自动灭火机器人

自动灭火机器人组员：周胜阳1120410104

阎炼1120410102陈立达1120410119小组分工周胜阳：传感器模块、ppt制作与讲解阎炼：电机驱动模块、ppt制作与讲解陈立达：风扇与报警模块、控制流程图自动灭火机器人概述近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。为了解决这一问题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，消防机器人研究被提到了议事日程。而机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证，使得消防机器人应运而生。

自动灭火机器人概述

我们希望设计一款专用于仓库灭火报警的灭火机器人。该机器人可在启动后自动寻迹发现火源，通过风扇进行灭火，同时发出警报。是仓库火情得以及时控制，将经济及人员损失最小化。目录1.产品指标及要求2.模块划分与设计3.程序流程1.产品指标及要求1.最高速度：5m/s2.达到最高速度最低启动时间：5s3.紧急刹车时间：4s4.最大风量：1200m/h5.最大风速：49m/sec6.灭火时风筒与火焰距离：15cm目录1.产品指标及要求2.模块划分与设计

2.1整体设计

2.2火焰检测模块

2.3寻迹传感器模块

2.4火焰测距模块

2.5避障模块

2.6报警器模块

2.7风扇驱动模块

2.8电机驱动模块3.程序流程2.1整体设计根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、电机及其驱动模块、避障传感器模块、避障模块、火焰传感器、火焰测距模块、灭火系统及其驱动模块等模块构成，本系统的方框图如下2.2火焰检测模块方案一：烟雾检测

火焰产生后会产生烟雾，可以藉由检测烟

雾间接地检测火焰。当烟雾达到一定浓度

的时候发出报警信号。2.2火焰检测模块方案二：可见光检测

采用光电二极管作为传感元件，其光谱响应范围在0.33~0.7微米之间。光电二极管可将可见光信号转化为电流信号。当检测电路检测其输入超过阈值时发出警报。2.2火焰检测模块方案三：紫外光检测

它由紫外光敏探头和放大器组成直接检测火焰中180-260nm的紫外光谱，检测的目标也十分明确，响应速度也比较快。2.2火焰检测模块方案四：红外光检测

由热释放探头和放大器组成，直接检测火焰中波长为4.35±0.15μm的红外光谱，检测目标比较明确。2.2火焰检测模块方案选择：方案一：烟雾传感器有明显的缺陷，第一，并非所有物质燃烧都会有烟雾；第二，烟雾检测的检测距离很短，必须在烟雾浓度最高的位置，检测到火焰时已经燃烧有一段时间。而对于仓库而言，内部常有大量易燃物堆积，等烟雾传感器发现火焰时，火势可能已经蔓延，故不选择该类型2.2火焰检测模块方案选择：方案二：可见光传感器容易受环境（如湿度温度亮度日光等）影响，且可见光容易被油雾、烟雾及未燃烧的煤粉阻挡和吸收，故不采用该方案。2.2火焰检测模块方案选择：方案三：紫外光传感器灵敏度差,检测距离小于15m,易受日光影响。不能抗雷电的干扰,且存在一定的误报率，故不采取该方案。2.2火焰检测模块方案选择：方案四：红外光传感器对声音与电磁波敏感，使用的地方受到一定的限制，检测距离小于80m。2.2火焰检测模块选择红外光检测器。市面上常见的红外光检测器采用红外接受二极管，红外接收二极管将外界红外光的变化转变为电流的变化，利用LM324或LM393比较器进行电压比较，后输出数字开关量。探测角度达60度，红外光波长在940nm近时，其灵敏度最大。2.3寻迹传感器模块原理：

红外发射管发出的红外光在遇到反光性较强的物体(表面为白色或近白色)后被折回,其被光电二极管接收到,引起光电二极管光生电流的增大。将这个变化转为电压信号,就可以被处理器接收并处理,进而实现对反光性差别较大的2种颜色(如黑白两色)的识别。2.3寻迹传感器模块传感器选择：用ST178型红外对管。ST178为反射取样式红外线对管作为核心传感器件。它采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，以非接触检测方式，检测距离可调整范围大，4-10mm可用。同时，ST178型光电对管较为经济。2.4火焰测距模块原理：超声波测距利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。测距的公式表示为：L=C×T式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。超声波测距精度为厘米级，符合设计要求2.4火焰测距模块选用HC-SR04超声波模块使用电压：DC---5V

静态电流：小于2mA

感应角度：不大于15度

探测距离：2cm-450cm

高精度

可达0.2cm

2.5避障模块方案一：用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。但超声波测距无法靠简单的模拟电路完成，需要使用单片机。2.5避障模块方案二：用红外光电开关ST178进行避障。光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此做出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，当检测到有障碍物的时候，光电对管就能够接收到物体反射的红外光，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。2.5避障模块方案选择：红外避障使用得ST178光电对管与火焰检测模块相同，使用同种元件可以节省成本，但是本系统还需要检测小车与着火点距离。因此小车前方需采用超声波传感器，在不灭火时，火焰测距使用的超声波测距仪将作为避障模块使用。而小车其他方向则可使用ST178光电对管。2.6报警器模块报警器模块采用简单的蜂鸣器即可实现。如右图所示，控制信号为“SPEAK”，接至单片机的I/O口。当“SPEAK”为高电平时，三极管基级为高电平，此时，三极管处于截止状态，蜂鸣器不工作；当“SPEAK”为低电平时，三极管处于放大工作状态，驱动蜂鸣器，开始发声，蜂鸣器工作。2.7风扇驱动模块电路设计：灭火风扇的驱动电路如下图所示。其中Port1，Port2分别接到单片机的P0.5、P0.6接口上。单片机输出Port1，Port2控制信号用以驱动灭火电机动作。由于选用的是增强型MOS管，所以，当Port信号为高时，MOS管在VGS下开始工作，MOS导通，风扇开始动作，进行灭火；当Port信号为低时，由于增强型MOS管特点，VGS=0时，iD=0。此时，MOS截止，风扇不动作。2.7风扇驱动模块风扇参数：

首先我们参考林用风力灭火机经咨询厂家后，我们发现，只要焰心处风速大于32m/s，便可达到灭火效果。2.7风扇驱动模块为探究风速与风扇功率关系，我们询问了本校来自航院与能源学院正在做相关科技创新的几位同学，并得到了他们的实验测试结果。左图为使用风速为15m/s涵道风扇通过不同出风口是风速与距离关系图。可以看到，在15cm左右时，无论采取什么样式出风口，其风速均在32m/s以上。2.7风扇驱动模块因此，采用半径70mm，初始风速15m/s的涵道风扇作为驱动。2.8电机驱动模块电机选择步进电机由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现机器人前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于机器人等有一定速度要求的系统。

直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力。

舵机，顾名思义是控制舵面的电动机。舵机的出现最早是作为遥控模型控制舵面、油门等机构的动力来源，但是由于舵机具有很多优秀的特性，在制作机器人时也时常能看到它的应用。舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围一般不能超过180

度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。2.8电机驱动模块直流电机能够较好的满足系统的要求，机械特性简单，线性，易于调试，并且若用交流电机还得另配逆变器增加成本而且效果并不比直接用直流电机好，因此我们选择以直流电机做为机器人行进驱动电机。2.8电机驱动模块直流电机初选方案一：无刷直流电机无刷直流电机是一种自控变频的永磁同步电机，就其基本组成结构而言，可以认为是由电机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成的系统。定子由硅钢片叠压和轴向冲压而成，转子NS极交替排列在转子周围；电枢绕组放在定子上，磁极在转子上，这就使得转动部分简单，并可减小转动惯量。这种电动机既具有直流电机的特性，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点；不过需要配置相应的控制器2.8电机驱动模块方案二：单相串励有刷电机单相串励电机由电刷换向器，励磁绕组和电枢绕组串接而成。励磁绕组与电枢绕组串接，电枢电流与励磁磁场产生电磁力矩带动负载旋转。单相串励电机的优点是转速高，体积小，启动转矩大，调速范围较宽，调速方便，效率较高。但是其缺点是结构复杂，转子电流需要经过换向器和电刷来进行机械式换向，噪声很大。换向器和电刷间的滑动摩擦容易产生机械磨损、噪声、火花以及电磁干扰，使得电机可靠性降低、寿命变短。2.8电机驱动模块方案三：开关磁阻电机开关磁阻电机的结构特殊，它由电动机本体，转子位置检测器，功率变换器和控制单元组成，其实质是一个可调速的驱动系统。其定子和转子双边均有开口槽，定转子铁心由硅钢片叠成，定子上装有不同位置的多相集中绕组，每相绕组由相对的两个定子齿上两组线圈串联而成，转子上没有绕组。它的优点是结构简单，维护方便，但是存在转矩波动，而且噪声较大。目前国内实用的磁阻电机属于初级阶段，部分产品控制相对粗犷，电机的响应速度慢、运行速度低的情况下脉动大，难以实现较高的控制精度。2.8电机驱动模块项目无刷直流电机开关磁阻电机单相串励电机转速高高较高体积小小小启动转矩大大大调速范围宽宽较宽效率高较高较高工艺复杂不太成熟复杂成本较高较低低换向位置传感器换向位置传感器换向电刷换向器维护简单简单定期维护，麻烦寿命较长较长较短噪音小大大转速/转矩特性平坦——在负载额定的条件下，可在所有转速下正常工作波动较大，响应速度慢、低速下的脉动大，难以实现较高的控制精度。存在波动——转速较高时，电刷摩擦增加，因此减少了有用转矩输出功率高高中等偏低散热好（转子在外）好（转子在外）差（转子在里面）电子干扰低低电刷产生的电弧会对附近设备造成电磁干扰控制要求需要控制器，同时可使用这一控制器控制转速需要控制器很好的配合固定转速不需要控制器，只有需要改变转速时才需要控制器2.8电机驱动模块通过以上各个电机的特点的对比，可以看出开关磁阻式电机结构复杂而且转矩波动大，而且国内制造工艺还不太成熟，而且噪音大；单相串励电机的维护过于繁杂，而且大多用于小功率。综上比较，我们决定采用直流无刷电机，它效率高，控制特性好，而且技术也比较成熟。2.8电机驱动模块

设计性能指标、环境参数、及其他与估值:总质量30kg轮胎与地面滚动摩擦系数0.02轮胎与地面滑动摩擦系数0.6车轮质量200g行进速度5m/s车轮半径5cm2.8电机驱动模块参数计算公式计算结果：转速1014r/min额定功率36.7W额定转矩0.4N·m2.8电机驱动模块型号57BL55S02-212TF057BL55S06-230TF057BL95S06-210TF057BL90S10-320TF0额定电压24242436额定功率22606060额定转速1200300010002000额定转矩0.150.180.60.6额定电流1.23.23.33.3空载电流0.10.10.20.5空载转速30