車將沿著與高電平傳感器相反方向行進(jìn)，繼續(xù)前進(jìn),。
　本設(shè)計(jì)是以ATMega128控制的輪式移動(dòng)機(jī)器人,，兩輪采用直流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，后部球輪為隨動(dòng)支撐輪,。在移動(dòng)機(jī)器人車體前部安裝有光敏電阻,、紅外線探測(cè)發(fā)射裝置，用于采集環(huán)境信息的信息,，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人自身位置的感知,。實(shí)驗(yàn)表明，在路徑搜索過程中,，移動(dòng)機(jī)器人能夠較好地達(dá)到搜尋目的,，對(duì)環(huán)境做出合理的反應(yīng)，達(dá)到一定的智能水平,。
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