基于STM32的智能清障灭火机器人设计　

摘要：本文基于STM32F411RE控制器设计了一款智能清障灭火机器人，采用近红外避障传感器避免与墙体发生碰撞，通过超声波模块与机械臂配合，当发现障碍物时，通过机械臂清除障碍物;通过火焰传感器可以全方位地快速寻找火焰信号，自动寻找火源，到达火焰边缘时，启动灭火程序，进行灭火。通过NRF24L01无线模块可以进行无线控制灭火机器人清除障碍物和灭火等操作。

引言

　　现在社会各种危险场所的火灾频繁发生，火灾一旦蔓延，会给人们的生产和生活带来巨大的威胁，因此，对火灾的及时补救成为一个重要问题^[1]。基于此，本文设计了一款智能清障灭火机器人，该机器人能够及时地发现和扑灭火源，进行远程控制灭火，保证消防员能够远离火灾现场，节约大量的人力财力，保障消防员的生命安全^[2]。

1 系统总体设计

　　智能清障灭火机器人采用四驱小车为主体结构，通过四个电机控制四个轮子的转速，从而控制小车的前进与后退。车体的中间安装近红外避障传感器，当距离墙壁太近时可以自动转弯防止撞墙，保证灭火机器人具有防撞墙功能^[3]。与此同时，车身上安装2个由舵机控制的机械手臂，四个超声波模块，当发现障碍物时，可以通过机械手臂进行清除障碍物，小车前方装有火焰传感器，可以全方位地快速寻找到火焰信号，输送给控制模块，由控制模块控制机器人的前进方向，当到达火源边缘时，传感器将信号送给控制模块，启动灭火程序，小车采用风扇灭火、喷水灭火等多种灭火方式，有效完成灭火任务。通过在灭火机器人车身搭载一个360度可旋转的摄像头，可以实现现场灭火情况的实时传输，由两个NRF2401无线模块与灭火机器人连接可以实现对灭火机器人进行无线远程手动控制^[4]。

2 系统硬件设计

　　根据设计要求，本系统主要由STM32F411RE、传感器模块、直流电机驱动模块、风扇模块、电源模块等构成。系统总体框图如图1所示。

2.1 控制模块

　　由于系统各传感器模块要不断采集环境信息，要求控制芯片有较高的实时处理能力和处理速度，基于此，本设计选用高性能的嵌入式STM32F411RE。该芯片使用ARM先进架构的Cortex—M4内核，CPU频率可达84MHz，具有两个16位用于高速数据采集的ADC，I/O端口作为输入口读取检测端口和传感器组的数据，作为输出端口用于驱动电机。4个PWM定时器用于驱动大功率直流电机。芯片具有速度快、功耗低、可靠性高、实时性强等优点^[5]。

2.2 电源模块

　　通过开关电源为系统提供12V电压，采用集成LM2576S-5.0 DC-DC稳压芯片将12V变换为5V，以满足STM32最小系统板供电问题。远程控制时，系统采用锂电池充电运行，保证灭火机器人可以远程控制。此外，电源模块也可以采用太阳能电池板的方式，保证灭火机器人具有自行充电功能，多种电源供电模式可以保整灭火机器人的正常运行与操作^[6]。

2.3 火焰传感器与机械臂

　　火焰传感器是一种模拟传感器，可以将检测到的热源信号转变成机器人可以识别的电信号，具有信号输出指示，输出有效信号为低电平。火焰传感器可以用来检测波长在760纳米到1100纳米范围内的热源。其中，当红外波长在960纳米附近时，其灵敏度最大，探测角度达60度，满足对火焰的检测指标^[7]。

　　机械臂由两个舵机控制，通过控制两个舵机，可以实现对障碍物的准确抓取，从而为机器人正常行走、寻找火焰、清除障碍物等提供了保证。火焰传感器与机械臂的电路设计如图2所示。

2.4 红外测距传感器

　　红外测距传感器主要用来检测障碍物(如墙壁等)，防止灭火机器人撞墙。本设计采用光电式红外传感器E18-D80NK作为红外测距传感器，它是集红外发射模块和红外接收模块于一体的数字式传感器，有效检测范围为3cm～80cm可调，指向角≤15°，满足灭火机器人的红外测距，检测障碍物的要求^[8]。

2.5 无线模块

　　通过选用基于ZigBee协议的NRF24L01无线模块，可以实现远程控制灭火机器人的各项操作功能。NRF24L01无线模块通过SPI与外部MCU通信，最大的SPI速度可以达到10MHz，2.4G全球的ISM频段，免许可证使用，最高工作速率2Mbps，高效的GFSK调制，抗干扰能力强，125个可选的频道，满足多点通信和调频通信的需要。可以设置自动应答，确保数据可靠传输。无线控制端与机器人连接框图如图3所示。

2.6 电机驱动模块

　　灭火机器人的车身电机采用L298N芯片驱动，用两个L298N驱动4个直流减速电机，通过控制模块输出四路PWM信号驱动L298N，通过改变PWM的脉冲占空比，调节车轮的不同转速，控制机器人车身的前进与后退等。电机驱动模块电路如图4所示。

2.7 摄像头模块

　　摄像头模块采用WiFi摄像头，由灭火机器人的电源模块给其供电，在连接WiFi网络的情况下，实现灭火机器人与计算机主控端的通信，在计算机主控端界面上可以实时看到灭火机器人的灭火情况，可以通过摄像头反馈回来的图像，通过NRF24L01无线模块等构成的手持控制器，手动远程控制灭火机器人的前进、后退、清障和灭火等功能^[9]。

3 软件设计与系统测试

　　软件部分的设计采用模块化的软件设计思想。软件设计的整体流程图如图5所示。开机首先是自启动，确定是否进入无线模式，通过按键进行选择，一旦进入无线模式，可以通过按键控制灭火机器人的前进、后退、左转、右转等，还可以控制灭火机器人准确地夹起障碍物，通过摄像头反馈回来的视频，控制机器人准确到达火灾现场进行清理障碍物和灭火等操作。进入自动模式(初始默认)时，机器人将会首先判定周围是否有火源，如果没有火源，机器人会自动寻找障碍物，通过红外和超声波传感器的配合对障碍物进行准确定位，然后清理障碍物，继续寻找火源，一旦找到火源，就通过风扇灭火、喷水灭火等多种灭火方式，有效完成灭火任务。

　　完成软硬件设计之后就开始对本设计进行系统整体测试工作。首先进入无线模式进行测试，通过无线控制端的按键可以远程控制机器人的前进、后退、机械手准确抓取障碍物以及灭火等操作。设为自动模式后，机器人可以自动寻找障碍物和灭火，经过实验验证整个系统具有较高的稳定性，和较强的抗干扰能力。灭火机器人与无线控制端的实物图如图6所示。

4 结束语

　　本文基于STM32F411RE控制器，设计了一款智能清障灭火机器人，对其硬件与软件设计进行了介绍，并进行了系统实验验证。实验结果表明，所设计的智能清障灭火机器人能够可靠地进行清障与灭火工作，适宜应用在有灭火需求的消防安全领域，具有广阔的应用前景。

参考文献：

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　　[2]王志文,郭戈.移动机器人导航技术现状与展望[J].机器人,2003,5(5):470-474.

　　[3]陈堂敏.刘焕平.单片机原理与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2007.

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　　[5]马忠梅,王美刚，孙娟，等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

　　[6]霍孟友,王爱群.单片机原理与应用学习概要及题解[M].北京:机械工业出版社,2005.

　　[7]许心德. 环境部分未知情况下的服务机器人导航研究[D].中国科学技术大学,2009.

　　[8]王灏,毛宗源.机器人的智能控制方法[M] .北京:国防工业出版社,2002.

　　[9]蔡自兴.智能控制(第2版)[M].北京:电子工业出版社,2004.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第8期第27页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。