1 引言
機(jī)器人競賽是近年來迅速開展起來的一種對抗活動，它涉及人工智能、機(jī)械、電子、傳感器、精密機(jī)械等諸多領(lǐng)域。通過競賽可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、動手能力、團(tuán)隊寫作能力等。其中滅火比賽是開展范圍最廣、影響最大的機(jī)器人競賽項目之一。
比賽規(guī)則為模仿生活中消防員滅火，機(jī)器人從H點(diǎn)出發(fā)，在四個房間內(nèi)尋找任意擺放的蠟燭，并且設(shè)法將其滅掉。比賽場地的墻壁高33cm，材質(zhì)為木板，顏色為黑色。尺寸如圖1所示。對于比賽，得的分越低成績越好。另外根據(jù)選擇的模式不同，計分時要乘上相應(yīng)的系數(shù)。
圖1比賽場地平面結(jié)構(gòu)
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計
系統(tǒng)以ATmega32單片機(jī)為核心，它是一種基于增強(qiáng)RISC結(jié)構(gòu)的、低功耗的8位單片機(jī)。其特點(diǎn)為：①片內(nèi)具有32K字節(jié)的可編程Flash；2K字節(jié)的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器；1024個字節(jié)片內(nèi)在線可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲器。②片內(nèi)含JTAG接口。③外圍接口。兩個帶有分別獨(dú)立、可設(shè)置預(yù)分頻器的8位定時器/計數(shù)器；一個16位定時器/計數(shù)器；四個通道的PWM輸出；8路10位ADC；32個可編程的I/O口。④低功耗，最高工作頻率為16MHz。
根據(jù)滅火比賽的規(guī)則要求，配以碰撞傳感器、灰度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱图t外傳感器。通過兩路PWM控制兩只電機(jī)以驅(qū)動滅火機(jī)器人，另外一路滅火電機(jī)由I/O口通過光電耦合器直接驅(qū)動。
圖2系統(tǒng)總體框圖
2.2 系統(tǒng)電源部分
系統(tǒng)采用單電源供電電路時比較簡單，但是考慮到電動機(jī)起動瞬間電流很大，會造成電源電壓不穩(wěn)，影響單片機(jī)和輸入電路工作的穩(wěn)定性和可靠性，因此采用雙電源供電方案。將電機(jī)電源和單片機(jī)電源完全隔離。單片機(jī)以及傳感器電路使用8V供電，電動機(jī)使用12V供電。提高電動機(jī)的供電電壓，可以提高機(jī)器人的運(yùn)行速度，從而可以提高滅火的成績。
2.3 電機(jī)驅(qū)動部分
機(jī)器人需要控制在一個合適的速度行駛，在滅火的過程中既要以較快的速度找到火源，又要防止因為碰撞而影響比賽的成績。小車的速度是由兩只直流電機(jī)控制。L298驅(qū)動芯片是性能優(yōu)越的小型直流電機(jī)驅(qū)動芯片之一。它可被用來驅(qū)動兩個直流電機(jī)或者是雙極性步進(jìn)電機(jī)。在6—46V的電壓下，可以提供2A的額定電流。L298還有過熱自動關(guān)斷功能，并有反饋電流檢測功能。為保證L298正常工作，建議加裝片外續(xù)流二極管。由ATmega32單片機(jī)直接輸出兩路PWM驅(qū)動L298N。改變PWM調(diào)制脈沖占空比，可以實現(xiàn)精確調(diào)速。脈沖頻率對電機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差；脈沖頻率低則反之。通過PD2和PD3兩根I/O口線來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。
圖3單片機(jī)電源電路
圖4電機(jī)驅(qū)動電路
2.4 傳感器部分
滅火比賽需要機(jī)器人在盡量不碰撞墻壁的基礎(chǔ)上盡可能快地找到蠟燭并將火滅掉。在完成任務(wù)的過程中首先需要不碰撞墻壁，然后需要判斷前方是否有火焰。在找到火焰后需要判斷蠟燭旁邊的白線。如果碰撞墻壁的話，需要機(jī)器人能檢測出來并進(jìn)行處理，不然就會發(fā)生機(jī)器人卡死的情況，那就不能完成任何任務(wù)。
圖5紅外傳感器電路
圖5所示為紅外傳感器的發(fā)射和接收電路。紅外射管采用脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動，工作在38KHz的頻率下，減少發(fā)射電路的功耗。脈沖發(fā)生器由NE555構(gòu)成，通過外部的電位器R1來調(diào)節(jié)占空比和脈沖頻率，由于紅外肉眼不可見，所以電路中加入一個LED指示燈來指示紅外發(fā)射管是否在工作。該LED和紅外發(fā)射管串聯(lián)，當(dāng)紅外發(fā)射管正常工作時，該LED燈會點(diǎn)亮。接收電路采用西門子公司生產(chǎn)的紅外專用集成接收芯片SFH506-38，它只有接收到38KHZ的脈沖波時才會作用。它內(nèi)部集成了選項、濾波、放大電路，對外只有3個引腳：①腳為信號輸出端；②腳為接地端；③腳為電源端，所以使用起來非常方便，效果比較理想。
圖6灰度傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?/p>
灰度傳感器是模擬傳感器，有一只發(fā)光二極管和一只光敏電阻，安裝在同一面上?；叶葌鞲衅骼貌煌伾臋z測面對光的反射程度不同，光敏電阻對不同檢測面返回的光其阻值也不同的原理進(jìn)行顏色深淺檢測。
火焰?zhèn)鞲衅魇悄M傳感器。它利用紅外敏感型元件對紅外信號強(qiáng)度的檢測并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可以識別的信號，從而來檢測火焰信號?；鹧?zhèn)鞲衅骺梢杂脕硖綔y波長在700nm~1000nm范圍內(nèi)的紅外線，探測角度為60º；，其中紅外線波長在880nm附近時，其靈敏度達(dá)到最大。
碰撞傳感器使用碰撞開關(guān)，通過I/O口可直接作為數(shù)字量輸入。
2.5 LCD顯示及其它電路
液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。這里采用2行16個字的DM-162液晶模塊，通過與單片機(jī)連接、編程，完成顯示功能。
圖7其它電路
3 滅火機(jī)器人軟件設(shè)計
場地的四個房間內(nèi)的任何地方都有可能擺放蠟燭，所以機(jī)器人必須能夠?qū)崿F(xiàn)搜索所有的房間，而且在行走的過程中不允許碰撞墻壁。找到火源后，通過滅火裝置迅速將火滅掉。根據(jù)以上的要求設(shè)計機(jī)器人的滅火邏輯如圖8所示。
圖8滅火邏輯
機(jī)器人采用左手走規(guī)則，左手走規(guī)則是指機(jī)器人始終沿著左面的墻壁行走，一直走完全程。在行走的過程中按照起點(diǎn)、一號房間、二號房間、三號房間、四號房間的順序搜索火源并滅火。機(jī)器人首先讀取傳感器信息，然后對傳感器的信息進(jìn)行判斷。如果發(fā)現(xiàn)火源，則進(jìn)入滅火子程序，該子程序完成趨光、滅火等功能。
4 結(jié)論
本文根據(jù)滅火比賽規(guī)則的要求，基于單片機(jī)及傳感器原理，以AVR單片機(jī)ATmega32為控制核心，小型直流電機(jī)作為驅(qū)動元件，設(shè)計出一種價格低廉、簡單實用的滅火機(jī)器人。通過簡單的修改，可以將此機(jī)器人用于其它的競賽項目。