1 引言
機(jī)器人競賽是近年來迅速開展起來的一種對抗活動，它涉及人工智能,、機(jī)械,、電子、傳感器,、精密機(jī)械等諸多領(lǐng)域,。通過競賽可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、動手能力,、團(tuán)隊(duì)寫作能力等,。其中滅火比賽是開展范圍最廣、影響最大的機(jī)器人競賽項(xiàng)目之一,。
比賽規(guī)則為模仿生活中消防員滅火,，機(jī)器人從H點(diǎn)出發(fā)，在四個房間內(nèi)尋找任意擺放的蠟燭，并且設(shè)法將其滅掉,。比賽場地的墻壁高33cm,，材質(zhì)為木板，顏色為黑色,。尺寸如圖1所示,。對于比賽，得的分越低成績越好,。另外根據(jù)選擇的模式不同,，計(jì)分時要乘上相應(yīng)的系數(shù)。
圖1比賽場地平面結(jié)構(gòu)
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以ATmega32單片機(jī)為核心,，它是一種基于增強(qiáng)RISC結(jié)構(gòu)的,、低功耗的8位單片機(jī)。其特點(diǎn)為：①片內(nèi)具有32K字節(jié)的可編程Flash,；2K字節(jié)的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器,；1024個字節(jié)片內(nèi)在線可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲器。②片內(nèi)含JTAG接口,。③外圍接口,。兩個帶有分別獨(dú)立、可設(shè)置預(yù)分頻器的8位定時器/計(jì)數(shù)器,；一個16位定時器/計(jì)數(shù)器,；四個通道的PWM輸出；8路10位ADC,；32個可編程的I/O口,。④低功耗，最高工作頻率為16MHz,。
根據(jù)滅火比賽的規(guī)則要求,，配以碰撞傳感器、灰度傳感器,、火焰?zhèn)鞲衅骱图t外傳感器。通過兩路PWM控制兩只電機(jī)以驅(qū)動滅火機(jī)器人,，另外一路滅火電機(jī)由I/O口通過光電耦合器直接驅(qū)動,。
圖2系統(tǒng)總體框圖
2.2 系統(tǒng)電源部分
系統(tǒng)采用單電源供電電路時比較簡單，但是考慮到電動機(jī)起動瞬間電流很大,，會造成電源電壓不穩(wěn),，影響單片機(jī)和輸入電路工作的穩(wěn)定性和可靠性，因此采用雙電源供電方案,。將電機(jī)電源和單片機(jī)電源完全隔離,。單片機(jī)以及傳感器電路使用8V供電，電動機(jī)使用12V供電。提高電動機(jī)的供電電壓,，可以提高機(jī)器人的運(yùn)行速度,，從而可以提高滅火的成績。
2.3 電機(jī)驅(qū)動部分
機(jī)器人需要控制在一個合適的速度行駛,，在滅火的過程中既要以較快的速度找到火源,，又要防止因?yàn)榕鲎捕绊懕荣惖某煽儭Ｐ≤嚨乃俣仁怯蓛芍恢绷麟姍C(jī)控制,。L298驅(qū)動芯片是性能優(yōu)越的小型直流電機(jī)驅(qū)動芯片之一,。它可被用來驅(qū)動兩個直流電機(jī)或者是雙極性步進(jìn)電機(jī)。在6—46V的電壓下,，可以提供2A的額定電流,。L298還有過熱自動關(guān)斷功能，并有反饋電流檢測功能,。為保證L298正常工作,，建議加裝片外續(xù)流二極管。由ATmega32單片機(jī)直接輸出兩路PWM驅(qū)動L298N,。改變PWM調(diào)制脈沖占空比,，可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速。脈沖頻率對電機(jī)轉(zhuǎn)速有影響,，脈沖頻率高連續(xù)性好,，但帶負(fù)載能力差；脈沖頻率低則反之,。通過PD2和PD3兩根I/O口線來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向,。
圖3單片機(jī)電源電路
圖4電機(jī)驅(qū)動電路
2.4 傳感器部分
滅火比賽需要機(jī)器人在盡量不碰撞墻壁的基礎(chǔ)上盡可能快地找到蠟燭并將火滅掉。在完成任務(wù)的過程中首先需要不碰撞墻壁,，然后需要判斷前方是否有火焰,。在找到火焰后需要判斷蠟燭旁邊的白線。如果碰撞墻壁的話,，需要機(jī)器人能檢測出來并進(jìn)行處理,，不然就會發(fā)生機(jī)器人卡死的情況，那就不能完成任何任務(wù),。
圖5紅外傳感器電路
圖5所示為紅外傳感器的發(fā)射和接收電路,。紅外射管采用脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動，工作在38KHz的頻率下,，減少發(fā)射電路的功耗,。脈沖發(fā)生器由NE555構(gòu)成，通過外部的電位器R1來調(diào)節(jié)占空比和脈沖頻率,，由于紅外肉眼不可見,，所以電路中加入一個LED指示燈來指示紅外發(fā)射管是否在工作,。該LED和紅外發(fā)射管串聯(lián)，當(dāng)紅外發(fā)射管正常工作時,，該LED燈會點(diǎn)亮,。接收電路采用西門子公司生產(chǎn)的紅外專用集成接收芯片SFH506-38，它只有接收到38KHZ的脈沖波時才會作用,。它內(nèi)部集成了選項(xiàng),、濾波、放大電路,，對外只有3個引腳：①腳為信號輸出端,；②腳為接地端；③腳為電源端,，所以使用起來非常方便,，效果比較理想。
圖6灰度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?/p>
灰度傳感器是模擬傳感器,，有一只發(fā)光二極管和一只光敏電阻,，安裝在同一面上?；叶葌鞲衅骼貌煌伾臋z測面對光的反射程度不同,，光敏電阻對不同檢測面返回的光其阻值也不同的原理進(jìn)行顏色深淺檢測。
火焰?zhèn)鞲衅魇悄M傳感器,。它利用紅外敏感型元件對紅外信號強(qiáng)度的檢測并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可以識別的信號,，從而來檢測火焰信號?；鹧?zhèn)鞲衅骺梢杂脕硖綔y波長在700nm~1000nm范圍內(nèi)的紅外線,，探測角度為60º；,，其中紅外線波長在880nm附近時,，其靈敏度達(dá)到最大。
碰撞傳感器使用碰撞開關(guān),，通過I/O口可直接作為數(shù)字量輸入,。
2.5 LCD顯示及其它電路
液晶顯示器以其微功耗、體積小,、顯示內(nèi)容豐富,、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用,。這里采用2行16個字的DM-162液晶模塊，通過與單片機(jī)連接,、編程,，完成顯示功能。
圖7其它電路
3 滅火機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)
場地的四個房間內(nèi)的任何地方都有可能擺放蠟燭，所以機(jī)器人必須能夠?qū)崿F(xiàn)搜索所有的房間,，而且在行走的過程中不允許碰撞墻壁,。找到火源后，通過滅火裝置迅速將火滅掉,。根據(jù)以上的要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的滅火邏輯如圖8所示,。
圖8滅火邏輯
機(jī)器人采用左手走規(guī)則，左手走規(guī)則是指機(jī)器人始終沿著左面的墻壁行走,，一直走完全程,。在行走的過程中按照起點(diǎn)、一號房間,、二號房間,、三號房間、四號房間的順序搜索火源并滅火,。機(jī)器人首先讀取傳感器信息,，然后對傳感器的信息進(jìn)行判斷。如果發(fā)現(xiàn)火源,，則進(jìn)入滅火子程序,，該子程序完成趨光、滅火等功能,。
4 結(jié)論
本文根據(jù)滅火比賽規(guī)則的要求,，基于單片機(jī)及傳感器原理，以AVR單片機(jī)ATmega32為控制核心,，小型直流電機(jī)作為驅(qū)動元件,，設(shè)計(jì)出一種價格低廉、簡單實(shí)用的滅火機(jī)器人,。通過簡單的修改,，可以將此機(jī)器人用于其它的競賽項(xiàng)目。