DIY一个家庭灭火机器人，附软硬件的系统解决方案

　　1.项目的内容和具体目标等
　　首先我介绍一下机器人产生的背景，机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。
　　另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。
　　那么什么是机器人呢?人们一般的理解来看，机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置，或者叫自动化装置，它仍然是个机器，它有三个特点，一个是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能，还能完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作、工作的对象，和工作的一些要求，它是人造的机器或机械电子装置。
　　随着社会与国家的发展，在经济迅速增长的同时，各种危险场所不可避免的火灾频繁出现，给社会安全造成了很多隐患，于是现代火灾及时补救已成为迫在眉睫需要解决的问题，救火早一刻就少一分损失，消防救援人员固然速度已经很快，但也需要一段不小的时间，而且进入救火现场还有生命危险的可能，于是灭火机器人的理念诞生了，笨设计主要就是针对灭火机器人的制作与研究，小车以AT89S52单片机为控制核心，加以电源电路、电机驱动、光电传感电路、火焰检测电路、灭火风扇以及其它电路构成。电源电路提供系统所需的工作电源，专用电机驱动芯片驱动电机控制小车的前进后退以及转向，光电对管完成寻迹和避障，光敏电阻传感器检测火焰，灭火风扇进行灭火。本设计制作的消防小车具有简易灭火功能，达到了实现现场灭火的目的。
　　通过灭火机器人的设计，我们可以了解机器人灭火任务， 知道简单的程序算法，掌握通过机器人识别白线、机器人检测火焰等方法灭火的方法。 通过制作灭火机器人我们可以弄懂简易灭火机器人的搭建、火焰传感器的使用，知道机器人寻找火源完成简单灭火任务。此外我们可以培养观察能力、动手能力、创造能力，养成良好的思维习惯。通过对光学、计算机科学、机械原理以及美学等的综合运用，提高知识的综合运用。通过竞赛机制，锻炼我们的竞争和合作意识，锻炼学生比赛时的灵活性。最终目标，我们设计出一种快速灭火的机器人，能够有效地消灭火灾，为人们减少火灾损失;为人们生活带来方便。
　　2.研究方法、研究方案及可行性
　　一、硬件
　　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
　　


　　1.1传感器部分
　　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、灰度传感器及相应的信号处理电路。机器人灭火装置是一个风扇,当机器人接近火源时自动打开风扇,吹灭火焰。用LCD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转换送单片机进行处理。另外,一种红外传感器用来探测火源。这种火焰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。灰度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。灰度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。
                               
                　　1.2电源模块
　　采用直流电源，工作电压为20V，可提供40 A的稳定供电电流，是普通电池的lO倍。
　　1.3电机驱动模块
　　机器人在运动过程中需要改变速度和方向.要求电机的驱动器具有良好的电压调整特性。这里采用大功率MOS驱动器，在ll一25 V电压下。可提供20 A的额定电流。此驱动器采用双极性驱动。通过控制PWM的占空比实现电机调速，这样机器人实现动态环境下快速准确达到目标速度川。4路PW信号驱动4台大功率直流电机/控制轮子的转动方向。灭火风扇直流电机由控制器的伺服电机输出端口的信号驱动。
　　1.4其他模块
　　灭火模块主要包括微型电风扇和风扇直流电机。当机器人发现并趋近火源后。控制器启动风扇灭火。
　　为提高比赛成绩。采用声音启动模式，控制器的语音采集端口读取声音信号。当信号值大于某一值。
　　机器人启动。
　　二、软件设计
　　在软件设计上根据实际地图采用左手走规则，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。机器人按如下路线搜索火源：H→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，在三、四号房子灭完火后按左手规则返回，这样设计的目的是为了节省时间。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(流程图略)。启动模块,本模块主要是采用各种不同的方法。(如手动启动或声音启动)让机器人从标有H的白圈出发。
　　搜索火源模块，本模块主要是对每个房间按预定顺序进行搜索，当机器人到达某房间门口时，底部的灰度传感器搜索到门口白线的存在，如果此时火焰传感器检测到的亮度大于某一值(这一值由当时环境与火焰亮度的差值而设定)时，退出该房间继续搜索其余房间，否则，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，当机器人底部的灰度传感器检测到蜡烛外围的白线时，机器人停止前进，打开风，吹灭蜡烛。回家模块，灭火成功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。当进人白圈后,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。
　　三、系统调试
　　系统调试分模块调试和系统总调试两个阶段。首先,分别对四个模块进行检测与调试,期间也遇到很多问题,特别是对搜索火源模块的调试最为重要和繁琐;单个模块调试完毕后,需要根据场地具体情况进行系统总调试,在这个阶段主要是考虑如何在保证灭火成功的情况下缩短灭火所需的时间,以争取更好的成绩。