一款基于STM32的智能滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)的研究初衷來源于滅火機(jī)器人比賽，比賽場地將采用國際標(biāo)準(zhǔn)比賽場地，比賽場地平面圖如圖1所示。比賽場地的墻壁高為33cm，厚為2 cm，由木頭做成。墻壁刷成白色。比賽場地的地板是被漆成黑色的光滑木制板。場地中所有的走廊和門口都是46 cm的開口，一個白色的2.5 cm寬的白色帶子或白漆印跡表示房間人口，在距離火焰30 cm的圓上有一條2.5 cm寬的白線。根據(jù)要求，該機(jī)器人要在模擬的四室一廳房間內(nèi)完成發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)火源、滅火和回家（回到出發(fā)點(diǎn)H）等功能。

　　本文以STM32F103嵌入式芯片為核心，完成滅火機(jī)器人的軟、硬件設(shè)計(jì)。當(dāng)機(jī)器人啟動后，前部和左右的紅外測距傳感器為機(jī)器人的避障功能和沿墻走方式 提供參考信號。機(jī)器人的運(yùn)動速度以及運(yùn)動方向由處理器輸出的PWM信號來控制?；鹧?zhèn)鞲衅?a target="_blank">檢測房間內(nèi)火源，發(fā)現(xiàn)火源后機(jī)器人朝向火源方向行走，底部的灰度 傳感器檢測地面白線判斷機(jī)器人是否靠近火源，控制機(jī)器人暫停，啟動風(fēng)扇滅火，滅火后回家。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由STM32F103、傳感器模塊、直流電機(jī)驅(qū)動模塊、風(fēng)扇模塊、電源模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　1.1 機(jī)器人整體布局

　　機(jī)器人左右兩輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩完全相同的直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，機(jī)器人前部裝一個萬向輪，這樣，可以輕松地使機(jī)器人改變運(yùn)行方向和運(yùn)動速度。機(jī)器人前面裝有風(fēng)扇、火焰?zhèn)鞲衅骱图t外傳感器，頭部底側(cè)裝有灰度傳感器，左右兩側(cè)各有3個紅外測距傳感器，兩側(cè)的傳感器可以分別測量不同范圍內(nèi)的障礙物距離。

　　1.2 微控制器模塊

　　系統(tǒng)傳感器模塊要不斷采集環(huán)境信息，要求控制芯片有較高的實(shí)時處理能力和較高的處理速度，因此，系統(tǒng)選用嵌入式芯片STM32F103該芯片使用ARM先進(jìn)架構(gòu)的Cortex—M3內(nèi)核，CPU頻率可達(dá)72 MHz，具有兩個16位ADC用于高速采集數(shù)據(jù)采集，15個I/O端口用于連接外部設(shè)備。I/O端口作為輸入口讀取檢測端口和傳感器組的數(shù)據(jù)，作為輸出端口用于驅(qū)動電機(jī)和風(fēng)扇。4個PWM定時器用于驅(qū)動大功率直流電機(jī)。芯片具有速度快、功耗低、可靠性高、實(shí)時性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　1.3 傳感器模塊

　　傳感器模塊主要由紅外測距傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱突叶葌鞲衅魅惤M成。

　　紅外測距傳感器主要檢測障礙物（墻壁），防止機(jī)器人撞墻。本設(shè)計(jì)采用光電式紅外傳感器E18-D80NK，它是集紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊于一體的數(shù)字傳感器，有效檢測范圍為3～80 cm可調(diào)，指向角≤15°。根據(jù)比賽場地特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用7個此類傳感器，這樣的傳感器布局可以采集所需的各種信號，準(zhǔn)確測障，靈活調(diào)整運(yùn)行方向，保證機(jī)器人運(yùn)動過程中不碰壁。傳感器的分布如圖3所示。

　　火焰?zhèn)鞲衅饔脕頇z測火源，尋找火源位置。采用5路火焰?zhèn)鞲衅鹘M成火焰?zhèn)鞲衅鹘M，傳感器組的設(shè)計(jì)如圖4所示，這種結(jié)構(gòu)可以探測180°范圍內(nèi)火焰信號源。機(jī)器人在房間門口就可檢測房間內(nèi)是否有火源，若無火源則直接退出該房間循跡下一個房間，大量節(jié)省了時間。

　　地面灰度傳感器安裝于機(jī)器人前部的底座上，用于檢測地面反射光線的強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)選用QTI灰度傳感器，該器件可作為紅外接收器和發(fā)射器，內(nèi)嵌日光過濾器，可防止日光的干擾。其數(shù)字信號輸出主要用來檢測比賽場地中火源周圍的白線，控制機(jī)器人在有火源的白色圓弧處暫停。

　　1.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

　　為了控制機(jī)器人的運(yùn)動速度和方向，設(shè)計(jì)了一種H橋驅(qū)動電路。該電路以IRF4905和IRF3205 MOS管為開關(guān)元件，以IRF1210為柵極驅(qū)動芯片。主控芯片產(chǎn)生的PWM信號控制驅(qū)動芯片，進(jìn)而控制機(jī)器人左右輪的轉(zhuǎn)速和萬向輪的轉(zhuǎn)向。驅(qū)動電路的電路圖如圖5所示。滅火風(fēng)扇的電機(jī)采用大功率MOs驅(qū)動器，由伺服電機(jī)輸出端的信號驅(qū)動。

　　1.5 其他模塊

　　為保證系統(tǒng)正常工作和順利滅火，系統(tǒng)還包括電源模塊、時鐘模塊和風(fēng)扇模塊。以電源模塊為例，電源模塊通過專用的電源轉(zhuǎn)換芯片7805產(chǎn)生傳感器所需的5 V電源，通過LM1117產(chǎn)生主控制器所需的3.3 V電源。電源模塊如圖6所示。