ch08綜合比賽項(xiàng)目-“機(jī)器人智能消防”比賽

綜合比賽項(xiàng)目——“機(jī)器人智能消防”比賽新工科建設(shè)之路·機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用系列應(yīng)用型人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)機(jī)器人制作與開發(fā)(單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用)(第2版)第八章01確定完成比賽所需的傳感器和滅火裝置“機(jī)器人智能消防”的比賽場地與“機(jī)器人高鐵游中國”場地完全不同，循線傳感器無法使用。滅火機(jī)器人要在地面沒有引導(dǎo)線且類似走廊的狹窄空間中行走，最簡單的方法是采用測距傳感器，讓機(jī)器人知道自己與周圍障礙物的距離，通過這些距離來判斷自身所處位置，并決定運(yùn)動的策略，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。最簡單也最容易獲得的測距傳感器是超聲波傳感器。超聲波傳感器通過測量機(jī)器人與周圍物體（如墻壁）的距離來引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動。確定完成比賽所需的傳感器和滅火裝置確定完成比賽所需的傳感器和滅火裝置本任務(wù)使用的超聲波傳感器的實(shí)物圖如圖8.2所示。它有一個(gè)發(fā)射頭和一個(gè)接收頭，并有1個(gè)4Pin的接口，可以方便地安裝到教學(xué)機(jī)器人的面包板上，與單片機(jī)的端口連接。該傳感器可進(jìn)行精確、非接觸式的距離測量，測量范圍為2cm~5m，測量精度為3mm。確定完成比賽所需的傳感器和滅火裝置確定完成比賽所需的傳感器和滅火裝置超聲波傳感器的4Pin接口引腳從左到右的詳細(xì)定義如表8.1所示。該超聲波傳感器在與單片機(jī)連接時(shí)需要兩個(gè)端口來控制傳感器工作，其工作原理是：單片機(jī)控制超聲波發(fā)射頭向前方空間內(nèi)發(fā)射一束超聲波信號，遇到障礙物后返回，超聲波接收頭在接收到返回的超聲波信號后立即通過接收端給單片機(jī)一個(gè)信號。單片機(jī)根據(jù)返回的超聲波信號時(shí)刻與發(fā)射超聲波信號時(shí)刻的時(shí)間差計(jì)算出障礙物與超聲波傳感器的距離。確定完成比賽所需的傳感器和滅火裝置確定完成比賽所需的傳感器和滅火裝置超聲波傳感器的工作原理示意圖如圖8.3所示。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)房間后，需要檢測房間內(nèi)是否有火源，可以用一種遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鱽斫鉀Q。DM-FIR-FS遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅骺梢杂脕硖綔y火源或其他一些波長在760~1100nm范圍內(nèi)的熱源。確定完成比賽所需的傳感器和滅火裝置確定完成比賽所需的傳感器和滅火裝置其正、反兩面的實(shí)物圖如圖8.4所示。火焰?zhèn)鞲衅魇褂梅浅：唵?。在使用時(shí)，Vcc接5V電源，GND接地，并將SIG1、SIG2接單片機(jī)I/O端口，SIG1、SIG2輸出0~5V的電壓信號。通過單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器采集讀取兩路模擬信號得到自身與火焰的距離，距離近則輸出電壓低，距離遠(yuǎn)則輸出電壓高。如果沒有A/D轉(zhuǎn)換器采集，端口直接獲得0和1的數(shù)字信號，0表示前方有火焰，1表示前方?jīng)]有火焰。確定完成比賽所需的傳感器和滅火裝置確定完成比賽所需的傳感器和滅火裝置圖8.5所示的滅火裝置套件。由1個(gè)高速直流電機(jī)、1個(gè)風(fēng)扇、一些安裝和固定用的配件及1個(gè)型號為DM-S10051的傳感器開關(guān)組成。傳感器開關(guān)用單片機(jī)的端口輸出信號來控制滅火電機(jī)的啟動和停止，高速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動需要較大的電流，單片機(jī)的端口無法直接提供，必須通過傳感器開關(guān)由電源直接提供。確定完成比賽所需的傳感器和滅火裝置傳感器開關(guān)在與傳感器相連并控制其電源通斷時(shí)，J1口的SIG接單片機(jī)與傳感器通信的I/O口，SEL接單片機(jī)電源通斷控制信號，Vcc接5V電源，GND接地。J2口的SIG接傳感器輸出信號，Vcc接傳感器電源，GND接傳感器GND。即傳感器接J2囗，單片機(jī)接J1口。傳感器開關(guān)在與單純用電模塊連接，如連接滅火風(fēng)扇控制其電源通斷時(shí)，J1口的SEL接單片機(jī)，以控制電源通斷信號I/O，Vcc接5V電源，GND接地。J2口的Vcc接滅火風(fēng)扇Vcc，GND接滅火風(fēng)扇GND，SIG懸空。確定完成比賽所需的傳感器和滅火裝置02確定超聲波傳感器連接端口和編寫測距函數(shù)滅火機(jī)器人至少需要3個(gè)超聲波傳感器才能完成基本的導(dǎo)航任務(wù)，3個(gè)傳感器分別安裝在機(jī)器人的前方、左側(cè)和右側(cè)。在編寫導(dǎo)航程序前，必須確定3個(gè)超聲波傳感器與單片機(jī)的連接端口，并據(jù)此編寫超聲波測距函數(shù)。確定超聲波傳感器連接端口和編寫測距函數(shù)1個(gè)超聲波傳感器要用到兩個(gè)單片機(jī)端口，3個(gè)超聲波傳感器就要用到6個(gè)單片機(jī)端口。采用C語言的宏定義將每個(gè)傳感器的引腳與單片機(jī)的端口引腳關(guān)聯(lián)起來，并據(jù)此完成傳感器與單片機(jī)的物理連接，代碼如下。確定超聲波傳感器連接端口和編寫測距函數(shù)確定超聲波傳感器連接端口和編寫測距函數(shù)要實(shí)現(xiàn)超聲波測距功能，需要用到單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能，通過計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間的測量。這里對該功能的設(shè)置和實(shí)現(xiàn)不做詳細(xì)講解，只給出具體的實(shí)現(xiàn)代碼。AT89S52單片機(jī)有兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器--T0和T1，這里使用T0。在使用之前必須對定時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化，設(shè)置其工作方式為計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)器清零，代碼如下。確定超聲波傳感器連接端口和編寫測距函數(shù)確定超聲波傳感器連接端口和編寫測距函數(shù)根據(jù)超聲波測距原理編寫超聲波測距函數(shù)?？梢詾?個(gè)超聲波傳感器各編寫1個(gè)測距函數(shù)，也可以只編寫1個(gè)函數(shù)，用1個(gè)形式參數(shù)決定在每次調(diào)用時(shí)使用哪個(gè)傳感器，函數(shù)返回傳感器測得的距離，單位為mm，代碼如下。確定超聲波傳感器連接端口和編寫測距函數(shù)確定超聲波傳感器連接端口和編寫測距函數(shù)確定超聲波傳感器連接端口和編寫測距函數(shù)確定超聲波傳感器連接端口和編寫測距函數(shù)該你了①按照任務(wù)8.2的接線定義，利用塊擴(kuò)展學(xué)習(xí)板將3個(gè)超聲波傳感器分別安裝到滅火機(jī)器人上，并用杜邦線和跳線同單片機(jī)的相應(yīng)引腳連接起來。②利用上面編寫的超聲波測距函數(shù)，編寫主控測試程序，測試3個(gè)超聲波傳感器是否正常工作。確定超聲波傳感器連接端口和編寫測距函數(shù)03安裝火焰?zhèn)鞲衅骱蜏缁痫L(fēng)扇，編寫尋找火源和滅火程序遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅饔袃蓚€(gè)信號輸出端口，傳感器開關(guān)需要1個(gè)端口控制滅火風(fēng)扇的啟停，所以共需要3個(gè)單片機(jī)端口來檢測火焰?zhèn)鞲衅餍畔⒉⒖刂茰缁痫L(fēng)扇的啟停。采用C語言的宏定義將火焰?zhèn)鞲衅鞯慕涌谝_、傳感器開關(guān)的控制引腳與單片機(jī)的端口引腳關(guān)聯(lián)起來，并據(jù)此完成與單片機(jī)的物理連接，代碼如下。安裝火焰?zhèn)鞲衅骱蜏缁痫L(fēng)扇，編寫尋找火源和滅火程序安裝火焰?zhèn)鞲衅骱蜏缁痫L(fēng)扇，編寫尋找火源和滅火程序只有當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鞯膬蓚€(gè)引腳都輸出低電平時(shí)，才能確認(rèn)在機(jī)器人的正前方有火源存在，此時(shí)才可以啟動滅火電機(jī)進(jìn)行滅火，即給MSel引腳輸出高電平，啟動滅火電機(jī)。安裝火焰?zhèn)鞲衅骱蜏缁痫L(fēng)扇，編寫尋找火源和滅火程序以上滅火子函數(shù)讓機(jī)器人停在原地，直到火焰熄滅。如果機(jī)器人離火焰較遠(yuǎn)，吹不滅火焰，那么機(jī)器人就永遠(yuǎn)出不來了。安裝火焰?zhèn)鞲衅骱蜏缁痫L(fēng)扇，編寫尋找火源和滅火程序一種簡單的解決辦法是：讓滅火風(fēng)扇工作幾秒（具體多少秒，可以通過實(shí)際測試確定），然后看看火焰有沒有熄滅，如果沒有，讓機(jī)器人前進(jìn)幾步（具體前進(jìn)多少步，同樣可以通過實(shí)際測試確定），再等待幾秒，如此循環(huán)，直到火焰熄滅。安裝火焰?zhèn)鞲衅骱蜏缁痫L(fēng)扇，編寫尋找火源和滅火程序機(jī)器人在進(jìn)入房間后如何尋找火源呢？最簡單的辦法是根據(jù)機(jī)器人進(jìn)入房間的位置緩慢旋轉(zhuǎn)尋找火源。為了提高效率，編寫一個(gè)帶旋轉(zhuǎn)方向參數(shù)的函數(shù)來搜索火焰。為了簡便，用宏定義簡化兩種無符號數(shù)據(jù)類型的定義。安裝火焰?zhèn)鞲衅骱蜏缁痫L(fēng)扇，編寫尋找火源和滅火程序安裝火焰?zhèn)鞲衅骱蜏缁痫L(fēng)扇，編寫尋找火源和滅火程序該你了①按照任務(wù)8.3的接線定義，將火焰?zhèn)鞲衅?、傳感器開關(guān)和滅火風(fēng)扇安裝到滅火機(jī)器人上，并用杜邦線和跳線同單片機(jī)的相應(yīng)引腳連接起來。②利用上面編寫的滅火子函數(shù)，編寫主控測試程序，測試火焰?zhèn)鞲衅骱蜏缁痫L(fēng)扇是否正常工作。安裝火焰?zhèn)鞲衅骱蜏缁痫L(fēng)扇，編寫尋找火源和滅火程序該你了③如果上面的滅火子函數(shù)不能將火焰熄滅，按照上面的提示改寫子函數(shù)，讓其能夠?qū)⒒鹧嫦?。④解釋一下為什么搜索火源的函?shù)能夠搜索到火源？安裝火焰?zhèn)鞲衅骱蜏缁痫L(fēng)扇，編寫尋找火源和滅火程序04“機(jī)器人智能消防”程序設(shè)計(jì)有了超聲波傳感器提供的距離信息，機(jī)器人可以確定自己當(dāng)前所處的位置，一種簡單的判斷方法如下。①若前方的距離小于一個(gè)設(shè)定的距離閾值，而左右兩側(cè)的距離大于閾值，則機(jī)器人位于一個(gè)丁字路口，可以左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)。②若前方的距離大于一個(gè)設(shè)定的距離閾值，而左右兩側(cè)的距離小于閾值，則機(jī)器人位于走廊中間，只能直行。“機(jī)器人智能消防”程序設(shè)計(jì)③若前方和左側(cè)的距離小于一個(gè)設(shè)定的距離閾值，而右側(cè)的距離大于閾值，則機(jī)器人位于一個(gè)右轉(zhuǎn)路口，只能右轉(zhuǎn)。④若前方和右側(cè)的距離小于一個(gè)設(shè)定的距離閾值，而左側(cè)的距離大于閾值，則機(jī)器人位于一個(gè)左轉(zhuǎn)路口，只能左轉(zhuǎn)。⑤若三個(gè)方向的距離都小于一個(gè)設(shè)定的距離閾值，則機(jī)器人位于一個(gè)死胡同，只能掉頭?！皺C(jī)器人智能消防”程序設(shè)計(jì)⑥若三個(gè)方向的距離都大于一個(gè)設(shè)定的距離閾值，則機(jī)器人位于一個(gè)十字路口，既可以直行，又可以左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)。⑦若前方和左側(cè)的距離大于一個(gè)設(shè)定的距離閾值，而右側(cè)的距離小于閾值，則機(jī)器人位于一個(gè)路口，可以前進(jìn)或者左轉(zhuǎn)。⑧若前方和右側(cè)的距離大于一個(gè)設(shè)定的距離閾值，而左側(cè)的距離小于閾值，則機(jī)器人位于一個(gè)路口，可以前進(jìn)或者右轉(zhuǎn)?！皺C(jī)器人智能消防”程序設(shè)計(jì)通過閾值的設(shè)定，將3個(gè)超聲波傳感器的信息轉(zhuǎn)換為兩種狀態(tài)信息，可以判斷出8種路口狀況。閾值數(shù)據(jù)具體取多大，要根據(jù)實(shí)際的場地測試而定。機(jī)器人導(dǎo)航的一種最基本的運(yùn)動策略是沿著墻壁行走。例如，小車一直沿右墻行走，根據(jù)超聲波傳感器提供的信息確定遇到路口的類型，決定機(jī)器人的運(yùn)動方向。在某些情況下，還要根據(jù)機(jī)器人所處的位置修改機(jī)器人的前進(jìn)方向，如當(dāng)處于十字路口時(shí)，可能讓機(jī)器人不再沿墻行走，而是直行穿過路口，此時(shí)要讓它直走一段路程，在過了路口后重新沿壁檢測下一個(gè)房間?！皺C(jī)器人智能消防”程序設(shè)計(jì)把場地內(nèi)最小的房間定為1號，按逆時(shí)針方向，其他房間依次設(shè)為2、3、4號。根據(jù)比賽要求，把每兩個(gè)房間有火源的6種可能組合設(shè)定為6種滅火模式，用一個(gè)模式變量進(jìn)行切換。“機(jī)器人智能消防”程序設(shè)計(jì)模式1：從起始點(diǎn)出發(fā)，從1號房間起依次搜尋每個(gè)房間的火源，當(dāng)滅完兩根蠟燭后，就不再尋找其他房間，直接回到起始點(diǎn)，這個(gè)模式適用于蠟燭在1、2號房間的情況。模式2：蠟燭在1、3號房間，從起始點(diǎn)到1、3號房間滅火，滅完后回到起始點(diǎn)。模式3：蠟燭在1、4號房間，直接到1、4號房間滅火，滅完后回到起始點(diǎn)?！皺C(jī)器人智能消防”程序設(shè)計(jì)模式4：蠟燭在2、3號房間，直接到2、3號房間滅火，滅完后回到起始點(diǎn)。模式5：蠟燭在2、4號房間，直接到2、4號房間滅火，滅完后回到起始點(diǎn)。模式6：蠟燭在3、4號房間，直接到3、4號房間滅火，滅完后回到起始點(diǎn)。“機(jī)器人智能消防”程序設(shè)計(jì)經(jīng)過對比賽場地和任務(wù)組合的分析，不同的模式需要選擇不同的運(yùn)動策略對機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航，以便機(jī)器人能夠用最少的時(shí)間完成滅火任務(wù)。模式1讓機(jī)器人一直沿右墻走，當(dāng)前方遇到障礙物時(shí)就左轉(zhuǎn)90°，遇到路口，向右轉(zhuǎn)90°，在進(jìn)入房間1后繼續(xù)沿右墻行走搜索火源，滅火。在火焰熄滅后掉頭，機(jī)器人改沿左墻行走，出房間，左轉(zhuǎn)90°，又改為沿右墻行走，到達(dá)第2個(gè)房間，進(jìn)去滅火，在滅完火后，掉頭返回，回到起始點(diǎn)。其他模式參照上面的分析方法，完成機(jī)器人導(dǎo)航程序的設(shè)計(jì)?！皺C(jī)器人智能消防”程序設(shè)計(jì)“機(jī)器人智能消防”程序設(shè)計(jì)根據(jù)模式1的滅火任務(wù)，規(guī)劃出機(jī)器人需要經(jīng)過的路徑，在模式1中機(jī)器人運(yùn)動路徑規(guī)劃如圖8.6所示。“機(jī)器人智能消防”程序設(shè)計(jì)機(jī)器人沿墻行走算法示意