智能灭火机器人硬件电路设计及实现

该传感器采用三角测量的原理，如图4（b）所示红外发光二极管发出红外线光束，当红外光束遇到前方的障碍物时，一部分反射回来，通过透镜聚焦到后面的线性电性耦合器件CCD（Charge Coupled Device）上，根据红外光线在CCD上聚焦的位置，可知道光线的反射角，进一步折算出物体的距离。由于PSD传感器输出电压和实际距离是非线性关系，可以通过线性插值运算得出其转换近似公式。

根据比赛的需要，机器人应该能够测量不同方向的障碍物的距离，理论上8个方位均应设置红外测距传感器；在满足比赛要求前提下，考虑经济性，本设计采用了6个红外测距传感器，其安放位置如图4（c）所示。通过1个或多个传感器数值可以较精准地确定机器人的位置和墙壁的关系。例如，当正前传感器和左前传感器数值同时很大（距离很小）时，说明机器人处在一个角落上，前方和左侧均是墙壁，此时可以执行右拐命令，从而走出角落。

(2)远红外火焰传感器组

为能完成灭火任务，机器人必须能确定火焰的大致位置，并能对火焰是否被扑灭做出判断。本文设计了由28个红外接收管组成的2个远红外火焰传感器组，前后每个方位各有14个红外接收管组成，每2个并联并指相同一个方向，2个传感器组共指向14个方向，可以覆盖360°范围。如图5（a）所示，14个端口通过CD4051八路转换开关连接至ATMEGA8―16PC单片机，其中SCK、MISO、MOSI为位选择端口。此外，本设计还可以通过对14路读取数据进行比较，从而确定其最大最小值及相应端口值，方便火源方位的确定。



通过对远红外传感器组的不同端口值的比较，还可以确定机器人和火源的相对位置，以判断前进方向，完成趋光动作。当机器人与火源相对位置如图5（b）所示时，可以读取端口2和端口4的值，并进行作差，端口2的值大于端口4（说明2更靠近火源），则执行左拐命令，使其差值在一定范围内，然后执行直行命令趋近火源。

(3)地面灰度传感器

比赛规定，机器人起始位置是直径为30 cm的白色圆，每个房间入口有一条3 cm宽的白线，其他地面均为黑色。机器人的启动和停止及进房间的标志都要依靠对地面灰度的判断，因此需使用能对地面反射光线的强弱做出反应的传感器。本机器使用一对地面灰度传感器，放置在前后两端的底座上。地面颜色越深，其值越大，地面颜色越浅，其值越小。

如图6所示，地面灰度传感器通过发光二极管LED照亮地面，地面的反射光线被光敏三极管接收，当地面颜色为黑色时，反射的光线比较弱，则光敏三极管的基极电流越小，集电极电流也相应较小，1端口电压值较高，其测量值较大；反之当地面为白色时，反射的光线较强，集电极电流越大，1端口电压值较小，测量值也较小。



本文研究并设计了基于ARM9嵌入式系统的一种智能灭火机器人，具有以下5个创新点：(1)采用了嵌入式系统内核，大大提高了机器人处理信号的能力；(2)双电源供电系统引入，使机器人的运行更加稳定可靠；(3)采用PWM信号控制大功率直流电机，在速度和精度方面有了很大的改进；(4)通过合理选择PSD测距传感器的个数和安放位置，既满足比赛要求，又能节约成本；(5)本文设计的远红外火焰传感器组，很好地完成了对火源的精确定位任务，提高了灭火可靠性和快速性。

实测证明，本文设计的机器人能够很好地完成比赛任务，并且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高，具有很强的应用价值。