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机器人灭火的设计方案

2006 年 5 月 西              安 邮 电 学 院 学 报    第 11 卷 第 3 期 J OU RNAL OF XI’ UN IV ERSIT Y OF POST AND TEL ECOMMUN ICA TIONS AN

机器人灭火的设计方案
张  英
( 西安邮电学院 信息与控制系 ,陕西 西安   710061)

摘要 : 根据机器人灭火竞赛规则 ,给出了一种轮式机器人的硬件结构设计方案和软件设计流程 。所用机器人的处 的方案寻找火源并扑灭 。 关键词 : 机器人 ; 传感器 ; 灭火 中图分类号 : TP24       文献标识码 :A       文章编号 :1007 - 3264 ( 2006) 03 - 0110 - 03

理器为 68 HC11 单片机 ,主要利用红外传感器 、 光敏传感器对环境进行检测 ,驱动电机 ,使机器人在场地中按照预定

1. 1   比赛场地

引言
近年来 ,机器人作为机械学 、 电子学 、 计算机技 术、 人工智能等学科的典型载体被广泛地用来作为 高校教学和研究的选题之一 , 各种机器人比赛活动 也引起了广泛关注 。 机器人竞赛是近年来国际上迅速开展起来的高 技术对抗活动 , 它涉及人工智能 、 机械 、 电子 、 传感 器、 精密机械和仿生材料等诸多领域的前沿研究 ,集 高新技术 、 娱乐和比赛于一体 。机器人竞赛是科普 活动的一个良好载体 , 同时也是基础研究的一个良 好平台 。为了推动机器人及智能控制技术的发展 , 国际上推出了不同类型的机器人比赛 , 如机器人足 球、 机器人灭火 、 机器人相扑 、 机器人投球等 ,其中尤 以机器人足球比赛 、 机器人灭火比赛最为引人注目 。

机器人灭火比赛的场地平面结构如图 1 所示 。

1  比赛规则
比赛规则完全采用国际比赛规则 , 模仿生活中 的消防队员灭火 ,让机器人在 4 间平面结构的模型 房间里自主地寻找任意放置在某个房间的蜡烛 , 并 设法熄灭蜡烛 。

图1  比赛场地平面结构

比赛场地的墙壁 33cm 高 , 由木头做成 。墙壁 刷成白色 。比赛场地的地板将是被漆成黑色的光滑 木质表面 。在所有的房间和走廊的地板上 , 可能会 铺有小地毯 。 场地中所有的走廊和门口宽都是 46cm 。门的 开口 ,用一个 2. 5cm 宽的白线表示 。机器人从图中

May12006 Vol111 No 13

收稿日期 :2005 - 12 - 05 作者简介 : 张   ( 1977 - ) ,女 ,陕西商洛人 ,西安邮电学院信息与控制系助理工程师 。 英

  3期 第

张   : 机器人灭火的设计方案 英

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标有 H” “ 的起始位置的圆圈中开始启动 。 1. 2   运行模式 对于所有比赛 ,得分越低 ,成绩越好 。有 6 种运 行模式可以选择 。不同模式的得分系数不同 , 标准 模式得分系数是 1. 0 ; 声音启动模式的得分分数是
0. 95 ; 回家模式的得分系数是 0. 8 ; 非推测导航模式

60° 。红外传感器将外界红外光光强的变化转化为

电流的变化 ,通过 A/ D 转换器转换为 0 - 255 范围 内的数值 。外界红外光越强 , 数值越小 。因此越靠 近热源 ,机器人显示读数越小 。根据函数返回值的 变化能判断红外光线的强弱 , 从而能大致判别出火 源的远近 。 光敏传感器用来检测场地内的路标 , 以便准确 找到房间和有效灭火范围 。比赛场地地面除了表示 起点的圆圈 、 房间的门和有效灭火范围是白色的外 , 其余都是黑色的 。光敏传感器由光敏电阻和发光二 极管组成 ,发光二极管照射到地面的反射光线被光 敏电阻接收 , 其电阻值根据反射光线强弱而改变 。 地面灰度大 ,光敏电阻值大 ; 地面灰度小 , 光敏电阻 值小 。阻值的变化转变成电信号输入到机器人主板 上的微控制器 ,再由微控制器中的 A/ D 转换器将电 信号进行转换 。

的得分系数是 0. 8 ; 家具模式的得分系数为 0. 75 。 灭火模式 ,使用风扇吹风灭火的得分系数为 1. 0 ,不 使用吹风灭火的方式将火灭掉 ,系数是 0. 85 。最终 的实际得分 : 得分 = ( 实际时间 + 罚分) × 模式系数 × 房间系 数

2  硬件设计
通过对比赛规则的研究 , 设计机器人的系统结 构如图 2 所示 。

3  软件设计
在软件设计上采用左手走规则 , 左手走规则是 指机器人始终沿着左边的墙壁行走 ,一直走完全程 。 该规则要求机器人能实现沿着墙壁前进 , 在场地转 弯处或是门口时 ,机器人能自动转过去 ; 当前方有障 碍物时 ,机器人能自动躲避 。机器人按如下所示路 线搜索火源 : 一号房间 二号房间 三号房间 四号房间 在搜索到火源并灭火后 ,再按所设路线返回 ,在 一、 二号房间灭完火后按右手规则返回 , 当在三 、 四 号房子灭完火后按左手规则返回 。这样设计的目的
H

图2  系统结构

传感器检测环境信息 , 描述机器人与环境的相 互关系 。针对比赛规则 , 机器人主要使用了红外传 感器 、 光敏传感器及相应的信号处理电路 。机器人 的电源采用 12V 锂电池 ,用两个直流电机驱动两个 轮子作为机器人的驱动系统 。灭火装置是一个气 球 ,当气球接近火源燃烧爆裂 , 吹灭火焰 。用 L CD 作为输出显示 。 红外传感器有两种 ,一种用来检测障碍 ,避免撞 到墙壁同时又可以寻找房间的门 。红外传感器能够 检测到前方 10cm - 80cm ,90° 范围内的比 0. 03 平方 米面积大的障碍物 。红外传感器由两个红外发射管 和一个红外接收管组成 。红外发射管发出红外线 , 红外线在遇到障碍物后被反射回来 , 红外接收管收 到被反射回来的红外线后 ,通过 A/ D 转换送入单片 机进行处理 。 另外一种红外传感器用来探测火源 。这种红外 传感器可以探测到波长在 700nm ~ 1000nm 范围内 的红外光 , 适宜用来探测火源或热源 , 探测角度为

是为了节省时间 。 程序设计时 ,总体任务可划分成四个模块 : 启动 模块 、 搜索火源模块 、 灭火模块 、 回家模块 。流程图 如图 3 所示 : 启动模块 , 本模块主要是让机器人完成走出白 圈 ,但又不影响随后对房间的地面的检测 。 搜索火源模块 , 本模块主要是对每个房子按预 定顺序进行搜索 , 当发现火源即红外传感器检测到 的亮度小于某一值 —— — 这一值由当时环境与火焰亮 度的差值而设定 ,切换到灭火模块 。 灭火模块 ,此模块主要完成趋光 、 灭火等功能 , 当搜索到火源后即执行完搜索火源模块 , 机器人会 趋向光强的方向 ( 蜡烛) 行走 ,为防止碰到蜡烛 ,机器 人在检测到蜡烛外围的白线后停下 , 这时用于灭火

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西                             安 邮 电 学 院 学 报 2006 年 5 月

的气球也到了蜡烛火焰上 ,等蜡烛烧破气球 ,利用气 球爆炸时的冲击气流灭火 。

4  系统调试
系统调试分模块调试和系统总调试两个阶段 。 模块调试中的启动模块和灭火模块调试相对简单 。 在此主要分析搜索火源模块和回家模块的调试 。 搜索火源模块中要解决的一个主要问题 , 是怎 样从房间一用左手定则尽快走到房间二 。当进第一 个房间时 ,光敏传感器检测到白线 , 则标记一次 , 当 第二次检测到白线时控制机器人偏右直走 30cm 左 右 。这样就可以避免绕一个大圈才进房间二 , 节省 了时间 。 在回家模块中 , 关键是要解决好从房间二回家 的问题 ,由场地的平面图可以得知 , 遵循左手规则 , 房间一与房间二之间的距离要比房间三与房间四之 间的距离要大得多 , 这时机器人从房间二回家时只 要其红外传感器检测到距离值大于设定值时 , 就控 制机器人以向右的小偏角直走一段即可 。 依据本方案设计的机器人在第六届广茂达杯中 国智能机器人大赛灭火项目中获得三等奖 。

图3  流程图

参      考 文 献
[1 ]   刘君华 . 智能传感器系统 [ M ] 西安 : 西安电子科技大学

火灭后红外传感器检测到其亮度降到与外界差 不多的时候 ,切换到回家模块 。根据搜索火源模块 检测到的地面白线次数 W , 判断机器人处于哪个房 间 ,进而决定回家的方式 。当 W < = 3 时用右手定 则回家 ,当 W = 4 或等于 5 时用左手定则回家 ,当 W 为其他值时按右手定则回家 。当进入白圈后 , 光敏 传感器检测到地面灰度持续小于某一值超过一定时 间则机器人停止 。

出版社 ,1999.
[2 ]   宗光华 . 机器人的创意设计与实践 [ M ] . 北京 : 北京航

空航天大学出版社 ,2004.
[3 ]   张福学 . 现代实用传感器电路 [ M ] . 北京 : 中国计量出

版社 ,1997.
[4 ]   栾桂冬 ,张金铎 , 金欢阳 . 传感器及其应用 [ M ] . 西安 :

西安电子科技大学出版社 ,2002.

Design project of outf iring robot
ZHAN G Ying
( Department of Information and Control , Xi’ University of Post and Telecommunications ,Xi’ 710061 ,China) an an

ware flow for a wheel robot . It has 68 HC11 as it s processor , and has inf rared sensor and light - sensor to detect t he preset sequence.

t he environment and to drive t he elect ric engine , and t hus to have t he robot find and put out t he fire according to Key words : robot ;sensor ;outfire

Abstract : According to t he contest rule for outfiring robot , t his paper present s t he hardware project and soft2


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