竞赛用灭火机器人控制技术研究与实现

张博，刘传武

竞赛用灭火机器人控制技术研究与实现

张博，刘传武

灭火机器人比赛场地中顺利完成灭火任务，需要依靠一套稳定、完善的搜寻火焰并有效熄灭火焰的路径。该机器人采用C51单片机为主控芯片，结合使用步进电机和火焰传感器来判断火源位置，利用超声波测距传感器与直流电机完成机器人的行走和自动避障等功能。在控制算法上，采用“左右手定则”和无火不入房的策略，提高了寻找火源的效率。实际应用表明，该机器人具有开放性好，快速、准确灭火的良好性能。

灭火机器人；智能优化；传感器；控制算法

0 引言

机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度协同性的自动化机器。机器人技术涉及到机械运动学、动力学、控制工程、计算机科学、传感器技术、信息处理、仿生学、人工智能等多个领域。机器人技术是一个国家科技水平的重要标志和体现，它在社会生产的许多方面都得到了广泛的应用，近年来，随着计算机的广泛普及，机器人逐渐由工业生产走向人们的生活，如此广泛的应用使得提高全体国民对机器人的理解显得尤为重要，普及机器人教育势在必行。

为了普及机器人科学技术，培养学生创新能力，促进机器人技术的发展，国内外相继出现了一系列的机器人竞赛，机器人竞赛是一种高技术对抗活动，它涉及人工智能、智能控制、机器人、通信、传感器等多个领域的前沿研究和技术融合，集高技术、娱乐和比赛于一体，引起了社会的广泛关注和极大兴趣。

通过竞赛有力地推动了大学生实践创新能力的提高，促进了大学实践教学的改革，同时也为广大学生提供了学习和创新的舞台，这对于进一步推动高校的机器人教育和学生创新素质培养无疑是一个良好的开端。其中灭火比赛是开展范围最广、影响最大的机器人竞赛项目之一。灭火策略算法作为灭火机器人工作时的大脑判断智商，在以往的实际比赛中已经表现为主导因素。针对这种状况，本文对最近两年内作者参加中国教育机器人灭火比赛的策略算法进行分析研究，使得灭火机器人在灭火效率得到了明显的提高。

1 总体设计思路

通过对比赛规则的分析（用蜡烛模拟火源，随机分布在场地中，要求在最短的时间内找到火源并将其扑灭），在最短的时间内完成比赛所规定的任务为胜，对机器人完成整个动作要求做如下设计：机器人在直流电机的驱动下完成前后及转弯等动作；在运动的过程中利用超声波传感器和循迹模块实现自动避障[1,2]和房间定位功能；当机器人定位火源的房间后，由直流电机和循迹模块共同工作，驱动机器人运动至灭火位置，随后通过驱动强力风扇实现灭火任务；灭火完成后返回出发区域。

2 硬件平台

灭火机器人硬件平台[3]由C51+AVR 控制器、超声波传感器、火焰传感器、传感器开关和直流电机组成。灭火机器人控制平台的架构如图1所示：

图1 灭火机器人系统架构图

2.1 连续旋转伺服电机

两个连续旋转舵机提供机器人移动所需的动力，使机器人能容易的实现前进、后退、转向。连续旋转舵机能正反两个方向连续旋转，不过其速度有限制，以致机器人不会移动的很快。

连续旋转舵机使用前一定要调零，具体调零方式为：给舵机一个循环的脉冲，脉冲时间间隔为20ms，脉冲宽度为1.5ms。如果电机不动表示已经调好零点；如果电机旋转，则可用螺丝刀调节电机模块内的微调节电阻让电机保持静止为止；如果往一个方向调电机转速加快，则反方向调。

2.2 超声波传感器

机器人系统的两个超声波传感器分上下安装，用来检测接水路线上的障碍物或行人，并发出警示，以免撞到行人或撞坏机器人。

超声波传感器提供了精确的、非接触式的距离测量，测量范围从2cm到500cm，它非常方便与单片机连接，只需要两个I/O口就可以控制。

2.3 火焰传感器

远红外火焰传感器[4,5]可以用来探测火源或其它一些波长在760纳米～1100纳米范围内的热源，其中红外光波长在940纳米附近时，其灵敏度达到最大。

使用时VCC接5V电源，GND接地，并将SIG1、SIG2接单片机I/O接口，输出为0~5V电压信号。通过单片机A/D采集读取两路模拟信号得到自身距火焰的距离，距离近输出电压低，距离远输出电压高。引脚定义及功能如表1所示：

表1 引脚定义及功能

2.4 传感器开关

开关传感器常用于开关量的控制，用微处理器的I/O口直接驱动，控制一组传感器的电源开关。

可以控制大电流电源的通断，最大支持2A电流通过，可以作为外部用电模块的电源总开关。或者使用于各种传感器的掉电模式，不工作时直接控制使得传感器进入掉电保护。引脚定义及功能如表2、表3所示：

表2 J1接口定义及功能表

表3 J2接口定义及功能表

3 系统软件设计

根据对比赛规则[6]的分析，决定采用“左右手定则”来实现对机器人路径[7]的规划。所谓左右手定则，就是根据比赛场地的实际地形分布，在某段时间内遇到岔路口向左（右）运动，以后都向右（左）运动的方式。在比赛中采用先右后左的策略，在每个房间的门口检测，如果发现火源，则进入房间灭火，灭火后再次利用火焰传感器对火源检测以确定是否将火源扑灭，否则不进入该房间，继续搜寻下一个房间。此外在机器人前进的过程中，由于某些原因（如控制电路的延时性、摩擦阻力不同、电机性能不同等）会导致左右两侧的直流电机不同步，致使机器人的运动路线产生偏移。在此需要设计前进位置偏移检测程序来纠正机器人的位置偏差，主要原理是在前进过程中每隔很短的时间，利用超声波测距传感器对两侧距离进行检测，若发现两次检测的距离不同，则对偏离方向进行计算，并反馈给处理器对机器人的位置进行调整。机器人控制流程如图2所示：

图2 灭火机器人控制流程图

本机器人的智能优化[10-13]目的是快速找到火源并将其扑灭之后安全回家，完成任务用时最短者获胜。其中直线运动时位置调整次数、撞墙次数、房间搜寻安排、能否准确定位火源位置等制约着比赛时间。

4 总结

灭火比赛的任务是尽快找到火源，并把它扑灭。成功灭火并且用时最短者获胜。机器人灭火场地如图3、图4所示：

图3 竞赛用灭火机器人

图4 标准灭火比赛场地

比赛用时长短的制约因素主要有：沿墙走直线时调整次数、碰墙次数、正确转弯次数、找准火源次数、成功灭火次数。沿墙走直线时调整次数越少，碰墙次数越少，所用时间越短；正确转弯次数越多，找准火源次数越多，成功灭火次数越多，所用时间越短。在标准灭火比赛场地（249cm*249cm）上，统计了10次比赛的一些数据，如表4所示：

表4 灭火比赛有关数据

通过实际测验，该机器人性能稳定，运行速度较快，能较好完成灭火任务并安全回家，具有一定的实用性。

[1] 陆斌. 自动避障和火焰搜索在智能灭火机器人中的实现[J]. 工业控制计算机, 2012, 25(2):105-106.LU Bin.

[2] 龙桂铃, 徐磊, 候英龙. 基于单片机的智能车避障的实现[J]. 计算机与数字工程, 2011, 39(3): 182-184.

[3] 关为民, 陈帝伊, 马孝义. 智能灭火机器人硬件电路的设计与实现[J]. 微型机与应用, 2010, 29(4):21-24.

[4] 林凡强, 张阳, 杨文旭. 基于红外火焰传感器和最小二乘法的灭火机器人[J]. 传感器与微系统,

[5] 曹晶秀. 基于多传感器信息融合技术在灭火机器人系统的设计[J]. 计算机测量与控制, 2012, 20(1):288-290.

[6] 肖海荣, 刘文江, 潘为刚, 等. 比赛用灭火机器人设计与实现[J]. 微计算机信息, 2007, 23(2): 283-285.

[7] 贾翠玲, 王利利, 徐明娜. 基于改进蚁群算法的灭火机器人路径规划研究[J]. 内蒙古农业大学学报, 2012,33（4）：157-160.

[8] 李茜, 杜刚, 魏利卓, 等. 智能灭火机器人的控制系统设计与实现[J]. 辽宁工业大学学报(自然科学版), 2012, 32(4):227-230.

[9] 徐建, 刘晓妤. 机器人灭火控制系统设计[J]. 湖北民族学院学报: 自然科学版, 2012, 30 : 415-417.

[10] 李小燕, 陈帝伊, 马孝义. 智能灭火机器人的设计与实现[J]. 电子设计工程, 2010, 18(3): 51-54.

[11] Azizian M, Najmaei N, Khoshnam M, Patel R. Visual servoing in medical robotics: a survey, Part II: tomographicimaging modalities-techniques and applications[J]. The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, 2015, 11(1): 67-79.

[12] Azizian M, Khoshnam M, Najmaei N, Patel R. Visual servoing in medical robotics: a survey, Part I: endoscopic and direct vision imaging-techniques and applications[J]. The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, 2014, 10(3): 263-274.

[13] Tahri O, Araujo H, Chaumette F, Mezouar Y. Robust image-based visual servoing using invariant visual information. [J]Robotics and Autonomous Systems, 2013, 61(12): 1588-1600.

Study and Implementation of Control Technology of Fire-fighting Robots for Contest

Zhang Bo, Liu Chuanwu
(Electronic and Information Engineering, Changsha Normal University, Changsha 410100, China)

In order to complete fire-fighting tasks, firefighting robots need a stable fire-search path to effectively put out the flames. C51 single chip is adopted as control core for the system, combining with stepper motor and fire sensor to judge the fire location, then uses ultrasonic distance sensor with DC motor to complete automatic robot walking and walls etc. In terms of the control algorithm， the "left/right hand rule" and the strategy of “no fire， no entrance” are used to improve the efficiency of fire searching. Application shows the robot has many features such as openness, speediness and nicety.

Fire-fighting Robot; Intelligent Optimization; Sensor; Control Algorithm

TP242

A

1007-757X(2016)08-0021-03

2016.02.20）

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目（No.2015607）；湖南省自然科学基金项目（No.2015JJ6007）；湖南省教育厅科学研究项目（No.15C0103）

张 博（1980-），男，长沙市人，硕士，讲师，研究方向：模式识别、人工智能、图像处理，长沙，410100

刘传武（1995-），男，益阳市人，在校学生，研究方向：计算机控制技术，长沙，410100