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摘要：针对国际赛制机器人灭火比赛规则，自行设计开发一款教学比赛用灭火机器人，该机器人控制器以嵌入式ARM CortexTM-M3为核心，合理布局红外光电传感器、地面灰度传感器、远红外火焰传感器，编程策略使门口检测和沿墙走有机结合，采用大功率伺服直流电机作为驱动器模块，通过反复试验实现7秒内完成任意房间灭火。
关键词：灭火机器人；传感器；编程策略
中图分类号：F49
文献标识码：A
文章编号：16723198（2013）01017402
0引言
随着现代科技的飞速发展，机器人在人们生产生活中发挥着越来越重要的作用，在某些特殊领域可以代替人完成人们不可能完成的任务，例如机器人可以参与救援、排爆、消防等。机器人学科涵盖面广，综合了机械、电子、自动控制、传感器、通信和人工智能等多学科的最新技术。目前，很多高校已经开设机器人实践教学课程，同时，国际上还推出不同类型的机器人比赛，为了适应国内机器人教学的发展趋势，借鉴国内机器人生产厂家乐高、广茂达等机器人制作经验，自行设计开发了基于国际赛制灭火比赛规则的机器人。
1选择嵌入式ARM CortexTM-M3为灭火机器人处理器
嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及通信和语音图像技术与各个行业的具体应用相结合形成的产物，既具有硬件扩展功能还有软件开发功能。将嵌入式系统应用于灭火机器人的控制器中，使机器人更加的智能化、网络化和小型化。
ARM CortexTM-M3内含32位72 MHz时钟主频，能执行实时多任务进行快速中断响应。CPU 含有5 级流水线，
紧耦合存储器（TCM），跳转指令高速缓存（BC）等性能增强部件，使得每秒种可执行约1 亿1 千万条机器指令。允许用户自调主频以适应不同的应用场合，具有64Kb 随机存储器（RAM）和512kb 程序存储器（Flash ROM）。
2灭火机器人传感器系统总体设计
传感器用于实时监测周围环境信息，描述机器人与环境的相互关系。主要使用红外光电传感器、180。全方位探测复眼、地面灰度传感器、内置式数字指南针和声音启动模块，灭火机器人传感器分布如图2所示，（〖XC李宗学-03.TIF〗表示红外光电传感器；●表示火焰探测传感器）。
2.1红外光电传感器
主要是用来检测障碍物的，搜索蜡烛所在房间是避免碰撞发生和检测房间门口，也称距离传感器（PSD传感器）。红外光电传感器的检测距离为10cm～80cm。通过发射和接受红外线来确定障碍物的远近。
2.2180°全方位火焰探测传感器
在灭火比赛中主要用于寻找火源。当输出电压约等于0时表示没有火焰，当输出电压为0.5～2.5V时表示探测到火焰。有效探测距离2m，探测角度为60°，在每个半圆形区域共有7个通道，180°扫描范围，同时在机器人前后对称安装2个，则可以覆盖360°范围。
2.3灰度传感器
根据不同颜色地面对光的反射程度的不同，通过比较电压来检测场地内的房间入口白线、火焰范围及出发处。
2.4数字指南针
数字指南针连接于控制卡的I2C端口，机器人通过数字指南针能够明确自己在灭火场地中的位置，智能定向，使机器人能顺利搜索各个房间和在灭火后顺利返回出发点。
3程序设计
有了以上的硬件基础，还要有优化的程序来支撑，我们采用在房间门口白线处检测房间内有无火焰的方法，节省时间，减少碰撞。灭火全过程共由避障、找火、灭火和回到出发点四部分组成。
3.1门口白线处检测火焰的程序设计
利用红外光电传感器，检测墙壁实现无碰撞行走。机器人通过地面灰度传感器检测每个房间入口的白线，在白线处利用火焰传感器和温度传感器快速探测有无火源，如果检测到火源，则走进房间蜡烛周围的白线区域火焰处启动灭火风扇完成灭火，最后返回到出发点。其总体算法流程图如图3所示。
3.2躲避碰撞程序设计
灭火机器人主要通过距离红外传感器，判断距离周围墙壁的远近，从而控制机器人无碰撞行走。无火不进房间策略综合应用了右手、左手法则以及固定线路法来躲避障碍物，以沿右墙走为例说明躲避碰撞搜索房间的程序。通过红外光电传感器设置多个条件判断，对机器人下一步的运动方向做出精准的判断，从而躲避碰撞。如表3所示，其中PSD2为右45度角红外传感器，PSD1为右红外传感器。
3.3机器人寻找火源及回家程序设计
当机器人前、后两个灰度传感器检测的灰度值有较大差距时，则说明机器人处于房间的门口白线处。这时左、右火焰传感器和温度传感器检测火源，通过前、后温度传感器值来判断房间是否有火。如果有火源则进入灭火阶段，通过检测左右火焰探测传感器的值来调整机器人位置使其正对火焰，最后启动风扇将蜡烛熄灭。
在对火源进行灭火后，需返回且停在出发点位置。返回路线根据机器人所处的房间不同而不同，如果在1号或者4号房间灭火后走右手法则回家；如果在3号房间则灭火后走左手法则回家；如果在2号房间灭火后先走左手法则，然后走固定直线线路返回到出发点位置。当机器人的地面灰度传感器检测前后皆为白色并且红外光电传感器检测前面有墙壁时结束程序，即回到出发点成功灭火。
4总结
灭火比赛的任务是机器人以最短时间找到火源并熄灭。成功灭火并且用时最短者获胜。机器人遍历4个房间后，熄灭4号房间的火源，实际灭火时间大约为7秒左右，接近于国内领先水平，其余房间实际灭火时间均在6.5秒以下。实验表明设计的灭火机器人能够较好完成灭火任务.具有一定使用价值。该设计的创新之处是以ARM CortexTM-M3为核心的嵌入式系统的控制器能够高速采集和处理传感器信号。实现7S内完成任意房间灭火，并且成本较低，有利于智能机器人早日实现市场化；通过沿墙行进规则的设计，机器人的灵敏度和适应外界变化的特性明显提高.且程序简捷，有利于模块化编程。
参考文献
[1]张晓伟.刘盼盼.嵌入式系统设计原理开发实例[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2]ASControSet2012控制器使用手册[M].上海：上海广茂达，2012.
[3]梁毓明，徐立鸿.移动机器人多传感器测距系统研究与设计[J].计算机应用，2008，28（6）：340343.
[4]SETHARES W A，MORRIS R D，SETHARES J C.Beat tracking of musical performances using lowlevel audio features[J].IEEE Transactions on Speech and Audio Processing，2005，13（2）：110113.
[5]NISSON N J.Artificial intelligence：a new synthesis[M].Beijing：China Machine Press，2006：5860.
[6]卓晴，黄开胜，邵贝贝等.学做智能车[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[7]孙涵芳，徐爱卿.MCS-51/96单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[8]陶敏，陈新，孙振平.移动机器人定位技术[J].火力与指挥控制，2010，35（7）.
[9]陈小宁，黄玉清，杨佳.多传感器信息融合在移动机器人定位中的应用[J].传感器与微系统，2008，27（6）.
[10]周华.传感器融合技术在移动机器人定位中的应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.
关键词：灭火机器人；传感器；编程策略
中图分类号：F49
文献标识码：A
文章编号：16723198（2013）01017402
0引言
随着现代科技的飞速发展，机器人在人们生产生活中发挥着越来越重要的作用，在某些特殊领域可以代替人完成人们不可能完成的任务，例如机器人可以参与救援、排爆、消防等。机器人学科涵盖面广，综合了机械、电子、自动控制、传感器、通信和人工智能等多学科的最新技术。目前，很多高校已经开设机器人实践教学课程，同时，国际上还推出不同类型的机器人比赛，为了适应国内机器人教学的发展趋势，借鉴国内机器人生产厂家乐高、广茂达等机器人制作经验，自行设计开发了基于国际赛制灭火比赛规则的机器人。
1选择嵌入式ARM CortexTM-M3为灭火机器人处理器
嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术以及通信和语音图像技术与各个行业的具体应用相结合形成的产物，既具有硬件扩展功能还有软件开发功能。将嵌入式系统应用于灭火机器人的控制器中，使机器人更加的智能化、网络化和小型化。
ARM CortexTM-M3内含32位72 MHz时钟主频，能执行实时多任务进行快速中断响应。CPU 含有5 级流水线，
紧耦合存储器（TCM），跳转指令高速缓存（BC）等性能增强部件，使得每秒种可执行约1 亿1 千万条机器指令。允许用户自调主频以适应不同的应用场合，具有64Kb 随机存储器（RAM）和512kb 程序存储器（Flash ROM）。
2灭火机器人传感器系统总体设计
传感器用于实时监测周围环境信息，描述机器人与环境的相互关系。主要使用红外光电传感器、180。全方位探测复眼、地面灰度传感器、内置式数字指南针和声音启动模块，灭火机器人传感器分布如图2所示，（〖XC李宗学-03.TIF〗表示红外光电传感器；●表示火焰探测传感器）。
2.1红外光电传感器
主要是用来检测障碍物的，搜索蜡烛所在房间是避免碰撞发生和检测房间门口，也称距离传感器（PSD传感器）。红外光电传感器的检测距离为10cm～80cm。通过发射和接受红外线来确定障碍物的远近。
2.2180°全方位火焰探测传感器
在灭火比赛中主要用于寻找火源。当输出电压约等于0时表示没有火焰，当输出电压为0.5～2.5V时表示探测到火焰。有效探测距离2m，探测角度为60°，在每个半圆形区域共有7个通道，180°扫描范围，同时在机器人前后对称安装2个，则可以覆盖360°范围。
2.3灰度传感器
根据不同颜色地面对光的反射程度的不同，通过比较电压来检测场地内的房间入口白线、火焰范围及出发处。
2.4数字指南针
数字指南针连接于控制卡的I2C端口，机器人通过数字指南针能够明确自己在灭火场地中的位置，智能定向，使机器人能顺利搜索各个房间和在灭火后顺利返回出发点。
3程序设计
有了以上的硬件基础，还要有优化的程序来支撑，我们采用在房间门口白线处检测房间内有无火焰的方法，节省时间，减少碰撞。灭火全过程共由避障、找火、灭火和回到出发点四部分组成。
3.1门口白线处检测火焰的程序设计
利用红外光电传感器，检测墙壁实现无碰撞行走。机器人通过地面灰度传感器检测每个房间入口的白线，在白线处利用火焰传感器和温度传感器快速探测有无火源，如果检测到火源，则走进房间蜡烛周围的白线区域火焰处启动灭火风扇完成灭火，最后返回到出发点。其总体算法流程图如图3所示。
3.2躲避碰撞程序设计
灭火机器人主要通过距离红外传感器，判断距离周围墙壁的远近，从而控制机器人无碰撞行走。无火不进房间策略综合应用了右手、左手法则以及固定线路法来躲避障碍物，以沿右墙走为例说明躲避碰撞搜索房间的程序。通过红外光电传感器设置多个条件判断，对机器人下一步的运动方向做出精准的判断，从而躲避碰撞。如表3所示，其中PSD2为右45度角红外传感器，PSD1为右红外传感器。
3.3机器人寻找火源及回家程序设计
当机器人前、后两个灰度传感器检测的灰度值有较大差距时，则说明机器人处于房间的门口白线处。这时左、右火焰传感器和温度传感器检测火源，通过前、后温度传感器值来判断房间是否有火。如果有火源则进入灭火阶段，通过检测左右火焰探测传感器的值来调整机器人位置使其正对火焰，最后启动风扇将蜡烛熄灭。
在对火源进行灭火后，需返回且停在出发点位置。返回路线根据机器人所处的房间不同而不同，如果在1号或者4号房间灭火后走右手法则回家；如果在3号房间则灭火后走左手法则回家；如果在2号房间灭火后先走左手法则，然后走固定直线线路返回到出发点位置。当机器人的地面灰度传感器检测前后皆为白色并且红外光电传感器检测前面有墙壁时结束程序，即回到出发点成功灭火。
4总结
灭火比赛的任务是机器人以最短时间找到火源并熄灭。成功灭火并且用时最短者获胜。机器人遍历4个房间后，熄灭4号房间的火源，实际灭火时间大约为7秒左右，接近于国内领先水平，其余房间实际灭火时间均在6.5秒以下。实验表明设计的灭火机器人能够较好完成灭火任务.具有一定使用价值。该设计的创新之处是以ARM CortexTM-M3为核心的嵌入式系统的控制器能够高速采集和处理传感器信号。实现7S内完成任意房间灭火，并且成本较低，有利于智能机器人早日实现市场化；通过沿墙行进规则的设计，机器人的灵敏度和适应外界变化的特性明显提高.且程序简捷，有利于模块化编程。
参考文献
[1]张晓伟.刘盼盼.嵌入式系统设计原理开发实例[M].北京：电子工业出版社，2008.
[2]ASControSet2012控制器使用手册[M].上海：上海广茂达，2012.
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[4]SETHARES W A，MORRIS R D，SETHARES J C.Beat tracking of musical performances using lowlevel audio features[J].IEEE Transactions on Speech and Audio Processing，2005，13（2）：110113.
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[6]卓晴，黄开胜，邵贝贝等.学做智能车[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
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[10]周华.传感器融合技术在移动机器人定位中的应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.