1、收稿日期:2022-05-14基金项目:2021 年大连交通大学大学生创新创业训练计划项目(202110150082)作者简介:刘征(2000-),男,本科生,研究方向为智能控制和嵌入式开发。基于 STM32 的探灭一体化智能灭火机器人设计刘 征,鞠艳杰,唐雅茹(大连交通大学自动化与电气工程学院,辽宁 大连 116028)摘 要:针对火灾的预防和处理问题,设计了一款能自动寻找火源并灭火和现场环境探测的智能移动机器人。利用超声波传感器感知周围环境并进行避障,通过火焰传感器配合 PID 算法实现火源的精确定位和灭火,利用摄像头完成对现场信息的采集,并搭配专用遥控器实现对机器人的控制和环境探测。实验
2、研究表明:该机器人能够有效地实现对火源的定位和灭火动作,避障灵活准确,在消防领域具有广阔的应用前景。关键词:自动灭火;PID 控制;传感器;避障 中图分类号:TP242 文献标识码:A DOI 编码:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.207Design of intelligent fire extinguishing robot system based on STM32LIU Zheng,JU Yanjie,ZHONG Guotao,TANG Yaru(School of Automation and Electrical Engineering,Dalian J
3、iaotong University,Dalian Liaoning 116028,China)Abstract:In response to the problem of fire prevention and treatment,a intelligent mobile robot was designed to automat-ically find the source of fire and extinguish fire and detect the environment on site.The ultrasonic sensor is used to perceive the
4、surrounding environment and avoid obstacles.The flame sensor is combined with the PID algorithm to achieve accurate po-sitioning and fire extinguishing of the fire source.It can collect the scene information by using a camera,and the control and environmental detection of the car are realized with a
5、 special remote control.Experimental studies have shown that the car can effectively achieve the positioning of the fire source and fire extinguishing action,and the obstacle avoidance is flexible and accurate,which has broad application prospects in the field of fire protection.Key words:automatic
6、fire extinguishing;PID control;sensor;obstacle avoidance0 引言在社会生活中,火灾已成为威胁公共安全,危害人民群众生命财产的一种多发性灾害。给国家和人民群众的生命财产造成了巨大的损失。消防机器人能够代替消防员进入复杂危险的火灾现场完成环境侦察、搜索救人、灭火控制等任务,在保护消防员安全的同时提高了消防部队灭火救援能力和效率,也减少了火灾对人民生命财产的损害13。这使得机器人在消防救援领域拥有广泛的应用前景。基于以上理念,设计了一款智能移动机器人。它具备全履带式车轮,并且具备自动探测和扑灭火源以及传输图像等功能,能进一步提高火灾应急救援的安
7、全和水平11。它可以用于在易发生火灾的如仓库、商场等场所,代替人类进行巡逻检查来及时发现险情并进行自动灭火,防患于未然;并且也能用于对火灾现场环境的探测,帮助消防人员更好地了解现场情况。经实验该机器人能较好地完成自动避障和自动灭火动作,能够流畅地完成不同模式的切换和对周围环境的探测,在特殊情况下也能很好地通过遥控器完成对机器人的控制4。1 系统总体设计智能灭火机器人由车辆主体,遥控器和图像传输系统三部分构成。机器人以履带式底盘作为载体,采用了STM32 系列作为主控芯片,包括电源模块、电机驱动模块、舵机控制模块、超声波测距模块、火焰传感器、无线通讯模块2-3。图像传输系统是由搭载在云台上的摄像
8、头实时采集画面再由无线信号发送器将数据发送给接收器。机器人配套有遥控器,通过无线传输模块实现与机器人的通信。该遥控器通过 OLED 屏、按键和摇杆实现了人机交互功能1。具体结构框图如图 1 所示。图 1 总体设计框图702自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)本设计采用了图像传输与控制系统相互独立的设计,这样使得在复杂恶劣的火灾现场能够稳定地传输现场画面,保证了机器人收集火场信息的功能。并且该机器人有两种工作模式,能够在发生特殊情况时对机器人进行控制。机器人配备的火焰传感器结合 PID 算法能够定位火源,并进行自动灭火是本设计的特色功能。2 系统硬件设计2.1 主控芯片采用
9、的主控芯片是基于 ARM Cortex-M 内核的STM32c8t6 单片机,该系列单片机具有性能强大、功能丰富、功耗低等优点,其大容量的 Flash Memory 和 RAM,高速时钟频率,12 位高精度 ADC 和 IIC、SPI 等外设接口都能满足本次设计的需求。2.2 超声波测距模块采用了超声波模块来实现自动躲避障碍物的功能。该模块拥有的检测距离范围为 2 cm450 cm,测量误差在 00.5 cm6。为了实现机器人的自动避障,在机器人的前方和两侧各装了一个超声波传感器如图 2 所示用于测量距离,当检测的距离小于阈值时机器人会自动修正方向以此达到自动避障的功能8。图 2 超声波传感器
10、2.3 火焰传感器模块火焰传感器的探头会将周围红外光的强度转换为电压信号,然后通过 ADC 进行模数转换,用于来识别附近是否有火源也可以检测光照强度。为了使机器人能自动精确地定位火源并实现灭火,在机器人的侧面和头部左右两侧各装有一个传感器。通过 PID 算法将两个火焰传感器输出的输出差值进行计算得到机器人应转动的角度,当右侧的火焰传感器输出的值大时机器人会原地左转,当左侧电压值大时就右转,通过不断修正方向使机器人的前方正对着火源,实现了火源的定位。其工作方式如图 3 所示。图 3 火源定位方式2.4 灭火装置本机器人装配了水和粉末等灭火材料具有一定的灭火能力。当机器人定位火源后,会自动进行灭火
11、。MCU 向继电器模块发送信号使继电器动作,水泵接通电源,将水喷出完成灭火。如若遇到电或化学危险品引起的火源,也可以选择干粉等其他灭火材料进行灭火。多种灭火材料的选择将会使机器人适应更多的应用场景。2.5 图像传输模块该模块采用的是 TS5823 无线图传,并且独立于机器人控制系统,不占用主控芯片的资源,将主芯片的资源更好地用在机器人的控制上提升机器人自动避障和自动灭火的表现10。较大的传输带宽也保证了传输的有效性和画面的清晰度。采集到的图像可以在手机或电脑显示器上显示,较为方便快捷,克服了野外携带大型设备不便捷的问题14。摄像头搭载在两自由度的云台上,左右移动范围为 160,上下移动范围可达
12、 70,具有较广的视野范围,操作人员可控制舵机对周围环境进行充分探测5。2.6 电机驱动模块本机器人采用了两个直流减速电机及其专用的驱动芯片来进行移动。驱动芯片采用的是 L298N,该双路全桥式电机驱动芯片工作电压高、输出电流大、驱动能力强能够驱动两个电机。通过 PWM 实现对电机的调速,H 桥结构可实现电机的正反转,该机器人因为采用了履带,所以通过左右两侧的差速实现转向。2.7 无线控制模块遥控器与机器人之间采用无线传输方式进行通信。通过 NRF24L01 射频芯片实现,采用 2.4G 频段,最高工作速率 2 Mb/s,高效 GFSK 调制,抗干扰能力强,功耗低。在安装了增益天线后有效传输距
13、离高达 1 000 m,穿透能力强,完全能够满足对机器人控制的需要9。通过遥控器对机器人进行控制,该遥控器还安装了 OLED显示屏,用于将机器人收集到的信息显示给操作人员;摇杆可用于对机器人的移动进行控制也可以对云台的角度进行控制;按键用于机器人运行模式的转换,当需要人为控制时按下按键即可由自动巡检模式切换为人工控制模式实现对机器人的控制。图 4 遥控器结构框图3 软件设计该系统的软件部分在 KEIL5 集成开发环境完成开发,其大致流程为系统的初始化,机器人的行走控制,自802基于 STM32 的探灭一体化智能灭火机器人设计 刘 征,等动避障程序,火源定位和自动灭火处理,无线数据通信,图像传输
14、等12。程序大体分为了三大部分,第一部分是系统整体的初始化,对各个模块进行引脚分配和完成对寄存器的配置,建立单片机与外部接口的通信协议;第二部分是对数据的采集和滤波处理,第三部分是根据采集到的数据完成决策实现对机器人的动作控制,并可在该平台完成编译、调试、仿真和下载这一列完整开发流程。其核心的部分是实现火源定位的先行 PID 算法,通过该算法对火焰传感器的数据进行处理,再配合执行机构实现火源定位。应用中断系统实现模式的转换,在人工控制模式下,通过无线通信程序完成对机器人的控制。图 5 软件总体流程3.1 数据滤波本次设计需要处理的数据量大而且对实时性要求较高,故采用了递推平均滤波算法。其原理是
15、把连续取N 个采样值看成一个队列,队列的长度固定为 N 每次采样到一个新数据放入队尾,并去除原来队首的一个数据(先进先出原则),然后把队列中的 N 个数据进行算术平均运算,即可获得新的滤波结果。本设计数据采样频率较高 N 的取值可设为 5。result=N1+N2+N3+N4+N55(N1为最新的数据,N2,3,4,5为旧数据)该滤波算法的优点是对周期性干扰有良好的抑制作用,平滑度高,适用于高频振荡的系统。通过对数据波形进行分析,该滤波算法能较好地平滑输出,减少了高频噪声的影响7。具体效果如图 6 所示。图 6 滤波效果分析图3.2 PID 算法PID 算法分为了三大部分,比例调节是按比例反映
16、系统的偏差。积分调节是使系统消除系统的稳态误差,提高误差度。微分调节反应系统偏差信号的变化率,具有预见性,能产生超前的控制作用,但它对噪声干扰较敏感对系统抗干扰不利15。该算法对机器人实现火源定位起到了至关重要的作用。机器人在定位与避障时,经常会遇到转弯的情况。所以机器人的速度期望值和方向期望值都会发生频繁的变化,如果还使用上述的传统 PID 算法会造成系统的振荡。为了解决其给系统带来的不利影响,采用了积分先行 PID 算法,其特点是只对输出值进行微分,而不对期望值进行微分16。这样,在期望值发生变化时,输出值并不会改变,而被控量的变化相对是比较缓和的,这就很好地避免了设定值的频繁变化给系统造成的振荡,明显地改善了系统的动态性能。图 7 先行 PID 控制结构图图 8 先行 PID 程序流程图3.3 火源定位系统设计本设计通过安装在机器人正前方和侧面的四个火焰传感器来实现对火源的定位然后精确地完成火源的扑灭。其具体实现方法为,机器人在行进中通过火焰传感器不断感知周围的红外光强,并不断比较四个火焰传感器输出模拟量的大小得出火源的大致方向,先比较侧面和正前方的传感器输出值大小,如果前方传感