(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院信電系 浙江 杭州 310018)
目前大多研究的滅火機(jī)器人是針對(duì)家庭環(huán)境下的。要想讓機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境內(nèi)自主完成火源的查找并消滅火源,就需要機(jī)器人能自動(dòng)壁障,自動(dòng)查找火源。為了能在未知或時(shí)變環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自主行走和火焰定位功能,就需要多種傳感器協(xié)同工作,幫助智能滅火機(jī)器人準(zhǔn)確而快速的完成任務(wù)。而多個(gè)傳感器在空間或時(shí)間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行組合,擴(kuò)展了單個(gè)傳感器的性能,不僅大幅提高了不同類(lèi)型火災(zāi)的靈敏度,還使可靠辨別真假火災(zāi)的能力也得到提升。將多個(gè)傳感器中得到的信號(hào),運(yùn)用信息融合技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合,對(duì)多源數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行檢測(cè)、關(guān)聯(lián)、相關(guān)、估計(jì)和綜合等多級(jí)、多方面的處理,以得到精確的狀態(tài)和種類(lèi)判定,達(dá)到測(cè)量和控制的目的即多傳感器信息融合技術(shù)。
系統(tǒng)配有紅外線傳感器,超聲波傳感器,火焰?zhèn)鞲衅鳎改厢槀鞲衅鞯榷喾N傳感器,多傳感器融合采用基于行為的運(yùn)動(dòng)模式發(fā)生器和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息融合技術(shù)來(lái)控制滅火機(jī)器人智能行為,提出了采用紅外傳感器和超聲波傳感器相結(jié)合來(lái)感知環(huán)境信息,完成障礙物信息的采集,并利用自適應(yīng)加權(quán)融合算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1.1所示。
圖1.1 系統(tǒng)工作原理框圖
(一)超聲波測(cè)距檢測(cè)部分設(shè)計(jì)
超聲波傳感器設(shè)計(jì)中采用超聲波傳感器來(lái)完成測(cè)距任務(wù)。其基本原理是:超聲波探頭發(fā)出超聲波,超聲波到達(dá)被測(cè)物體表面后反射回來(lái),該脈沖信號(hào)又被探頭接受,記錄所需的度越時(shí)間,由介質(zhì)中的聲速和度越時(shí)間即可求得傳感器和目標(biāo)的距離。
(二)紅外避障檢測(cè)部分設(shè)計(jì)
紅外避障傳感器是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器,根據(jù)高頻調(diào)制的紅外線在待測(cè)距離上往返產(chǎn)生的相位移推算出光束度越時(shí)間△t從而根據(jù)DC△t/2計(jì)算出里待測(cè)物體的距離。這里選擇納英特公司的紅外避障傳感器,數(shù)字量輸出,不需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,可直接連接單片機(jī)的IO口。該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn),額定工作電壓為5V,可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場(chǎng)合。
圖2.1 紅外避障傳感器電路模塊引腳圖
如圖所示,本紅外避障傳感器引出三條接口線,分別對(duì)應(yīng)VCC、GND、OUT。它的輸出狀態(tài)是0、1。即遇到障礙物時(shí)為低電平,沒(méi)有遇到障礙物時(shí)為高電平。將超聲波傳感器和紅外傳感器測(cè)得的距離信息和視覺(jué)傳感器獲得的障礙物的信息處理后進(jìn)行分組,用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)避障知識(shí)學(xué)習(xí)后作出相應(yīng)的避障決策,控制機(jī)器人左右輪的運(yùn)動(dòng),避開(kāi)障礙物,防止碰撞。系統(tǒng)控制流程圖及機(jī)器人轉(zhuǎn)向選擇如下圖4.6、4.7所示。
(三)火焰檢測(cè)部分設(shè)計(jì)
火焰?zhèn)鞲衅魇菣C(jī)器人專(zhuān)門(mén)用來(lái)搜尋火源的傳感器。為了對(duì)火焰實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位,我們采用多通道火焰?zhèn)鞲衅?使用多個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鲄f(xié)同感知的辦法,來(lái)判斷火源相對(duì)于機(jī)器人的位置。
在安裝時(shí)考慮檢測(cè)的角度,將傳感器安放在于火焰同高的水平面上。這些火焰?zhèn)鞲衅鞣植荚跈C(jī)器人的傳感器板的正前,正左,正右?;鹪磦鞲衅髂軌蛱綔y(cè)到波長(zhǎng)在700納米-1000納米范圍內(nèi)的紅外光,其中紅外光波長(zhǎng)在880納米附近時(shí)的靈敏度達(dá)到最大。
圖3.2 多通道火焰?zhèn)鞲衅髟韴D
(四)控制主板設(shè)計(jì)
本次滅火機(jī)器人的主機(jī)控制模塊采用32位ARM內(nèi)核的單片機(jī),該控制器存儲(chǔ)容量大、運(yùn)行速度快、外圍接口豐富、穩(wěn)定可靠,支持C語(yǔ)言編程,方便編程。滿足設(shè)計(jì)所需的AD轉(zhuǎn)換、LCD液晶顯示、電機(jī)控制、按鈕控制等要求。該控制器采用3.3V供電,工作電流20mA以下,可謂是低功耗節(jié)能的控制器。為了精確定位機(jī)器人的行走方位,在設(shè)計(jì)時(shí)還安裝了指南針傳感器,方便機(jī)器人方位的確定。主機(jī)控制模塊原理圖如圖3.4所示。
圖3.4 主機(jī)控制模塊原理圖
采用的控制算法主要包括避障算法、障礙物接觸判斷算法和步態(tài)調(diào)整算法。該機(jī)器人能夠嚴(yán)格按三角步態(tài)進(jìn)行行走,實(shí)現(xiàn)諸如直線、轉(zhuǎn)彎、躲避障礙物、檢測(cè)火焰滅火等功能。
(一)家用滅火機(jī)器人系統(tǒng)總體流程
此部分是小車(chē)運(yùn)行的核心部分,控制小車(chē)所有運(yùn)行狀況。系統(tǒng)總體流程是:小車(chē)啟動(dòng)后,由入口進(jìn)入場(chǎng)地,能夠避開(kāi)障礙物前進(jìn),一旦檢測(cè)到有火源,就由單片機(jī)控制啟動(dòng)風(fēng)扇,進(jìn)行滅火。滅火完成后,返回原地。然后繼續(xù)前進(jìn),重復(fù)剛才的過(guò)程,直到小車(chē)達(dá)到出口處才表示結(jié)束本次任務(wù)。在此過(guò)程中,各個(gè)模塊彼此配合完成各自的任務(wù)。
仿真實(shí)驗(yàn)證明,該方法簡(jiǎn)單可行各部分的設(shè)計(jì)以及各傳感器的使用都是經(jīng)過(guò)多次比較多次試驗(yàn)而確定的。歷時(shí)10s內(nèi)完成滅火任務(wù)。設(shè)計(jì)中采用了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核,大大提高了機(jī)器人處理信號(hào)的能力,采用了PWM信號(hào)控制大功率直流電機(jī),在速度和精度方面有了很大的改進(jìn)。多通道外火焰?zhèn)鞲衅鳎芎玫赝瓿闪藢?duì)火源的精確定位任務(wù),提高了滅火可靠性和快速性。
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