開源分享 | 基于機(jī)器視覺的移動(dòng)消防機(jī)器人（一）

2023-01-04 08:31 作者:機(jī)器譜 0人讀過 | 我要投稿

本文素材來源于北方民族大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院

作者：牟義達(dá)、黃瑞翔、李濤

指導(dǎo)老師：田國禾、張春濤

一、簡介

? ? ? ?隨著社會(huì)的發(fā)展，我們的生活不斷走向智能化，機(jī)器人技術(shù)也日益成熟并朝著智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向進(jìn)行發(fā)展。

? ? ? ?機(jī)器人技術(shù)主要是對(duì)生活和工作環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。特別是智能化作業(yè)，對(duì)人們的生活帶來了大的改變，它讓我們的生活和工作更加便捷。智能化作業(yè)主要是設(shè)計(jì)算法，算法也即控制方法。這些算法能夠大大降低我們作業(yè)的復(fù)雜性，然后利用一些傳感器和機(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)我們?cè)O(shè)計(jì)的算法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我們所需的功能。

? ? ? ?隨著如今建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與高危性，災(zāi)難發(fā)生的不可預(yù)知性，一旦發(fā)生大型火災(zāi)就特別危險(xiǎn)，因?yàn)榭赡馨殡S著大量有毒氣體等毒性物質(zhì)，每年有很多消防戰(zhàn)士犧牲于消防作業(yè)之中，這時(shí)消防機(jī)器人就應(yīng)運(yùn)而生了。隨著機(jī)器人技術(shù)的日益成熟，智能消防機(jī)器人也非常常見，相對(duì)于早期的非智能消防機(jī)器人，它能夠更好地為人們?nèi)ノ^(qū)作業(yè)，大大地降低了人員傷亡，緩解損失。因此有非常不錯(cuò)的發(fā)展前景。

? ? ? ?本課題所設(shè)計(jì)的消防機(jī)器人是以探索者組件進(jìn)行搭建的，以Arduino為平臺(tái)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，模擬真實(shí)消防機(jī)器人進(jìn)行消防作業(yè)。

? ? ? ?這個(gè)消防機(jī)器人設(shè)計(jì)核心是檢測功能，它能夠在一塊區(qū)域內(nèi)基本無死角檢測火源，檢測到之后能夠精確定位到火源處，再開啟滅火裝置進(jìn)行消防操作。

二、功能設(shè)計(jì)

1.功能分析

? ? ? ?智能消防機(jī)器人應(yīng)擁有自主抵達(dá)作業(yè)現(xiàn)場、對(duì)火源進(jìn)行檢測以及及時(shí)作出消防動(dòng)作的能力。自主抵達(dá)作業(yè)現(xiàn)場功能的實(shí)現(xiàn)則需要消防機(jī)器人能夠自主行走，對(duì)火源進(jìn)行檢測功能的實(shí)現(xiàn)則需要機(jī)器人有相應(yīng)的范圍內(nèi)檢測及傳感功能，滅火功能的實(shí)現(xiàn)則需要機(jī)器人要有合適的滅火裝置。因此消防機(jī)器人應(yīng)具備的能力有：自主行走、火源檢測、滅火等功能。

2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

? ? ? ?如上圖所示，消防機(jī)器人的作業(yè)系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體與被檢測物（火源）組成。消防機(jī)器人本體主要由控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和檢測模塊組成；驅(qū)動(dòng)模塊包含驅(qū)動(dòng)機(jī)器人自主行走和驅(qū)動(dòng)滅火裝置兩部分。作業(yè)關(guān)系流程如下：消防機(jī)器人通過檢測模塊在一定范圍內(nèi)檢測火源；若火源被檢測模塊檢測到，則將該信息反饋于消防機(jī)器人的控制板模塊，控制板模塊則命令驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)滅火模塊，直到滅火模塊完成滅火操作；滅火操作完成后則控制模塊驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走模塊進(jìn)入下一個(gè)消防作業(yè)區(qū)。

3.消防機(jī)器人控制模塊

? ? ? ?消防機(jī)器人的控制模塊是機(jī)器人的大腦，機(jī)器人的執(zhí)行由該模塊控制?？刂颇K的設(shè)計(jì)主要就是軟件設(shè)計(jì)，也即編程設(shè)計(jì)。編程設(shè)計(jì)主要是將各個(gè)功能模塊有機(jī)結(jié)合起來，使得機(jī)器人各個(gè)功能相互協(xié)調(diào)，共同合作有效完成相應(yīng)功能。

4.消防機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊

? ? ? ?消防機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)模塊是完成機(jī)器人進(jìn)行消防作業(yè)功能的主要執(zhí)行模塊。驅(qū)動(dòng)模塊受控制模塊的控制，安照控制模塊給出的指令完成相應(yīng)的操作。驅(qū)動(dòng)模塊主要完成的操作有“驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走模塊”和“驅(qū)動(dòng)滅火裝置”。

? ? ? ?驅(qū)動(dòng)行走模塊是為了對(duì)消防機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)區(qū)轉(zhuǎn)移，待當(dāng)前的消防作業(yè)完成之后其進(jìn)入下一個(gè)消防作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)。行走模塊主要是基于探索者組件設(shè)計(jì)的，探索者里有功能各異的零部件，根據(jù)機(jī)器人的功能對(duì)零件進(jìn)行分析選取，之后設(shè)計(jì)出自己所需要的機(jī)械結(jié)構(gòu)完成行走行走功能。要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)有很多方案，如輪式的、履帶式的、足式的等，可以根據(jù)探索者組件進(jìn)行分析篩選，選擇出最合適的方案。

? ? ? ?驅(qū)動(dòng)滅火裝置是待機(jī)器人檢測到火源之后需要完成的動(dòng)作，滅火裝置具備撲滅火源的能力并且受命于控制模塊。滅火裝置也是基于探索者組件進(jìn)行設(shè)計(jì)的，對(duì)探索者零部件進(jìn)行分析篩選，最后根據(jù)功能需求選擇最佳方案。

5.消防機(jī)器人檢測模塊

? ? ? ?消防機(jī)器人的檢測模塊主要是檢測作業(yè)區(qū)有無火源，若有火源則將該信息反饋于控制模塊，若無火源也要將該信息反饋于控制模塊，控制模塊才能根據(jù)反饋的信息對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊作出相應(yīng)指令。檢測模塊具備在作業(yè)范圍內(nèi)檢測火源的能力，基于探索者組件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要設(shè)計(jì)的零部件是相應(yīng)的傳感器以及能夠使傳感器在范圍內(nèi)檢測的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以分析篩選探索者組件，選擇最佳設(shè)計(jì)方案。

三、詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.消防機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)

? ? ? ?根據(jù)消防機(jī)器人的功能特點(diǎn)，對(duì)探索者的零件加以分析，選擇與功能向匹配的零部件進(jìn)行構(gòu)建機(jī)器人機(jī)械體。

? ? ? ?首先是機(jī)器人的自主行走的能力。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主行走這個(gè)功能可以有很多方案。有輪式的、足式的、履帶式的機(jī)器人可以完成這項(xiàng)功能。根據(jù)探索者組件里的零部件進(jìn)行篩選，我發(fā)現(xiàn)有輪式的現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)輪，并且輪式的可靠性要比足式的和履帶式的要高，而且結(jié)構(gòu)相對(duì)要簡單，因此綜合考慮我選擇輪式作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式。

? ? ? ?其次是機(jī)器人的檢測火源的能力。檢測火源應(yīng)該是逐個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行檢測，所以機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)該是需要有兩個(gè)及以上的自由度。根據(jù)探索者組建里的零部件，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的機(jī)械組合也比較多，比較常見的就是兩轉(zhuǎn)動(dòng)軸互相垂直的組合。轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)靠的是電機(jī)，電機(jī)有直流電機(jī)、圓周舵機(jī)和180度轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)?？紤]到消防機(jī)器人檢測需要有一定的檢測精度，也即需要一定的位置精度，考慮到直流電機(jī)和圓周舵機(jī)是無法控制精度的，所以選擇180度轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)，并且舵機(jī)的扭矩比較大，也很完美地契合消防機(jī)器人的功能。所以兩個(gè)180度圓周舵機(jī)是我所選的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。之后根據(jù)所選舵機(jī)來選擇舵機(jī)所需支架和所需輸出頭。

? ? ? ?最后是滅火裝置的設(shè)計(jì)。滅火的方式主要就是噴阻燃劑，阻燃劑不光式水，其他能夠降低燃料的可燃性或者延遲燃燒的物質(zhì)都能稱之為阻燃劑?？紤]的實(shí)驗(yàn)的局限性，可以選擇的方案不多，可以選擇噴水式，還可以選擇鼓吹強(qiáng)風(fēng)（蠟燭模擬火源）。由于設(shè)計(jì)的過程需要不斷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以用水比較麻煩，影響設(shè)計(jì)效率，所以選擇鼓吹強(qiáng)風(fēng)作為我的滅火方式。

? ? ? ?通過探索者組件已經(jīng)可以選擇出能完成功能的零部件了，現(xiàn)在就要考慮如何將這些功能模塊結(jié)合于一體。由于是輪式結(jié)構(gòu)機(jī)器人，所以我將機(jī)器人設(shè)計(jì)成小車模型。從底板開始，探索者組件里有很多平板類結(jié)構(gòu)，有5×7孔平板、7×11孔平板和11×25孔平板?？紤]到機(jī)器人模塊比較多，所以我選擇了最大的11×25孔平板作為機(jī)器人底板。接下來是將檢測裝置合并到機(jī)器人中，用4塊7×11孔平板組合形成一個(gè)帶有大空隙頂板?？找u可以避免與舵機(jī)發(fā)生干涉。

2. 控制模塊設(shè)計(jì)
（1）控制板的選擇

? ? ? ?控制板選擇Basra控制板，由于Basra板上輸出口無法直接與電機(jī)和傳感器等元件進(jìn)行匹配，所以需要一塊用于連接功能元件和主控板的擴(kuò)展板。因?yàn)樘剿髡呓M件里只有一塊與Basra控制板結(jié)合的擴(kuò)展板，所以擴(kuò)展板因主控板的確定而確定了。與Basra主控板匹配的擴(kuò)展板是Bigfish擴(kuò)展板，擴(kuò)展板可以使得主控板的電路連接穩(wěn)定可靠，上面還擴(kuò)展了伺服電機(jī)接口、8*8Led點(diǎn)陣、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及一個(gè)通用擴(kuò)展接口，可以說是Arduino控制板的必備配件。

? ? ? ?需要注意的是D11\D12舵機(jī)端口與LED點(diǎn)陣復(fù)用，注意避免同時(shí)使用。背面兩側(cè)的跳線分別作用于兩側(cè)的紅色接口（通常采用5v，接傳感器）或白色接口（通常采用6v，接舵機(jī)），使用需檢查背面跳線設(shè)置是否與器件電壓相符。?

（2）傳感器的選擇

? ? ? ?探索者組件里有大量功能各異的傳感器，需要選擇能夠檢測火源來完善火源檢測模塊的那些。參考這些傳感器的功能，有些是可以檢測火源的，比較合適的還是火焰?zhèn)鞲衅?。只要在照?0LUX以下的環(huán)境中，火焰?zhèn)鞲衅鬟€是能夠有效檢測出火源的。因此火源檢測模塊選用的傳感器就為火焰?zhèn)鞲衅鳌?/span>

? ? ? ?火焰?zhèn)鞲衅饕卜Q光強(qiáng)傳感器，因?yàn)榭梢詸z測范圍內(nèi)的光線強(qiáng)度，所以可以用來檢測火源，火焰?zhèn)鞲衅骺梢栽?0LUX照度以下觸發(fā)，當(dāng)照度大于30LUX時(shí)傳感器不觸發(fā)。特別要注意的是，火焰?zhèn)鞲衅鞑灰烷W動(dòng)傳感器混淆，閃動(dòng)傳感器和它相似，閃動(dòng)傳感器的觸發(fā)方式為：30LUX照度以下時(shí)變亮觸發(fā)，30LUX照度以上時(shí)變暗觸發(fā)。

（3）電動(dòng)機(jī)的選擇

? ? ? ?前面已經(jīng)確定選用輪式驅(qū)動(dòng)，輪子已經(jīng)確定，現(xiàn)在需要選擇合適的電機(jī)來與輪子配合。探索者組件里的電機(jī)有雙軸直流電機(jī)、12V直流電機(jī)、無刷電機(jī)和圓周舵機(jī)滿足驅(qū)動(dòng)要求?？紤]到只是為了完成自主行走功能，實(shí)驗(yàn)也無需越障爬坡，所以選擇簡單廉價(jià)的雙軸直流電機(jī)作為與輪子配合的驅(qū)動(dòng)電機(jī)即可。

? ? ? ?雙軸直流電機(jī)外接于BigFish擴(kuò)展板的5、6引腳或9、10引腳，5、6引腳與9、10引腳是由VIN引入外部電源的，其電壓基本與外接電源電壓大小一致，電壓范圍為5.9V。設(shè)計(jì)計(jì)劃在機(jī)器人上安裝4個(gè)直流電機(jī)，前后各兩個(gè)，四驅(qū)使得機(jī)器人小車的動(dòng)力足夠，行動(dòng)迅捷。由于有四個(gè)直流電機(jī)，而BigFish上只有兩個(gè)插線引腳（5、6和9、10），所以需將同側(cè)的兩個(gè)電機(jī)引線合并到一起并將其插入擴(kuò)展板的同一引腳上，將另一側(cè)的兩個(gè)電機(jī)引線合并到一起插入擴(kuò)展板的另一引腳上面。

? ? ? ?除了驅(qū)動(dòng)機(jī)器人需要引用電機(jī)，檢測功能也需要電機(jī)。由于舵機(jī)的可控性強(qiáng)，可以在工作范圍內(nèi)精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。而消防機(jī)器人的主要工作就是“檢測火源、精確定位、作出處理”，所以舵機(jī)能夠?yàn)橄罊C(jī)器人的工作提供極大的便利。兩個(gè)舵機(jī)使得機(jī)器人有了兩個(gè)自由度，工作范圍由線性轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘?，大大提高了消防機(jī)器人的工作效率。

? ? ? ?探索者組件里有M01標(biāo)準(zhǔn)伺服舵機(jī)和M04大標(biāo)準(zhǔn)伺服舵機(jī)，由于兩個(gè)舵機(jī)都需要承受一定的負(fù)載，所以我選用的都是M04大標(biāo)準(zhǔn)伺服舵機(jī)。以下是舵機(jī)的原理介紹：

? ? ? ?舵機(jī)稱之為伺服電機(jī)，它是一種角度伺服的驅(qū)動(dòng)器 $%5E%7B%5B1%5D%7D$ 。主要是由直流電機(jī)、控制電路、電位器和減速器等組成，封裝于一個(gè)單元盒里便于安裝于控制。接受外部的控制信號(hào)并將其輸入信號(hào)調(diào)制芯片，從而得到一個(gè)偏置電壓。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，電路會(huì)產(chǎn)生寬度為1.5ms、周期為20ms的基準(zhǔn)信號(hào)，使所獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓相比較，得到一個(gè)電壓差輸出 $%5E%7B%5B2%5D%7D$ 。而電壓差的正負(fù)來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)（電壓差輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片）。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，電位器被聯(lián)級(jí)減速齒輪所帶動(dòng)，電位器相當(dāng)于一個(gè)滑動(dòng)變阻器，當(dāng)電位器達(dá)到一定狀態(tài)時(shí)會(huì)使得電壓差為0，從而使得電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng) $%5E%7B%5B3%5D%7D$ 。這樣的直流電機(jī)控制方式叫作閉環(huán)控制，所以舵機(jī)也可稱作伺服馬達(dá)，英文為“servo” $%5E%7B%5B4%5D%7D$ 。