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基于STM32的智能清障灭火机器人设计

发布时间:2020-02-05 18:39编辑:公司简介浏览(77)

      :本文基于STM32F411RE控制器设计了一款智能清障灭火机器人,采用近红外避障传感器避免与墙体发生碰撞,通过超声波模块与机械臂配合,当发现障碍物时,通过机械臂清除障碍物;通过火焰传感器可以全方位地快速寻找火焰信号,自动寻找火源,到达火焰边缘时,启动灭火程序,进行灭火。通过NRF24L01无线模块可以进行无线控制灭火机器人清除障碍物和灭火等操作。

      避免与墙体发生碰撞,通过超声波模块与机械臂配合,当发现障碍物时,通过机械臂清除障碍物;通过火焰

      可以全方位地快速寻找火焰信号,自动寻找火源,到达火焰边缘时,启动灭火程序,进行灭火。通过NRF24L01无线模块可以进行清除障碍物和灭火等操作。

      现在社会各种危险场所的火灾频繁发生,火灾一旦蔓延,会给人们的生产和生活带来巨大的威胁,因此,对火灾的及时补救成为一个重要问题[1]。基于此,本文设计了一款智能清障灭火机器人,该机器人能够及时地发现和扑灭火源,进行远程控制灭火,保证消防员能够远离火灾现场,节约大量的人力财力,保障消防员的生命安全[2]。

      智能清障灭火机器人采用四驱小车为主体结构,通过四个电机控制四个轮子的转速,从而控制小车的前进与后退。车体的中间安装近红外避障

      。与此同时,车身上安装2个由舵机控制的机械手臂,四个超声波模块,当发现障碍物时,opc模块可以通过机械手臂进行清除障碍物,小车前方装有火焰

      ,可以全方位地快速寻找到火焰信号,输送给控制模块,由控制模块控制机器人的前进方向,当到达火源边缘时,

      将信号送给控制模块,启动灭火程序,小车采用风扇灭火、喷水灭火等多种灭火方式,有效完成灭火任务。通过在灭火机器人车身搭载一个360度可旋转的摄像头,可以实现现场灭火情况的实时传输,由两个NRF2401无线模块与灭火机器人连接可以实现对灭火机器人进行无线 系统硬件设计

      STM32F411RE、传感器模块、直流电机驱动模块、风扇模块、电源模块等构成。系统总体框图如图1所示。

      由于系统各传感器模块要不断采集环境信息,要求控制芯片有较高的实时处理能力和处理速度,基于此,本设计选用高性能的嵌入式

      2.2 电源模块通过开关电源为系统提供12V电压,采用集成LM2576S-5.0 DC-DC稳压芯片将12V变换为5V,以满足STM32最小系统板供电问题。远程控制时,系统采用锂电池充电运行,保证灭火机器人可以远程控制。此外,电源模块也可以采用太阳能电池板的方式,保证灭火机器人具有自行充电功能,多种电源供电模式可以保整灭火机器人的正常运行与操作[6]

      火焰传感器是一种模拟传感器,可以将检测到的热源信号转变成机器人可以识别的电信号,具有信号输出指示,输出有效信号为低电平。火焰传感器可以用来检测波长在760纳米到1100纳米范围内的热源。其中,当红外波长在960纳米附近时,其灵敏度最大,探测角度达60度,满足对火焰的检测指标[7]

      红外测距传感器主要用来检测障碍物(如墙壁等),防止灭火机器人撞墙。本设计采用光电式红外传感器E18-D80NK作为红外测距传感器,它是集红外发射模块和红外接收模块于一体的数字式传感器,有效检测范围为3cm~80cm可调,指向角≤15°,满足灭火机器人的红外测距,检测障碍物的要求

      通过选用基于ZigBee协议的NRF24L01无线模块,可以实现远程控制灭火机器人的各项操作功能。NRF24L01无线模块通过SPI与外部MCU通信,最大的SPI速度可以达到10MHz,2.4G全球的ISM频段,免许可证使用,最高工作速率2Mbps,高效的GFSK调制,抗干扰能力强,125个可选的频道,满足多点通信和调频通信的需要。可以设置自动应答,确保数据可靠传输。无线控制

      灭火机器人的车身电机采用L298N芯片驱动,用两个L298N驱动4个直流减速电机,通过控制模块输出四路PWM信号驱动L298N,通过改变PWM的脉冲占空比,调节车轮的不同转速,控制机器人车身的前进与后退等。电机驱动模块电路如图4所示。

      摄像头模块采用WiFi摄像头,由灭火机器人的电源模块给其供电,在连接WiFi网络的情况下,实现灭火机器人与计算机主控端的通信,在计算机主控端界面上可以实时看到灭火机器人的灭火情况,可以通过摄像头反馈回来的图像,通过NRF24L01无线模块等构成的手持控制器,手动远程控制灭火机器人的前进、后退、清障和灭火等功能

      软件部分的设计采用模块化的软件设计思想。软件设计的整体流程图如图5所示。开机首先是自启动,确定是否进入无线模式,通过按键进行选择,一旦进入无线模式,可以通过按键控制灭火机器人的前进、后退、左转、右转等,还可以控制灭火机器人准确地夹起障碍物,通过摄像头反馈回来的视频,控制机器人准确到达火灾现场进行清理障碍物和灭火等操作。进入自动模式(初始默认)时,机器人将会首先判定周围是否有火源,如果没有火源,机器人会自动寻找障碍物,通过红外和超声波传感器的配合对障碍物进行准确定位,然后清理障碍物,继续寻找火源,一旦找到火源,就通过风扇灭火、喷水灭火等多种灭火方式,有效完成灭火任务。

      完成软硬件设计之后就开始对本设计进行系统整体测试工作。首先进入无线模式进行测试,通过

      端的按键可以远程控制机器人的前进、后退、机械手准确抓取障碍物以及灭火等操作。设为自动模式后,机器人可以自动寻找障碍物和灭火,经过实验验证整个系统具有较高的稳定性,和较强的抗干扰能力。灭火机器人与无线 结束语

      本文基于STM32F411RE控制器,设计了一款智能清障灭火机器人,对其硬件与软件设计进行了介绍,并进行了系统实验验证。实验结果表明,所设计的智能清障灭火机器人能够可靠地进行清障与灭火工作,适宜应用在有灭火需求的消防安全领域,具有广阔的应用前景。

      [5]马忠梅,王美刚,孙娟,等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

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    关键词: opc模块