机器人灭火方案的设计

机器人灭火方案的设计

[摘要] 根据第二届江苏省大学生机器人灭火竞赛规则,对其比赛方案进行设计和优化。本次比赛所用机器人为上海广茂达公司生产的能力风暴机器人,主要利用红外传感器、灰度传感器对环境进行检测,驱动电机,使机器人在场地中按照设计的方案寻找火源并将其扑灭。

[关键词] 能力风暴机器人灭火

近年来,机器人技术已经取得很大的发展,并引起社会各界广泛关注。近几年,我国也举办了各式各样的机器人比赛,如机器人足球、机器人灭火、机器人跳舞、创新机器人等,其中以机器人足球比赛、机器人灭火比赛最为引人注目,开展也最为普及。这在一定程度上促进了我国机器人技术的发展,同时也提高了广大学生的动手能力和创新能力。

一、比赛规则

比赛采用江苏省第二届机器人大赛灭火比赛规则。在场地中设有四间模型房间,其中在某一房间内放置了点燃的蜡烛一根,让机器人模仿生活中的消防队员灭火,自主地寻找并设法熄灭蜡烛。

1.比赛场地

机器人灭火比赛的场地平面结构如图1所示。

图1 比赛场地平面结构

比赛场地的墙壁为木质材料,高33cm,颜色为白色。地面为被漆成黑色的光滑木质地板,场地中所有的走廊和门宽都是46cm。进门处用一个2.5cm宽的白线表示,场地中标有“H”的白色实心圆圈为机器人的出发位置。

2.运行模式

对于所有比赛,得分越低,成绩越好。有多种运行模式可以选择。不同模式的得分系数不同,标准模式得分系数是1.0;声音启动模式的得分系数是0.95;回家模式的得分系数是0.8;家具模式的得分系数为0.75。灭火模式:使用风扇吹风灭火的得分系数为1.0,不使用吹风灭火的方式将火灭掉,系数是0.85。

最终的实际得分:得分=(实际时间+罚分)×模式系数×房间系数

3.罚分标准

接触墙壁。机器人用身体的任何部分或触角接触墙壁,不论是有意的还是无意的,都受处罚,一次加1分,机器人每贴着墙壁滑动2cm加1分。扑灭蜡烛后返回出发位置过程中接触墙壁不加分。

接触蜡烛。机器人用身体的任何部分接触蜡烛或其基座,不论是有意还是无意的都加50分。如果是在灭火过程中或者在蜡烛熄灭后碰到蜡烛,将不予处罚。接触部分指机器人本体部分,不包括机器人用作灭火的水、气体或其他东西。

4.房间系数

比赛时,机器人搜索1个房间就找到火源并灭火成功,则房间系数为1.0,搜索2个房间,房间系数为0.85,搜索3个房间,房间系数为0.50,搜索4个房间,房间系数为0.35。

5.可靠性

灭火机器人的可靠性和它的快速性很重要,三次灭火都成功的机器人最后得分减10%(最后得分是机器人两次最好成绩之和)。三次灭火都成功的可靠性系数为0.9,否则可靠性系数为1.0。

二、硬件设计

通过对比赛规则的研究,设计机器人的系统结构如图2所示。

图2 系统结构

传感器检测环境信息,描述机器人与环境的相互关系。针对比赛规则,机器人主要使用了红外传感器、灰度传感器及相应的信号处理电路。机器人灭火装置是一个风扇,当机器人接近火源时自动打开风扇,吹灭火焰。用LCD作为输出显示。

红外传感器有两种,一种用来检测障碍,避免撞到墙壁同时又可以寻找房间的门。红外传感器能够检测到前方10cm～80cm,90°范围内的比0.03平方米面积大的障碍物。红外传感器由两个红外发射管和一个红外接收管组成。红外发射管发出红外线,红外线在遇到障碍物后被反射回来,红外接收管收到被反射回来的红外线后,通过A/D转换送单片机进行处理。

另外,一种红外传感器用来探测火源。这种火焰红外传感器可以探测到波长在700nm～1000nm范围内的红外光,适宜用来探测火源或热源,探测角度为60°。红外传感器将外界红外光光强的变化转化为电流的变化,通过A/D转换器转换为0～255范围内的数值。外界红外光越强,数值越小。因此,越靠近热源,机器人显示读数越小。根据函数返回值的变化能判断红外光线的强弱,从而能大致判别出火源的远近。

灰度传感器用来检测场地内的路标,以便准确找到房间和有效灭火范围。比赛场地地面除了表示起点的圆圈、房间的门和有效灭火范围是白色的外,其余都是黑色的。灰度传感器由光敏电阻和发光二极管组成,发光二极管照射到地面的反射光线被光敏电阻接收,其电阻值根据反射光线强弱而改变。地面灰度大,光敏电阻值大;地面灰度小,光敏电阻值小。阻值的变化转变成电信号输入到机器人主板上的微控制器,再由微控制器中的A/D转换器将电信号进行转换。

三、软件设计

在软件设计上根据实际地图采用左手走规则,左手走规则是指机器人始终沿着左边的墙壁行走,一直走完全程。该规则要求机器人能实现沿着墙壁前进,在场地转弯处或是门口时,机器人能自动转过去;当前方有障碍物时,机器人能自动躲避。机器人按如下路线搜索火源:H→一号房间→二号房间→三号房间→四号房间在搜索到火源并灭火后,再按所设路线返回,在一、二号房间灭完火后按右手规则返回,在三、四号房子灭完火后按左手规则返回,这样设计的目的是为了节省时间。

程序设计时,总体任务可划分成四个模块:启动模块、搜索火源模块、灭火模块、回家模块(流程图略)。

启动模块,本模块主要是采用各种不同的方法(如手动启动或声音启动)让机器人从标有H的白圈出发。

搜索火源模块,本模块主要是对每个房间按预定顺序进行搜索,当机器人到达某房间门口时,底部的灰度传感器搜索到门口白线的存在,如果此时火焰传感器检测到的亮度大于某一值( 这一值由当时环境与火焰亮度的差值而设定)时,退出该房间继续搜索其余房间,否则,切换到灭火模块。

灭火模块,此模块主要完成趋光、灭火等功能,当搜索到火源后即执行完搜索火源模块,机器人会趋向光强的方向(蜡烛)行走,当机器人底部的灰度传感器检测到蜡烛外围的白线时,机器人停止前进,打开风扇,吹灭蜡烛。

回家模块,灭火成功后红外传感器检测到其亮度降到与外界差不多的时候,切换到回家模块。根据搜索火源模块检测到的地面白线次数W,判断机器人处于哪个房间,进而决定回家的方式。当W< =3时用右手定则回家,当W=4或等于5时用左手定则回家,当W为其他值时按右手定则回家。当进人白圈后,光敏传感器检测到地面灰度持续小于某一值超过一定时间则机器人停止。

四、系统调试

系统调试分模块调试和系统总调试两个阶段。首先,分别对四个模块进行检测与调试,期间也遇到很多问题,特别是对搜索火源模块的调试最为重要和繁琐;单个模块调试完毕后,需要根据场地具体情况进行系统总调试,在这个阶段主要是考虑如何在保证灭火成功的情况下缩短灭火所需的时间,以争取更好的成绩。