灭火机器人课程设计报告

处京理工丸学

智能机器人课程设计

设计题目：灭火智能机器人的设计和实现

目录

第1章机器人系统总体方案设计 (3)

1.1设计目标........................................................ 3.

1.2机器人功能设计及指标要求 (3)

1.3机器人系统总体结构设计.......................................... 4.第2章机器人系统硬件详细方案设计 (5)

2.1传感器选型...................................................... 5.

2.1.1超声波测距传感器......................................... 5.

2.1.2红外避障传感器........................................... 5.

2.1.3火焰传感器................................................ 5.

2.2机器人系统硬件连接图 (6)

2.2.1 STM32单片机最小系统.................................... 6.

2.2.2电源模块................................................. 7.

2.2.3红外避障传感器............................................ 7.

2.2.4超声波测距传感器.......................................... 8.

2.2.5火焰传感器................................................ 8.

2.2.6电机驱动模块.............................................. 8.第3章机器人系统软件详细方案设计 (9)

3.1主函数......................................................... .9..

3.2超声波测距程序 (10)

3.3红外避障引脚设置程序 (12)

3.4电机驱动程序................................................... 1.2

3.5火焰检测程序................................................... 1.2第4章机器人系统开发调试步骤........................................... 1.3

4.1传感器选型和引脚分配.......................................... 1.3

4.2传感器独立测试 (13)

4.2.1超声波测距传感器测试..................................... 1.3

4.2.2红外避障传感器测试...................................... 1.3

4.2.3火焰传感器测试 (13)

4.3电机独立测试................................................... 1.4

4.4综合测试....................................................... 1.4第5章实验中遇到的故障及解决方法...................................... 1.5第6章收获与体会....................................................... 1.6

第1章机器人系统总体方案设计

1.1设计目标

本次课程设计的目标是：在一辆两驱智能小车的基础上，搭载各种传感器，

设计出一款具有自动避障和搜寻火点功能的智能机器人，可以完成简易的灭火功

能。设定的实验环境为带有隔板障碍的4*4方格迷宫，如图1-1所示。起火点随机放置在其中一个方格中。机器人需要从起点开始搜寻火点，躲避障碍，最终靠

图1-1机器人灭火场地布局图

本课设旨在通过一类典型智能机器人的设计、调试，掌握各环节和整个智能机器人系统的调试步骤与方法，加强基本技能训练，培养灵活运用所学理论解决控制系统中各种实际问题的能力。

1.2机器人功能设计及指标要求

该智能机器人系统的主要功能包括：可以检测周围环境并发现障碍；可以灵活前后行进、停止和转向；可以根据障碍位置做出避障决策；可以准确搜寻到火焰位置并在火焰面前停止并进行灭火等。由于实验环境设定为方格迷宫，所以机器人的路径规划可以转化为迷宫的遍历问题，而且转向角度简化为90°和180° 的组合问题。

整个搜寻过程中，小车尽量不碰撞到障碍物和墙壁，且从出发到找到火点的时间应在3分钟内。在成功灭火后可以继续进行其他火源的搜寻，即可以连续完成多点灭火。

1.3机器人系统总体结构设计

本智能机器人系统的结构分为控制器（STM32单片机）、超声波测距传感器、红外避障传感器、火焰传感器、电源模块、电机驱动模块及直流电机等模块，总体结构框图见图1-2。

图1-2总体系统框图

控制器采用STM32单片机，负责传感器数据的采集和电机等执行元件的控制，同时进行避障决策，对小车的运行方式和运行轨迹给出整体规划。

超声波测距传感器和红外避障传感器相互协调，负责小车周围障碍物的探知。主要负责探测小车的前、左、右三个方向是否有挡板遮挡，以及对小车的路径偏移进行纠正。

火焰传感器可以测量到传感器距离火焰的距离，可以用作起火点搜寻的依据。

电机驱动模块负责左右两轮电机的分别控制，可以实现电机的正反转和调速，从而完成小车的启停和转向。

电源模块负责给单片机和各传感器及电机驱动模块供电。

灭火设备可以选用风扇或者水泵等，依据实验室已有资源确定。

第2章机器人系统硬件详细方案设计

2.1传感器选型

2.1.1超声波测距传感器

超声波传感器包括超声波发射器、接收器与控制电路，主要用于距离检测，可测

量2cm-400cm的非接触式距离，测距精度可达高到3mm。其测距原理为利用单片机引脚触发超声波发射器发送超声波，超声波在有阻挡的情况下，反射回

超声波接收器，利用单片机中的计数器计算从发射到接收回波所用的时间，再将时间通过一定的换算转换为以厘米或者毫米为单位的距离值。

本机器人系统使用1个超声测距传感器，安装在小车正前方，用于检测小车正前方是否有挡板障碍。该传感器为HC-SR04具有Vcc Trig Echo Gnd四个引脚。2.1.2红外避障传感器

红外避障传感器利用物体的反射性质，具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，随着传播距离变远而逐渐减弱，最后消失；如果有障碍物（反射面），红外线遇到障碍物（反射面），被反射到后由接收管接收；传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物。经过电路处理后，信号输出接口输出数字信号，送给单片机。

本机器人系统共使用4个红外避障传感器。传感器感应障碍物的距离阈值可以通过调节传感器上的变阻器来改变。安装在小车左方和右方的传感器检测距离较大，用来检测正左正右侧是否有挡板障碍。由于直行时小车左右轮速不能做到完全一致，所以会出现偏离路径的情况，因此我们又加入了安装在小车左前方和左后方的2个传感器。这2个传感器检测距离较小，用于检测小车直行时的偏移，对路线进行校正。所用红外传感器有Vcc. Gnd、Out三个引脚。

2.1.3火焰传感器

能够探测到波长在700纳米?1000纳米范围内的红外光，探测角度为60, 其中红外光波长在880纳米附近时，其灵敏度达到最大。远红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映为数字量数值的变

化。外界红外光越强，即距离火焰越近，贝擞值越大；红外光越弱，即距离火焰 越远，则数值越小。

由于实验环境为方格迷宫，火焰相对于机器人的方向较为固定， 所以为了简 化控制，本机器人系统使用1个火焰传感器，安装小车正前方。如果是更加广阔 的搜索空间，则可以使用2个甚至更多的火焰传感器放在小车的左右两侧， 采用 差分方式判断火焰传感器相对于小车的方向角。所用火焰传感器有 Vcc Gnd 、 Out 三个引脚。

2.2机器人系统硬件连接图

智能机器人的控制核心为 STM32F103RBT 弹片机，同时底板上设置了多种 传感器模块和通信模块的接口。下面按照模块划分，简要介绍一下本机器人系统 主要用到的各部分的硬件设计电路。

2.2.1 STM32单片机最小系统

图2-1单片机最小系统电路图

单片机最小系统电路包括 STM32F103RBT 弹片机、复位电路、时钟电路和 一些特殊引脚的设置等。

此外，在使用该单片机时应注意 BOOT0引脚的设置，下载代码时应设置

BOOT0为1,运行代码时应设置 BOOT0为0。这里的设计是用跳线帽使 BOOT0 与高低电平相连，使用时切记使 BOOT 0的跳线帽处在正确的位置上。 I Lift T 申IU3 E H

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电源电压输入后经滤波、稳压等处理后，得到 5V 电源。可供使用5V 电源 的外设使用。

之后经过AMS1086-3.3电压转换芯片后输出3.3V 电压，可供单片机和使用

3.3V 电源的外设使用。为了方便供电使用，电源模块还引出了

3.3V 的排阵。

2.2.3红外避障传感器 n FBK

PA15

/A1Z

PAII

FA3

1

J leader 6

图2-3红外避障传感器接口 避障传感器的接口为原理图中的 P15排针。本系统使用了 4个红外避障传感 器，避障信号输出引脚由PB8 PA15 PA12 PA11四个引脚接收。

图2-2 222电源模块

HM1

5lf )R

电源模块电路图