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1、灭火机器人 （西南林学院 计算机与信息科学系，云南 昆明 650224）摘 要：随着社会的进步，机器人技术的不断发展使得机器人的应用领域不断扩展，从以往多应用于工业领域而渐渐融入人们的生活。消防机器人作为消防部队中的新兴力量，加入了抢险救灾的行列。而为了更好的为生产生活服务，灭火机器人技术的优化势在必行。本文讲述了灭火机器人的火源定位部分，该部分包括三模块，一为由八个传感器组成的传感器组，即温度测量模块；二为A/D转换部分，即把传感器测得的模拟信号转换为可输入单片机的数字信号；三为单片机部分，该部分对输入信号进行处理，并作出相应的控制。火源定位是根据自由空间的能量损耗公式由测得温度推算出来的。
2、这在以前的灭火机器人系统中从未用到过，也是本文的创新点。关键词：灭火机器人 ，机器人， 单片机， 红外传感器Extinguish fire robot (Dept. of Computer and Information Science, Southwest Forestry College, Kunming, Yunnan, 650224, China)Abstract: Along with the progress of the society, the development of robot technique make applied realm of the robot expa
3、nd continuously, from the industry realm which was much applied in to melt into the peoples life gradually. The fire-fight robot, which is the new power within the fire fight troops, join to rob the insurance relief. And for the sake of being better in the service of life, the optimization of the fi
4、re-fight robot technical is imperative.This thesis relates to the fire source allocation part of the fire-fight robot. That part includes three modules, the first is the sensor group being made of eight sensors, which call the temperature measurement module; the second is the part for the A/D, which
5、 transform analog signal measured by sensors into digit signal being inputted into MCU; the third is a part of MCU, which process inputting signal and make relevant control. The fire source allocation is computed with measured temperature according to the energy loss formula of the free space. It ha
6、s never used in the fire-fight robot system before, also the new ideas.Key words: extinguishing robot, robot, Single Chip Micro Computer, infrared transducer目 录1前言12概述33系统总体方案53.1系统方案设计的概述和设计步骤53.1.1系统总体方案的设计53.1.2系统的硬件设计53.1.3系统的软件设计63.2系统功能的实现63.3系统方案设计中考虑的综合因素64实验系统的硬件设计84.1硬件器件的选择84.1.1AT89C5184
7、.1.2ADC0809114.1.3传感器124.2硬件电路的实现134.2.1信号采集部分134.2.2信号的模数转换部分145红外定位的算法设计176总结22参考文献23指导教师简介24致 谢25附 录266 总结1 前言 机器人向人们展示的是一门集机、电、计算机、材料、传感器、控制技术于一体的综合技术，也是一个国家科技水平的标志。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。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
8、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。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。但从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，所以人们又
9、提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。那么这给机器人提出来更高层次的要求，展望21世纪，机器人将是一个与20世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期，也是智能机器人发展的一个关键时期。进入二十一世纪后，机器人技术的不断发展使得机器人的应用领域不断扩展，从以往多应用于工业领域而渐渐融入人们的生活。消防机器人作为消防部队中的新兴力量，加入了抢险救灾的行列。从1986年日本东京消防厅首次在灭火中采用了“彩虹5号”机器人后，消防机器人就逐渐在灭火救灾领域得到广泛的应用，消防机器人技术
10、也得到快速的发展。我们之所以选择做灭火机器人，概括起来有以下几点。 首先，在从网上查找资料中，发现做灭火机器人的用途有很多，譬如，可以自已发现火源，并且能够准确定位，这样就可以减少许多人发现不了的火灾，从而也能减少财资的损失；同时，由于机器人能够灭火，那么若大量把它们用在消防中，无疑也能避免消防人员人工灭火中的人身受伤。为此，我们组打算做灭火机器人。 其次，在准备的过程中，发现困难最多之处在于，如何让它能准确定位、并且在发现火源时能控制自己的距离而不至于冲入火源？所以，在指导老师的引导下，最后确定用8个光电传器来定位、定距。当然，如何设计这个电路就是我们所要设计的机器人的核心部分了。 第三，对
11、我们来说，最关键的是能在设计这个灭火机器人的过程中，重新复习，同时也是重新学习我们在这4年中本应该学的专业知识，为毕业后的工作做准备，让自己能在找工作的过程中减少一点障碍，而增加一点信心。这一点对我们来说最重要，也是我们所要在整个毕业设计中寻找的最终目的。因为，我们在初步的调研与计划中发现，不仅要用到以前学过的模电、数电、C语言、传感技术等，概括起来几乎是整个大不期间学过的基础以用专业知识。- 26 -2 概述国外消防机器人发展。国际上较早开展消防机器人研究的是美国和前苏联，稍后，英国，日本，法国，德国先等国家也纷纷开始研究该类技术。目前已有很多种功能不同的消防机器人用于救灾现场。日本投入应用
12、的消防机器人最多。60年代，日本研制了不少于5种型号的自动驶灭火机器人，分别配备于大阪、东京、高石等消防部门，这类机器人以内燃机或电动机作为动力，配置驱动轮或履带式行驶机构，能爬坡、越障碍；装有较大喷射流量的消防枪炮，能作俯仰和左右回转；装有气体检测仪器和电视监视设备；通过电缆或无线控制，控制距离最大为100m,另一类机器人为侦察、抢险机器人，除装有气体检测仪器和电视监视器设备外。美国已研制出能依靠感觉信息控制的救灾智能化机器人，如1994年用于探测阿拉斯加州斯珀活火山的“但丁2号”，抓获杀人犯的RNI-9型遥控消防机器人等。亚利桑诺州消防部门研制的消防机器人，装有破拆工具和消防水枪，能一边破
13、拆，一边喷射灭火。英国智能化保安公司的RO-VEH遥控消防车已装备于中部和西部消防门，配备为履带式或轮式行驶机构，能抓楼梯，通过电缆供电或自携蓄电池供电。装有消防水炮、摄像机或热像仪，采用有线控制方式。1985年英国中西部门和SAS公司联合研制的机器有消防车，用Hunter汽车改装而成，装有双臂、水枪、探测器（温度、化学物质、辐射等）、工业电视摄像机、红外线装置。机械手用来启闭阀门、搬移物品或开门等。前苏联彼得拉机厂与内务部消防科研所共同研制的消防机器人具有视觉功能，装有消防水枪，光电探头和工业电视摄像机等。我国从八十年代末期开始消防机器人的研究，公安部上海消防研究所等单位在消防机器人的研究中
14、取得了大量的成果，自行式消防炮已经投入市场，履带轮式消防灭火侦察机器人也于2000年6月通过了国家验收。但是，我国消防机器人的研究还处在初级阶段，还有许多有待研究的问题。比如，高层建筑发生火灾时，消防人员不可能在短时间内到达高处的火灾发生地点，在地下建筑中，由于环境比较潮湿，烟气不易扩散，消防人员不容易快速的判定火源位置；而在石化企业发生火灾时，将产生大量的毒气，消防人员在灭火时极易中毒。研制能够用于这些场合的侦察灭火机器人，协助消防人员进行火灾的定位和灭火，将有极大的社会意义。3 系统总体方案本章介绍的内容如下：l 系统方案的概述和设计步骤l 系统功能的实现l 系统方案设计中考虑的综合因素通
15、过对本章的了解，可以让大家对本次实验系统的设计有个大概的了解，对系统方案的设计也是进行设计前所必须的，这直接关系到后面的设计。3.1 系统方案设计的概述和设计步骤在本次系统的具体设计中，硬件设计和软件的算法设计两大快，首先是硬件的设计，其次再进行软件算法的设计，软件算法的设计要参考硬件的设计，所以虽然两大快分别做介绍，但是始终要保持软硬结合。本次系统开发主要有三个步骤：（1） 系统总体方案的设计（2） 系统的硬件设计（3） 系统的软件设计3.1.1 系统总体方案的设计本系统是灭火机器人的火源探测部分，包括火源的定向定位。系统使用红外测温传感器测出火源与机器人所在地的温度差，并利用自由空间电波的衰减公式导出火源与各传感器的距离，再根据平面几何关系计算出火源的方向与距离。这样，机器人就可以根据此数据进行火源的探测，并灭火。3.1.2 系统的硬件设计本系统是基于51单片机的系统。首先，是数据采集也即是测温模块，该模块由包括八个红外测温传感器的传感器组组成。其次，是模数转换部分，该部分由一片ADC0809构成，完成信号采集与信号处理即传感器与单片机之间的连接，红外测温传感器的输出信号为模拟信号，51系列单片机所需要的输入信号为数字信号，只有通过A/D转换才能处理传感器测得信号。最后，就是单片机部分，该部分作
