您的当前位置:首页基于STM32单片机的智能消防机器人的设计与应用

基于STM32单片机的智能消防机器人的设计与应用

2024-08-16 来源:爱问旅游网
● Computer Technology and Its Applications 基于STM32单片机的智能消防机器人的设计与应用 张建中 ,郝允梁 ,刘海洋 ,李小俊 ,徐运祥 (1.山东科技大学电气与自动化工程学院,山东青岛266590;2.山东科技大学机械电子工程学院,山东青岛266590) 摘要:面对日益严峻的消防安全问题,设计出一种基于STM32F407单片机的集消防、侦察监测、数据采集、图像传 输等多功能于一体的智能消防机器人。根据实际应用的要求,完成了消防机器人的机械结构、控制系统硬件和软件 设计。经测试得出机器人具有功能多、智能化强、实用性强、运行稳定等特点。 关键词:消防安全;STM32F407;智能消防机器人;控制系统;白化算法 中图分类号:TP242.6 文献标识码:A DOl:10.16157/j.issn.0258—7998.170108 中文引用格式:张建中,郝允梁,刘海洋,等.基于STM32单片机的智能消防机器人的设计与应用[J】.电子技术应用,2017, 43(11):120-123. 英文引用格式:Zhang Jianzhong,Hao Yunliang,Liu Haiyang,et a1.Design and application of intelligent fire—fighting robot based on STM32[J】.Application of Electronic Technique,2017,43(1】):120-123. Design and application of intelligent fire-fighting robot based on STM32 Zhang Jianzhong ,Hao Yunliang ,Liu Haiyang ,Li Xiaojun ,Xu Yunxiang2 (1.College of Electircal Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 2.College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China) Abstract:In this paper,a kind of intelligent fire—fighting robot,based on STM32F407,was designed to face the increasingly se— vere fire safety problem.This product sets many functions include fire protection,reconnaissance monitoring,data acquisition and image transmission in one machine.According to the requirements of practical application,a series of WOrk which contained the me— chanical structure,hardware of contml system and software design has been completed yet.This intelligent fire-fighting robot also showed the characteristics of functional,intelligence,s ̄ong practicability and stable operation after the diagnostic test. Key words:fire safety;STM32F407;intelligent fire—fighting robot;control system;whitening 0引言 1系统概述 本文根据实际应用的要求,设计出一种车体灵巧、操 作便捷、人机互动性优越的智能消防机器人。机器人采 随着工业4.0的时代到来,各国工业又将迎来飞速 发展的时代,消防机器人被《机器人产业发展规划(2016— 2020)》列为十大标志性产品。由于机器人本身的智能 性和灵活性,越来越多地被用到实际生活当中l】1。特别 用sTM32F4O7芯片作为主芯片以满足多功能任务处理。 机器人外接温度、气体、水压和超声波等传感器以及陀螺 是在面对无情的火灾时,消防官兵无法预测火灾事故 仪,用来采集火场周围及车体姿态的相关数据,控制传输 采用最新的433 MHz数字通信模块[51。在车体内部安装 现场情况,面对易燃易爆、易塌陷、化学腐蚀、有毒气体 等不明情况时,贸然进入火灾现场,会很容易给消防官 前、后、高清、热成像4路摄像机进行视频显示切换和传 输,采用7寸分辨率1080X1024高清高亮HDMI接口显 示,无线图传使用了高清(HDMI)图传模块,使4路摄像在 后台遥控器上清晰显示并能实时录制。车体设计自喷淋系 兵的人身安全带来无谓的伤亡『2_。目前,国际上尤其以 美国和日本为主,先后研制出具有侦察功能的消防机 器人Pandor移动机器人和Guardrobo D1等5种消防机 器人 1,国内智能消防机器人的研制更是刚刚起步。然 而,现有的消防机器人虽然在硬件和软件上的开发日 统,可以在工作时自行降温,保护车体内部零件不受损坏。 消防机器人由车体、人机互动界面、感知系统、运动 系统、传感器检测系统和上、下位通信系统组成[61,其工 作原理如图1所示。操作人员通过人机互动界面来根据 趋完善,但还是存在一些缺点,如功能化单一、自主智 能化差。 迫于实际应用的需求,本文设计了一种集灭火、冷 火灾现场情况做出相应的操作。 却、行走、侦察监测、爬坡跨障、数据采集、图像传输等 多功能于一体的智能消防机器人l41。 2机械结构设计 根据实际应用的需求,消防机器人的车体结构设计 120 欢迎网上投稿WWW.ChinaAET.corn 《电子技术应用》2017年第43卷第11期 ● Computer Technology and Its Applications 图1消防机器人工作原理图 考虑既应该满足在平地上行驶,又可以在积水、斜坡、楼 梯等复杂环境下安全行驶,消防机器人还应结合一些特 殊的功能:能够在积水、洼区中正常行驶,能够爬坡跨 障,可以进行原地360。旋转等。综合以上所有技术要求, 本设计车体结构优选履带式结构。结构如图2所示。 图2履带式行走结构示意图 履带式结构与地面接触面大,附着力强,牵引力大, 可以在泥泞、积水中行走,具有良好的通过性。整个车体 主要构架是采用铝合金铸造而成,车体轮系部分由导向 轮、驱动轮、托链轮、支重轮四个部分构成。精密行星减 速无刷电机内搭载驱动轮上,设计简单紧凑,方便灵活, 载动力强;通过运用导向轮可以根据地面摩擦系数不同 来调节履带的松紧度,以适应不同的环境使用;运用支 重轮可以支撑整个车体及水带、水炮的重量,减振装置 的设计减小了车体的颠簸,使车体运行更加平稳,支重 轮跟着履带转动而转动,从而减少了两者之间的摩擦。 根据车体结构设计了专门的消防水炮,即在车体底部中 间安装水管,在车体后下部接入水管,通过车前头安装 的水炮喷射灭火剂,其最大特点是在工作时重心低,喷 水时车身稳定。 3控制系统硬件设计 本产品的控制系统硬件主要由上位机和下位机两 部分组成,而上位机与下位机都使用以sTM32F407芯片 为核心的控制板来实现功能。 《电子技术应用》2017年第43卷第11期 上位机读取霍尔手柄的控制信号及操作台各功能 控制信号,经A/D转换后通过数传模块传送到下位机 的主控制器中,其中操作手柄的读取数据为坐标系中操 作手柄位置的实时坐标。 为在下位机中实现车体控制功能,首先要分析运动 逻辑:当左右电机以同转速正转时,车向前运动;当左右 电机以不同转速正转时,车向左转或右转;当左右电机 以同转速反转时,车向后运动;当 V 左右电机以不同转速反转时,向左 —\ 后或向右后倒车。如图3所示,现 设定操作柄右上方为第一象限,手 柄推到最远位置在第一象限运动 j 轨迹为一段圆弧,设其半径为a(映 射为电机电压最大值),手柄实际 图3霍尔手柄坐标系 位移为6(映射为实际电机电压),单片机读取数值为推 杆顶端坐标( ,y)的数值。根据式(1)~式(3)先后算出b、 、Ot的值。 b=、/ (1) ,孔=6/r上 (2) =arctan( ) (3) 式中,m表示左右电机最大电压值, 表示操作柄在参 考系中操作方向向量的角度。 根据以上计算所得参数,电机控制量计算公式如 表1所示。 表1电机控制逻辑与计算公式 除上述动作之外,还可以令两电机转速相同,转向 相反以实现原地旋转功能。 控制台操作面板除控制车体移动功能外还包括水 炮上仰、下俯、左右摆动、切换水流的喷射方式(直流或 喷雾)、观察云台上仰、下俯、蜂鸣器开关、刹车开关、照 明开关等。 下位机主要由控制板、传感器、图传模块、电机驱 动、电源电压检测模块等组成。其主要任务是:读取上位 机操作信号,计算出控制量并输出PWM信号到电机驱 动器,同时控制水炮、云台等设备正常工作;读取各个传 感器数值并将其传送回上位机。传感器能够测得水炮水 压、车体倾角、前后障碍距离、车体温度等信息,电压模 块能实时检测电池电量,上述数据经串口读入下位机控 制板中,再由数传模块发送至上位机通过显示屏显示。 车体具有紧急刹车能力,同时为了防止操作水炮和云台 时对机械系统造成损坏,为云台加入机械限位,水炮则 加入了左右限位,同时设定了自摆功能,开启时水炮将 】21 il} ili《ill ili8lii《《i l翩在限定范围内自动左右摆动。  c。mpu e Techn。.。gy and. s App. ca 。ns 开始 4控制系统软件设计 4.1整机设计流程 对控制板的编程在Keil环境下,使用C语言编写控 制程序,由于STM32芯片集成了单周期DSP指令和浮 通信模块衲始化 点单元(Floating Point Unit,FPU),提升了计算能力,因 此在实际计算时能够大大节约时间,同时它还支持程序 执行和数据传输并行处理,数据传输速率非常快,完全 符合设计要求。 上位机控制程序流程如图4所示。上电后,首先对 系统初始化,通信模块初始化,然后开始主循环,当使用 者在操作台进行操纵时,控制信号将经过A/D转换后 入单片机缓存,然后发送到数传模块并传输至下位机; 同时单片机从数传模块中读取由下位机检测得到的传 感器数据并发送给数字显示屏。 再 t 通信模块胡始化 通过数传模块 将控制命令 传至下位机 通过数传梭块接收 F位机发送来的数 将所接收数据发送 至信息髓示 图4上位机程序流程图 下位机控制系统程序流程如图5所示,同样先进 行初始化,然后依次读取传感器内的数据并将其放 置在寄存器中,每隔一段时间将寄存器内数据通过 无线数传发送至上位机以供显示。当接收到上位机 控制信号后,首先计算出左右电机的实际控制量,并 转换成对应的PWM控制信号,然后通过串口将各个 部分传送出去。 4.2图像处理的白化算法 机器人图像处理方法有很多种,本文采用“白化算 法”来处理机器人图像成像所带来的问题。 消防机器人在火灾救险时,会遇到环境照明强度、 物体反射、拍摄相机等不确定因素的影响,给系统采集 图像清晰度上带来极大的干扰。为了消除外界不确定因 素干扰,本文对图像进行白化处理,将图像的像素值转 化成零均值和单位方差。首先计算原始灰度图像P的像 素平均值 和方差值6 : i i ∑∑ 一; (4) 122 欢迎网上投稿WWW.ChinaAET.corn 发送PWM控制信号 N 至电机驱动 //\\v \炮左限位!> / 计算出左右电机 l N 对成控制艇 通过串I_==}=控制l l通过 i===l=发送控制 蜂鸣器、 H信号至水炮 乜机、 照明灯开天l I 云台电机 图5下位机程序流程图 | j ∑∑( 一 )z =旦 (5) 然后将 和6对原始灰度图像的每个像素值进行 转化: ‰ = (6) 本文需要的是彩色图像,需要分别在3个通道计算 肛和6,然后再根据式(6)分别进行像素转化。在搭建的 硬件平台上实现该白化算法,利用STM32进行快速计算 与滤波,通过图像存储器截取画面,最终运用MATLAB观 察图像效果。 5实际试用与仿真结果 智能消防机器人已经研制成功,其实物图如图6所 示。对机器人进行功能实际试用与分析: (1)速度检测:机器人在直行道路上行走,速度达到 3 km/h;最大爬坡角为35。,速度能达到0.9 km/h;机器 人在直线行走大约200 ITI会有一些小的方向误差偏移, 图6智能消防机器人实物图 《电子技术应用》2017年第43卷第11期 计算杌技 与应用 Computer Technology and Its Applications fEI是满足实际应用的要求。 (2)图像仿真、气体检测:图7根据MATLAB仿真火 灾现场刨脚,屏幕显示图像明显波纹、雪花减少,达到设 计要求;进人火灾现场,能够检测CO、H2s、CH4、NH 、CI2 参考文献 【l】ENGIN M.Embedded and real time system design:A case study fire fighting robot【C】.Mediterranean Con|erem·P on Embedded Computing.20 I 6. 5种常见危险气体的浓度及变化趋势,并无线传回控到 制台_I二的 示屏。如图8所示。 【2】胡传平.消防机器人的开发与 川….机器人技术与应川, 2003(5):37—41. 【3 J张晋.消防机器人结构设计及其控制系统研究lD J.天津: 河北工业大学,2015. [4】徐正飞,许春权,顿向明.ZXPJOI型消防机器人的研制fJ J. 机器人,2002,24(2):l59一I64. [5】宫晨.多传感器智能机器人设计【D].杭州:浙江大学, 2008. 图7图像仿真结果图 图8气体浓度显示图 【6】张晓平,阮晓钢.肖尧,等.两轮机器人其仃内发动机机 制的感知运动系统的建立【J】.Aeta Automatiea Sinica, 2Ol6,42f81:1175—1l84. (31水炮检测:给机器人安装上水带,把水压调到 0.8 MPa,水能喷射到70 nl的位置,同时自喷淋系统也将 打开,达到了降温效果。 (收稿It期:2017一OI一06) 6结论 本文基于STM32F407芯片设计了一种第二代智能 消防机器人,经试验测试完全达到设计要求,实用性较 强,成本较低,便于以后升级系统。该机器人的成功研制 能够有效代替消防官兵冲在第一线进行灭火工作。目 作者简介: 张建中(1960一),男,博士,教授,主要研究疗向:机械 没汁理论研究、机电一体化系统设计 郝允梁(1990一),通信作者, ,硕士研究 ,主要研究 方向:电气工程,E—mail:601896602@qq.eom 刘海洋(1993一),男,硕士研究生,主要研究 向:[1动 前,机器人运行高效,稳定性高,可以大面积在我国进行 推广使用 ; : 苔 零苔 笞 苕 检测监控 系统集成 各9各8各 各g各亟会是 s刍 童≥旦芬曼苦 各 暑愚刍 暑 暑旦刍是刍 刍只 i暑置≥ (上接第1 I5页) A break in the clouds:Towards a cloud definition J J 1. SIGCOMM Comput.Commun.Rev.,2009.39f I1:50—55. 对于数据实时性的要求,又具有高扩展性、高容错性、高 可靠性,支持工业大数据的处理要求。分布式实时数据 [7】Hadoop【EB/OI 】.(2016—07—01)f20l6一l2—181.http:// hadoop.apache.org/. 库系统可用于电力、石化、物联网等多种行业,具有广阔 的应用场景。 参考文献 Il l中国电机工程学会信息化专委会.北京中国电力大数据 『81 GREENBERG A.HAMII,TON J.MALTZD A.The cost(,f a cloud:research problems in data eenlel·networks『C I.SIG— COMM Comput.Commun.Rev.,2008,39:68—73. 发展 皮书【M l_北京:中国电力出版社,2013:9-l2. 【2I孙柏林.大数据技术及其在电力行业中的应用【J】.电气时 代,20I3(8):l8—23. [9】HDFS architecture guide『EB/OL】.(2013-02-13)[2016一 l2一l8 J.http://hadoop.apache.org/docs/r1.0.4/-hd&一 design.htm1. I 3I钱益舟.基于云技术的分布式实时数据库高性能数据存 储检索饥制的研究【D1.杭州:浙江大学,2012. 14 I Wemer Vogels.Eventually consistent[J】.ACM Queue,2008, 6(61:14—19. 【l0】郭瑞.力数实时数据库实时文件系统的研究[I)J.北京: 华北计算机系统 研究所.2013. 【ll】李亚风.若干实时数据库过程数据处理火键技术的研 究与实现【D】.北京:华北计算机系统J二程研究所,2013. (1l{[稿日期:2016一l2一l8) 【5l黄震. I:业分布式实时数据库网络通信平台的研究与设 }f ̄fD1.杭州:浙江大学。20l2. f61 VAGUERO I M,RODERO—MWEIN0 L,CACERES J. 譬皂 ≥ ‘ ≥ ; ; 笞 ; 笞 a ; ; 作者简介: 焦冬冬(1987一),男,工程师,主要研究方向:云汁算、分 布式实时数据库。 ; 笞 ; ; { .苫 . (上接第1 19页) 李晖(1982一),通信作者,男,博上,主要研究方向:大规 (收稿日期:2017-01—19) 模数据管理与分析、云服务、高性能数据库,E—mail:huili. gm@gmail.corn。 作者简介: 粱青青(1993一),女,硕t:,主要研究方向:科学大数据 管理、数据¨『视化。 周或(1994一),女,硕士,主要研究方向:科学大数据管 理、分布式数据库、云计算。 l23 《电子技术应用》2017年第43卷第1 1期 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容