智能灭火机器人的控制系统设计与实现
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第 32 卷第 4 期 2012 年 8 月
辽宁工业大学学报(自然科学版)
Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition)
Vol.32, No.4 Aug. 2012
智能灭火机器人的控制系统设计与实现
李 茜，杜 刚，魏利卓，袁 银
LMD18200驱动接口电路如图2所示。
R7 5.G1NKD GND
C16 103
L5
1 BOOYCAP OUT1 2
PB7 3 PD7 5
7 9
DIR PWM GND OVER
/ENABLE V+
I_SNS
4 6 8
PB1 V+
11 BOOTCAP OUT2 10
LMD18200
P15
1 2
Header 2H
后，与5个光电传感器相连接的I/O口均初始化为输
与汇编语言相比，虽然高级语言具有生成代码
入状态，并将其设置为高电平。当障碍物进入到光 长、执行速度慢等缺点，但是为了提高程序的可读
电传感器的探测范围时，传感器指示灯发光，并返 性和可移植性，使用C语言开发智能灭火机器人的
回相对应的I/O口低电平。单片机通过执行循环语 控制系统。
2 硬件设计
选择控制器的原则是外围电路简单、内部资源 丰富、控制功能强大。因此，采用了北京达盛科技 有 限 公 司 生 产 的 基 于 AVR 的 单 片 机 EXP ATMEGA128，将来自红外传感器探测障碍物的信 号集成在控制器中。智能灭火机器人的控制原理框 图如图1所示。
4 个直流 电机
5 个避障 传感器
自主移动机器人的研究开始于20世纪60年代。 斯坦福研究院的Nilsson[1]研究出名为Shakey的自主 移动机器人。
20世纪70年代后期，由于计算机技术和人工智 能技术的发展，自主移动机器人的研究取得显著的
成果，主要用于军事目的的室外移动机器人平台也 随之诞生。20世纪80年代以来，自主移动机器人逐 渐走向民用，一批装备有雷达、超声波、视觉、GPS 等多种传感器的室外自主移动机器人系统相继问 世，具有代表性的有美国CMU的Navlab系列[2-3]、 德国UBM的VAMP和VaMoRs系统[4-5]，以及国内的 清华大学的THMR系列[6]等。
关键词：智能灭火；机器人；控制系统 中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1674-3261(2012)04-0227-04
Design and Realization of Intelligent Fire Fighting Mobile Robot
LI Xi, DU Gang, YUAN Yin, WEI Li-zhuo, YUAN Yin
避障传感器。左右两侧的避障传感器主要是用作机 入到房间后，火焰传感器的5个通道分别检测火焰
器人在走廊巡视时避免与左右墙壁相距太近而发 的强度，并将其转换成1~1024中的一个数值，同时
生碰撞；前方安装的避障传感器主要是用作配合左 保存在预先声明过的数组中。比较数组中保存的5
右传感器判断走廊拐角处，并且在机器人转弯时检 个数值，找到最小值并得到相应的通道序号；若最
（School of Information Engineering, China University of Geosciences, Beijing 100083, China）
Key words: intelligent fire-fighting; mobile robot; control system Abstract: Based on characteristics of Autonomous Mobile Robot, the hardware and software for intelligent fire fighting mobile robot were designed with EXP ATmega 128 as the controller. Moreover, the intelligent fire fighting mobile robot was assembled and tested. In the test, the actions of intelligent fire fighting mobile robot are easily controlled, which is of stable gesture during walking, can avoid the obstacle promptly and can detect the site of fire sources accurately.
测墙壁以确保机器人顺利地转入另一条走廊。
小值对应的通道序号不为2时，灭火机器人转动；
避障算法：根据传感器环路安装的结构，以机 当最小值对应的通道序号为2时，灭火机器人停止
器人左右方向作为X轴，5个光电传感器分别位于 转动，此时机器人刚好正对着火源方向，向前移动
0°、45°、90°、135°、180°的位置。程序开始执行 并接近火源灭火。
JNHB1004
·
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· JNHB1004
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GND
图3 火焰传感器原理图
考虑到智能机器人的功能要求，在机器人身体 器分别位于0°、45°、90°、135°、180°的位置，相
左右两侧各安装了1个避障传感器，前方安装了3个 应的通道序号为0、1、2、3、4。当灭火机器人进
（中国地质大学 信息工程学院，北京 100083）
摘 要：基于自主移动机器人的特点，以 EXP ATmega 128 为控制处理器，设计了智能灭火机器人的硬件和 软件，并完成了智能灭火机器人的组装和调试。试验表明，设计的智能灭火机器人行走时易操控，姿态稳定，能 及时避开障碍物，准确探测火源的位置并成功灭火。
C22 103
图2 LMD18200驱动接口电路
智能灭火机器人可以通过火焰传感器来判断 前方是否存在火源。火焰传感器主要由5个红外接 收管和若干电阻、电容组成，电路原理图如图3所 示。火焰传感器可以检测火焰或者波长在760~1 100 nm范围内的光源，水平探测范围约为60º. 火焰传感 器直接与单片机的I/O口相连，当机器人前方有火源 时，红外接收管阻值变小，I/O口返回的电压变低， 将测量结果显示到数码管上，数值在1~1024.
四轮式自主移动机器人具有良好的稳定性、较
快的移动速度等优点；四轮式自主机器人能够在保
持车体姿态不变的情况下沿平面任意方向做直线 运动，理论上可在机器人所在的平面上以任意的角 度和速度运动，机动性增强，非常适合在空间有限、 狭窄、对机器人的机动性要求高的场所[7-8]。
在分析自主机器人特点的基础上，设计了四轮 驱动的智能灭火机器人。在模拟室内火场的试验 中，智能灭火机器人通过传感器来感知外部环境和 自身状态，自主运动，准确探测火源的位置并成功 灭火。
用来判断房间内是否存在火源、火源的强弱，根据 示。
火源的强弱可以判定机器人与火源的距离，使用安 装在机器人身上的7段数码管显示模块将火源最强
4 结束语
的通道号显示出来，并且使机器人转到正对火源方
智能灭火机器人系统控制核心采用高性能、低
向，并沿着该方向接近火源后停止，然后启动风扇 功耗的AVR的EXP ATmega128，对光电传感器的电
EXP Atmega128 控制器
灭火装置
ISP 下载模块
图1 控制原理框图
EXP ATMEGA128适配器板是以ATMEL公司 的ATMEGA128为核心器件的开发板。为方便程序 下载和调试提供ISP和JTAG接口，总线接口部分分 为P1、P2、P3、P4。电源模块LM1117-3.3将+5.0 V 电源降压为+3.3 V. +5.0 V电源为单片机提供电源， 选择D1发光二极管作为电源的指示。
杜刚(1964-)，男，北京人，副教授，博士。
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辽宁工业大学学报(自然科学版)
第 32 卷
较低的能量消耗；机器人行走时具有较好的姿态稳 定性、合适的速度、较高的定位精度和较小的转弯 半径等。
通常情况下，动力系统采用比较简单的单电源 供电电路。因电动机起动瞬间电流很大，会造成电 源电压不稳，影响单片机和输入电路工作的稳定性 和可靠性，因此本文中的智能灭火机器人采用电机 电源和单片机电源完全隔离的多电源供电方案。
5 通道 火源自文库传感器
数码管
继续工作；掉电模式时振荡器停止工作，所有的功 能都被禁止，即寄存器内容得到保留[9]。
EXP ATmega128 作为控制处理器，外围的控制 电路包括电源的稳压电路、4 个 LMD18200 直流电 机驱动电路、L298N 风扇驱动电路、传感器接口电 路等自主设计制作的电路板。
第4期
VCC Res Tap R6
·
R1 15K
1 +
李茜等：智能灭火机器人的控制系统设计与实现
GND
VCC
1
2 Header 2H
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P1
PF0 PF1
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PF2 2 PF3
PF4 3
Header
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C1 Cap 105
ATMEGA128是基于AVR的RISC结构的较低 功耗、CMOS 8位的一款单片机。通过在1个时钟周 期内执行一条指令，能获得接近1 M IPS/MHz的性 能，优化了功耗和执行速度。ATMEGA128具备如 下特点：8 K字节的FLASH. 512字节的EEPROM， 512字节的SRAM，53个通用I/O口。32个通用的工 作寄存器，具有比较模式的、灵活的定时器/计数器， 8通道10位ADC，内外中断源，可编程的UART，可 编程的看门狗定时器，SPI口以及6种可通过软件选 择的省电模式。工作于空闲模式时，CPU将停止运 行，而寄存器、定时器/计数器、看门狗和中断系统
句，判断I/O口返回值为低电平时，表明遇到障碍物，
灭火机器人的控制系统的主程序由下面几个
执行相应的避障语句，从而成功地躲避障碍物，否 主要的子程序构成：前进子程序模块、转向子程序
则继续检测。
模块、后退子程序模块、传感器子程序模块和停止
多通道的红外接收器组成的火焰传感器主要 子程序模块。灭火机器人的主程序流程图如图4所
智能灭火机器人采用自动控制运行模式。智能 灭火机器人通过传感装置自动识别，自主采取动作 避开前进方向的障碍物，持续地探测火源相对机器 人的方位，并及时调整机器人运动的方向。智能灭 火机器人能沿着正对火源方向运动，最终顺利到达 火源附近位置并进行灭火。
3 软件设计
智能灭火机器人具有自由巡视走廊，能安全地 由走廊进入室内探测是否存在火源，并能确定房间 内的火源的确切位置并成功扑灭等功能。
进行灭火；将火源扑灭后，机器人按照其进入房间 路检测到的信号进行处理，并通过模块化结构的算
的路线原路返回，即灭火前旋转的角度以及进入房 法控制直流电动机、风扇的运行，以实现对灭火机
间后的一系列动作均会被记住并反向执行。
器人的精确定位和动作控制。试验表明，在路径搜
寻找火源的算法：根据火焰传感器半圆形的设 索过程中，智能灭火机器人姿态稳定，能及时绕过
1 智能灭火机器人的结构
本文设计的智能灭火机器人由移动系统、动力 系统、控制系统、作业系统和显示系统5部分组成。 移动系统主要有以下特点：具有一定的承载能力、
收稿日期：2012-06-23 基金项目：中国地质大学(北京)大学生创新创业训练计划项目 作者简介：李茜(1990-)，女，辽宁锦州人，本科生。
计结构，以机器人左右方向作为X轴，5个红外接收 障碍物，准确探测火源的位置并成功扑灭火源。
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辽宁工业大学学报(自然科学版)
第 32 卷
[2] Thorpe C, Hebert M, Kanade T, et al. Toward Autonomous
Driving: The CMU Navlab. Part I: Perception[J]. IEEE
单片机 EXP ATmega128 和传感器的工作电 压为5 V，风扇电机工作电压为 7 V，直流电机使用 2个12 V 电池组成的24 V 电池组供电。使用稳压电 路将7 V 电压变换到5 V，保证单片机、传感器在额 定 电 压 下 工 作 。 L298N 为 SGS-THOMSON Microelectronics所生产的双全桥步进电机专用驱动 芯片。
辽宁工业大学学报(自然科学版)
Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition)
Vol.32, No.4 Aug. 2012
智能灭火机器人的控制系统设计与实现
李 茜，杜 刚，魏利卓，袁 银
LMD18200驱动接口电路如图2所示。
R7 5.G1NKD GND
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L5
1 BOOYCAP OUT1 2
PB7 3 PD7 5
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11 BOOTCAP OUT2 10
LMD18200
P15
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Header 2H
后，与5个光电传感器相连接的I/O口均初始化为输
与汇编语言相比，虽然高级语言具有生成代码
入状态，并将其设置为高电平。当障碍物进入到光 长、执行速度慢等缺点，但是为了提高程序的可读
电传感器的探测范围时，传感器指示灯发光，并返 性和可移植性，使用C语言开发智能灭火机器人的
回相对应的I/O口低电平。单片机通过执行循环语 控制系统。
2 硬件设计
选择控制器的原则是外围电路简单、内部资源 丰富、控制功能强大。因此，采用了北京达盛科技 有 限 公 司 生 产 的 基 于 AVR 的 单 片 机 EXP ATMEGA128，将来自红外传感器探测障碍物的信 号集成在控制器中。智能灭火机器人的控制原理框 图如图1所示。
4 个直流 电机
5 个避障 传感器
自主移动机器人的研究开始于20世纪60年代。 斯坦福研究院的Nilsson[1]研究出名为Shakey的自主 移动机器人。
20世纪70年代后期，由于计算机技术和人工智 能技术的发展，自主移动机器人的研究取得显著的
成果，主要用于军事目的的室外移动机器人平台也 随之诞生。20世纪80年代以来，自主移动机器人逐 渐走向民用，一批装备有雷达、超声波、视觉、GPS 等多种传感器的室外自主移动机器人系统相继问 世，具有代表性的有美国CMU的Navlab系列[2-3]、 德国UBM的VAMP和VaMoRs系统[4-5]，以及国内的 清华大学的THMR系列[6]等。
关键词：智能灭火；机器人；控制系统 中图分类号：TP242.6 文献标识码：A 文章编号：1674-3261(2012)04-0227-04
Design and Realization of Intelligent Fire Fighting Mobile Robot
LI Xi, DU Gang, YUAN Yin, WEI Li-zhuo, YUAN Yin
避障传感器。左右两侧的避障传感器主要是用作机 入到房间后，火焰传感器的5个通道分别检测火焰
器人在走廊巡视时避免与左右墙壁相距太近而发 的强度，并将其转换成1~1024中的一个数值，同时
生碰撞；前方安装的避障传感器主要是用作配合左 保存在预先声明过的数组中。比较数组中保存的5
右传感器判断走廊拐角处，并且在机器人转弯时检 个数值，找到最小值并得到相应的通道序号；若最
（School of Information Engineering, China University of Geosciences, Beijing 100083, China）
Key words: intelligent fire-fighting; mobile robot; control system Abstract: Based on characteristics of Autonomous Mobile Robot, the hardware and software for intelligent fire fighting mobile robot were designed with EXP ATmega 128 as the controller. Moreover, the intelligent fire fighting mobile robot was assembled and tested. In the test, the actions of intelligent fire fighting mobile robot are easily controlled, which is of stable gesture during walking, can avoid the obstacle promptly and can detect the site of fire sources accurately.
测墙壁以确保机器人顺利地转入另一条走廊。
小值对应的通道序号不为2时，灭火机器人转动；
避障算法：根据传感器环路安装的结构，以机 当最小值对应的通道序号为2时，灭火机器人停止
器人左右方向作为X轴，5个光电传感器分别位于 转动，此时机器人刚好正对着火源方向，向前移动
0°、45°、90°、135°、180°的位置。程序开始执行 并接近火源灭火。
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图3 火焰传感器原理图
考虑到智能机器人的功能要求，在机器人身体 器分别位于0°、45°、90°、135°、180°的位置，相
左右两侧各安装了1个避障传感器，前方安装了3个 应的通道序号为0、1、2、3、4。当灭火机器人进
（中国地质大学 信息工程学院，北京 100083）
摘 要：基于自主移动机器人的特点，以 EXP ATmega 128 为控制处理器，设计了智能灭火机器人的硬件和 软件，并完成了智能灭火机器人的组装和调试。试验表明，设计的智能灭火机器人行走时易操控，姿态稳定，能 及时避开障碍物，准确探测火源的位置并成功灭火。
C22 103
图2 LMD18200驱动接口电路
智能灭火机器人可以通过火焰传感器来判断 前方是否存在火源。火焰传感器主要由5个红外接 收管和若干电阻、电容组成，电路原理图如图3所 示。火焰传感器可以检测火焰或者波长在760~1 100 nm范围内的光源，水平探测范围约为60º. 火焰传感 器直接与单片机的I/O口相连，当机器人前方有火源 时，红外接收管阻值变小，I/O口返回的电压变低， 将测量结果显示到数码管上，数值在1~1024.
四轮式自主移动机器人具有良好的稳定性、较
快的移动速度等优点；四轮式自主机器人能够在保
持车体姿态不变的情况下沿平面任意方向做直线 运动，理论上可在机器人所在的平面上以任意的角 度和速度运动，机动性增强，非常适合在空间有限、 狭窄、对机器人的机动性要求高的场所[7-8]。
在分析自主机器人特点的基础上，设计了四轮 驱动的智能灭火机器人。在模拟室内火场的试验 中，智能灭火机器人通过传感器来感知外部环境和 自身状态，自主运动，准确探测火源的位置并成功 灭火。
用来判断房间内是否存在火源、火源的强弱，根据 示。
火源的强弱可以判定机器人与火源的距离，使用安 装在机器人身上的7段数码管显示模块将火源最强
4 结束语
的通道号显示出来，并且使机器人转到正对火源方
智能灭火机器人系统控制核心采用高性能、低
向，并沿着该方向接近火源后停止，然后启动风扇 功耗的AVR的EXP ATmega128，对光电传感器的电
EXP Atmega128 控制器
灭火装置
ISP 下载模块
图1 控制原理框图
EXP ATMEGA128适配器板是以ATMEL公司 的ATMEGA128为核心器件的开发板。为方便程序 下载和调试提供ISP和JTAG接口，总线接口部分分 为P1、P2、P3、P4。电源模块LM1117-3.3将+5.0 V 电源降压为+3.3 V. +5.0 V电源为单片机提供电源， 选择D1发光二极管作为电源的指示。
杜刚(1964-)，男，北京人，副教授，博士。
228
辽宁工业大学学报(自然科学版)
第 32 卷
较低的能量消耗；机器人行走时具有较好的姿态稳 定性、合适的速度、较高的定位精度和较小的转弯 半径等。
通常情况下，动力系统采用比较简单的单电源 供电电路。因电动机起动瞬间电流很大，会造成电 源电压不稳，影响单片机和输入电路工作的稳定性 和可靠性，因此本文中的智能灭火机器人采用电机 电源和单片机电源完全隔离的多电源供电方案。
5 通道 火源自文库传感器
数码管
继续工作；掉电模式时振荡器停止工作，所有的功 能都被禁止，即寄存器内容得到保留[9]。
EXP ATmega128 作为控制处理器，外围的控制 电路包括电源的稳压电路、4 个 LMD18200 直流电 机驱动电路、L298N 风扇驱动电路、传感器接口电 路等自主设计制作的电路板。
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ATMEGA128是基于AVR的RISC结构的较低 功耗、CMOS 8位的一款单片机。通过在1个时钟周 期内执行一条指令，能获得接近1 M IPS/MHz的性 能，优化了功耗和执行速度。ATMEGA128具备如 下特点：8 K字节的FLASH. 512字节的EEPROM， 512字节的SRAM，53个通用I/O口。32个通用的工 作寄存器，具有比较模式的、灵活的定时器/计数器， 8通道10位ADC，内外中断源，可编程的UART，可 编程的看门狗定时器，SPI口以及6种可通过软件选 择的省电模式。工作于空闲模式时，CPU将停止运 行，而寄存器、定时器/计数器、看门狗和中断系统
句，判断I/O口返回值为低电平时，表明遇到障碍物，
灭火机器人的控制系统的主程序由下面几个
执行相应的避障语句，从而成功地躲避障碍物，否 主要的子程序构成：前进子程序模块、转向子程序
则继续检测。
模块、后退子程序模块、传感器子程序模块和停止
多通道的红外接收器组成的火焰传感器主要 子程序模块。灭火机器人的主程序流程图如图4所
智能灭火机器人采用自动控制运行模式。智能 灭火机器人通过传感装置自动识别，自主采取动作 避开前进方向的障碍物，持续地探测火源相对机器 人的方位，并及时调整机器人运动的方向。智能灭 火机器人能沿着正对火源方向运动，最终顺利到达 火源附近位置并进行灭火。
3 软件设计
智能灭火机器人具有自由巡视走廊，能安全地 由走廊进入室内探测是否存在火源，并能确定房间 内的火源的确切位置并成功扑灭等功能。
进行灭火；将火源扑灭后，机器人按照其进入房间 路检测到的信号进行处理，并通过模块化结构的算
的路线原路返回，即灭火前旋转的角度以及进入房 法控制直流电动机、风扇的运行，以实现对灭火机
间后的一系列动作均会被记住并反向执行。
器人的精确定位和动作控制。试验表明，在路径搜
寻找火源的算法：根据火焰传感器半圆形的设 索过程中，智能灭火机器人姿态稳定，能及时绕过
1 智能灭火机器人的结构
本文设计的智能灭火机器人由移动系统、动力 系统、控制系统、作业系统和显示系统5部分组成。 移动系统主要有以下特点：具有一定的承载能力、
收稿日期：2012-06-23 基金项目：中国地质大学(北京)大学生创新创业训练计划项目 作者简介：李茜(1990-)，女，辽宁锦州人，本科生。
计结构，以机器人左右方向作为X轴，5个红外接收 障碍物，准确探测火源的位置并成功扑灭火源。
230
辽宁工业大学学报(自然科学版)
第 32 卷
[2] Thorpe C, Hebert M, Kanade T, et al. Toward Autonomous
Driving: The CMU Navlab. Part I: Perception[J]. IEEE
单片机 EXP ATmega128 和传感器的工作电 压为5 V，风扇电机工作电压为 7 V，直流电机使用 2个12 V 电池组成的24 V 电池组供电。使用稳压电 路将7 V 电压变换到5 V，保证单片机、传感器在额 定 电 压 下 工 作 。 L298N 为 SGS-THOMSON Microelectronics所生产的双全桥步进电机专用驱动 芯片。