自動滅火機器人

自動滅火機器人組員：周勝陽1120410104

閻煉1120410102陳立達1120410119小組分工周勝陽：傳感器模塊、ppt制作與講解閻煉：電機驅(qū)動模塊、ppt制作與講解陳立達：風(fēng)扇與報警模塊、控制流程圖自動滅火機器人概述近幾十年中，大量的高層、地下建筑與大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊性，發(fā)生火災(zāi)時，不能快速高效的滅火。為了解決這一問題，盡快救助火災(zāi)中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，消防機器人研究被提到了議事日程。而機器人技術(shù)的發(fā)展也為這一要求的實現(xiàn)提供了技術(shù)上的保證，使得消防機器人應(yīng)運而生。

自動滅火機器人概述

我們希望設(shè)計一款專用于倉庫滅火報警的滅火機器人。該機器人可在啟動后自動尋跡發(fā)現(xiàn)火源，通過風(fēng)扇進行滅火，同時發(fā)出警報。是倉庫火情得以及時控制，將經(jīng)濟及人員損失最小化。目錄1.產(chǎn)品指標(biāo)及要求2.模塊劃分與設(shè)計3.程序流程1.產(chǎn)品指標(biāo)及要求1.最高速度：5m/s2.達到最高速度最低啟動時間：5s3.緊急剎車時間：4s4.最大風(fēng)量：1200m/h5.最大風(fēng)速：49m/sec6.滅火時風(fēng)筒與火焰距離：15cm目錄1.產(chǎn)品指標(biāo)及要求2.模塊劃分與設(shè)計

2.1整體設(shè)計

2.2火焰檢測模塊

2.3尋跡傳感器模塊

2.4火焰測距模塊

2.5避障模塊

2.6報警器模塊

2.7風(fēng)扇驅(qū)動模塊

2.8電機驅(qū)動模塊3.程序流程2.1整體設(shè)計根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、電機及其驅(qū)動模塊、避障傳感器模塊、避障模塊、火焰?zhèn)鞲衅?、火焰測距模塊、滅火系統(tǒng)及其驅(qū)動模塊等模塊構(gòu)成，本系統(tǒng)的方框圖如下2.2火焰檢測模塊方案一：煙霧檢測

火焰產(chǎn)生后會產(chǎn)生煙霧，可以藉由檢測煙

霧間接地檢測火焰。當(dāng)煙霧達到一定濃度

的時候發(fā)出報警信號。2.2火焰檢測模塊方案二：可見光檢測

采用光電二極管作為傳感元件，其光譜響應(yīng)范圍在0.33~0.7微米之間。光電二極管可將可見光信號轉(zhuǎn)化為電流信號。當(dāng)檢測電路檢測其輸入超過閾值時發(fā)出警報。2.2火焰檢測模塊方案三：紫外光檢測

它由紫外光敏探頭和放大器組成直接檢測火焰中180-260nm的紫外光譜，檢測的目標(biāo)也十分明確，響應(yīng)速度也比較快。2.2火焰檢測模塊方案四：紅外光檢測

由熱釋放探頭和放大器組成，直接檢測火焰中波長為4.35±0.15μm的紅外光譜，檢測目標(biāo)比較明確。2.2火焰檢測模塊方案選擇：方案一：煙霧傳感器有明顯的缺陷，第一，并非所有物質(zhì)燃燒都會有煙霧；第二，煙霧檢測的檢測距離很短，必須在煙霧濃度最高的位置，檢測到火焰時已經(jīng)燃燒有一段時間。而對于倉庫而言，內(nèi)部常有大量易燃物堆積，等煙霧傳感器發(fā)現(xiàn)火焰時，火勢可能已經(jīng)蔓延，故不選擇該類型2.2火焰檢測模塊方案選擇：方案二：可見光傳感器容易受環(huán)境（如濕度溫度亮度日光等）影響，且可見光容易被油霧、煙霧及未燃燒的煤粉阻擋和吸收，故不采用該方案。2.2火焰檢測模塊方案選擇：方案三：紫外光傳感器靈敏度差,檢測距離小于15m,易受日光影響。不能抗雷電的干擾,且存在一定的誤報率，故不采取該方案。2.2火焰檢測模塊方案選擇：方案四：紅外光傳感器對聲音與電磁波敏感，使用的地方受到一定的限制，檢測距離小于80m。2.2火焰檢測模塊選擇紅外光檢測器。市面上常見的紅外光檢測器采用紅外接受二極管，紅外接收二極管將外界紅外光的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?，利用LM324或LM393比較器進行電壓比較，后輸出數(shù)字開關(guān)量。探測角度達60度，紅外光波長在940nm近時，其靈敏度最大。2.3尋跡傳感器模塊原理：

紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光在遇到反光性較強的物體(表面為白色或近白色)后被折回,其被光電二極管接收到,引起光電二極管光生電流的增大。將這個變化轉(zhuǎn)為電壓信號,就可以被處理器接收并處理,進而實現(xiàn)對反光性差別較大的2種顏色(如黑白兩色)的識別。2.3尋跡傳感器模塊傳感器選擇：用ST178型紅外對管。ST178為反射取樣式紅外線對管作為核心傳感器件。它采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，以非接觸檢測方式，檢測距離可調(diào)整范圍大，4-10mm可用。同時，ST178型光電對管較為經(jīng)濟。2.4火焰測距模塊原理：超聲波測距利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。測距的公式表示為：L=C×T式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。超聲波測距精度為厘米級，符合設(shè)計要求2.4火焰測距模塊選用HC-SR04超聲波模塊使用電壓：DC---5V

靜態(tài)電流：小于2mA

感應(yīng)角度：不大于15度

探測距離：2cm-450cm

高精度

可達0.2cm

2.5避障模塊方案一：用超聲波傳感器進行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號放大后送入單片機。超聲波傳感器在避障的設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。但超聲波測距無法靠簡單的模擬電路完成，需要使用單片機。2.5避障模塊方案二：用紅外光電開關(guān)ST178進行避障。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據(jù)此做出判斷反應(yīng)，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，當(dāng)檢測到有障礙物的時候，光電對管就能夠接收到物體反射的紅外光，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。2.5避障模塊方案選擇：紅外避障使用得ST178光電對管與火焰檢測模塊相同，使用同種元件可以節(jié)省成本，但是本系統(tǒng)還需要檢測小車與著火點距離。因此小車前方需采用超聲波傳感器，在不滅火時，火焰測距使用的超聲波測距儀將作為避障模塊使用。而小車其他方向則可使用ST178光電對管。2.6報警器模塊報警器模塊采用簡單的蜂鳴器即可實現(xiàn)。如右圖所示，控制信號為“SPEAK”，接至單片機的I/O口。當(dāng)“SPEAK”為高電平時，三極管基級為高電平，此時，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器不工作；當(dāng)“SPEAK”為低電平時，三極管處于放大工作狀態(tài)，驅(qū)動蜂鳴器，開始發(fā)聲，蜂鳴器工作。2.7風(fēng)扇驅(qū)動模塊電路設(shè)計：滅火風(fēng)扇的驅(qū)動電路如下圖所示。其中Port1，Port2分別接到單片機的P0.5、P0.6接口上。單片機輸出Port1，Port2控制信號用以驅(qū)動滅火電機動作。由于選用的是增強型MOS管，所以，當(dāng)Port信號為高時，MOS管在VGS下開始工作，MOS導(dǎo)通，風(fēng)扇開始動作，進行滅火；當(dāng)Port信號為低時，由于增強型MOS管特點，VGS=0時，iD=0。此時，MOS截止，風(fēng)扇不動作。2.7風(fēng)扇驅(qū)動模塊風(fēng)扇參數(shù)：

首先我們參考林用風(fēng)力滅火機經(jīng)咨詢廠家后，我們發(fā)現(xiàn)，只要焰心處風(fēng)速大于32m/s，便可達到滅火效果。2.7風(fēng)扇驅(qū)動模塊為探究風(fēng)速與風(fēng)扇功率關(guān)系，我們詢問了本校來自航院與能源學(xué)院正在做相關(guān)科技創(chuàng)新的幾位同學(xué)，并得到了他們的實驗測試結(jié)果。左圖為使用風(fēng)速為15m/s涵道風(fēng)扇通過不同出風(fēng)口是風(fēng)速與距離關(guān)系圖?？梢钥吹?，在15cm左右時，無論采取什么樣式出風(fēng)口，其風(fēng)速均在32m/s以上。2.7風(fēng)扇驅(qū)動模塊因此，采用半徑70mm，初始風(fēng)速15m/s的涵道風(fēng)扇作為驅(qū)動。2.8電機驅(qū)動模塊電機選擇步進電機由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)機器人前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于機器人等有一定速度要求的系統(tǒng)。

直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。

舵機，顧名思義是控制舵面的電動機。舵機的出現(xiàn)最早是作為遙控模型控制舵面、油門等機構(gòu)的動力來源，但是由于舵機具有很多優(yōu)秀的特性，在制作機器人時也時常能看到它的應(yīng)用。舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍一般不能超過180

度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動當(dāng)中。比方說機器人的關(guān)節(jié)、飛機的舵面等。2.8電機驅(qū)動模塊直流電機能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，機械特性簡單，線性，易于調(diào)試，并且若用交流電機還得另配逆變器增加成本而且效果并不比直接用直流電機好，因此我們選擇以直流電機做為機器人行進驅(qū)動電機。2.8電機驅(qū)動模塊直流電機初選方案一：無刷直流電機無刷直流電機是一種自控變頻的永磁同步電機，就其基本組成結(jié)構(gòu)而言，可以認為是由電機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)電路三部分組成的系統(tǒng)。定子由硅鋼片疊壓和軸向沖壓而成，轉(zhuǎn)子NS極交替排列在轉(zhuǎn)子周圍；電樞繞組放在定子上，磁極在轉(zhuǎn)子上，這就使得轉(zhuǎn)動部分簡單，并可減小轉(zhuǎn)動慣量。這種電動機既具有直流電機的特性，又具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點；不過需要配置相應(yīng)的控制器2.8電機驅(qū)動模塊方案二：單相串勵有刷電機單相串勵電機由電刷換向器，勵磁繞組和電樞繞組串接而成。勵磁繞組與電樞繞組串接，電樞電流與勵磁磁場產(chǎn)生電磁力矩帶動負載旋轉(zhuǎn)。單相串勵電機的優(yōu)點是轉(zhuǎn)速高，體積小，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍較寬，調(diào)速方便，效率較高。但是其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)子電流需要經(jīng)過換向器和電刷來進行機械式換向，噪聲很大。換向器和電刷間的滑動摩擦容易產(chǎn)生機械磨損、噪聲、火花以及電磁干擾，使得電機可靠性降低、壽命變短。2.8電機驅(qū)動模塊方案三：開關(guān)磁阻電機開關(guān)磁阻電機的結(jié)構(gòu)特殊，它由電動機本體，轉(zhuǎn)子位置檢測器，功率變換器和控制單元組成，其實質(zhì)是一個可調(diào)速的驅(qū)動系統(tǒng)。其定子和轉(zhuǎn)子雙邊均有開口槽，定轉(zhuǎn)子鐵心由硅鋼片疊成，定子上裝有不同位置的多相集中繞組，每相繞組由相對的兩個定子齒上兩組線圈串聯(lián)而成，轉(zhuǎn)子上沒有繞組。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，但是存在轉(zhuǎn)矩波動，而且噪聲較大。目前國內(nèi)實用的磁阻電機屬于初級階段，部分產(chǎn)品控制相對粗獷，電機的響應(yīng)速度慢、運行速度低的情況下脈動大，難以實現(xiàn)較高的控制精度。2.8電機驅(qū)動模塊項目無刷直流電機開關(guān)磁阻電機單相串勵電機轉(zhuǎn)速高高較高體積小小小啟動轉(zhuǎn)矩大大大調(diào)速范圍寬寬較寬效率高較高較高工藝復(fù)雜不太成熟復(fù)雜成本較高較低低換向位置傳感器換向位置傳感器換向電刷換向器維護簡單簡單定期維護，麻煩壽命較長較長較短噪音小大大轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩特性平坦——在負載額定的條件下，可在所有轉(zhuǎn)速下正常工作波動較大，響應(yīng)速度慢、低速下的脈動大，難以實現(xiàn)較高的控制精度。存在波動——轉(zhuǎn)速較高時，電刷摩擦增加，因此減少了有用轉(zhuǎn)矩輸出功率高高中等偏低散熱好（轉(zhuǎn)子在外）好（轉(zhuǎn)子在外）差（轉(zhuǎn)子在里面）電子干擾低低電刷產(chǎn)生的電弧會對附近設(shè)備造成電磁干擾控制要求需要控制器，同時可使用這一控制器控制轉(zhuǎn)速需要控制器很好的配合固定轉(zhuǎn)速不需要控制器，只有需要改變轉(zhuǎn)速時才需要控制器2.8電機驅(qū)動模塊通過以上各個電機的特點的對比，可以看出開關(guān)磁阻式電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且轉(zhuǎn)矩波動大，而且國內(nèi)制造工藝還不太成熟，而且噪音大；單相串勵電機的維護過于繁雜，而且大多用于小功率。綜上比較，我們決定采用直流無刷電機，它效率高，控制特性好，而且技術(shù)也比較成熟。2.8電機驅(qū)動模塊

設(shè)計性能指標(biāo)、環(huán)境參數(shù)、及其他與估值:總質(zhì)量30kg輪胎與地面滾動摩擦系數(shù)0.02輪胎與地面滑動摩擦系數(shù)0.6車輪質(zhì)量200g行進速度5m/s車輪半徑5cm2.8電機驅(qū)動模塊參數(shù)計算公式計算結(jié)果：轉(zhuǎn)速1014r/min額定功率36.7W額定轉(zhuǎn)矩0.4N·m2.8電機驅(qū)動模塊型號57BL55S02-212TF057BL55S06-230TF057BL95S06-210TF057BL90S10-320TF0額定電壓24242436額定功率22606060額定轉(zhuǎn)速1200300010002000額定轉(zhuǎn)矩0.150.180.60.6額定電流1.23.23.33.3空載電流0.10.10.20.5空載轉(zhuǎn)速30