智能灭火机器人硬件电路的设计

　　人工智能也称机器智能，是一门研究人类智能机理和如何用计算机模拟人类智能活动的学科。经过50多年的发展，人工智能已形成极广泛的研究领域，并且取得了许多令人瞩目的成就。智能机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿。智能机器人的研究，大大促进了人工智能思想和技术的进步，渐渐成为一个备受关注的分支领域，各种智能机器人比赛也成为国内外广泛推广和发展的一种竞技项目。

　　为实现机器人高速精确地按照规定路径行走，要求机器人的CPU能够实时迅速地读取多个传感器端口数值，并在较短的时间内完成对各端口数值的存储、运算和输出等多种任务。由于嵌入式微处理器对实时任务具有很强的支持能力，能够完成多任务并且具有较短的中断响应，因此在设计过程中选用以嵌入式微处理器ARM9为核心的控制器，其内部采用哈佛结构，每秒可执行一亿一千万条机器指令。本设计还设置了4路PWM控制信号输出端口，用以驱动4路大功率直流电机，实现对转速的精确调节；此外，还设置了7路Do数字输出端口，用以驱动伺服电机、蜂鸣器、继电器、发光二极管等。为了给庞大和复杂的程序提供更多的执行空间，本设计附加设置了100 KB的数据存储器（RAM）和512 KB的程序存储器（Flash ROM），用以存储更多的数据和命令。

　　电源和驱动电路设计

　　电源及采样电路

　　电源是保证机器人稳定、可靠运行的关键部件，它直接影响着机器人性能的好坏。由于本机器人电机驱动和控制器采用两种不同等级电压的电源，为避免2个电源相互干扰，本机器人采用双电源供电系统：电机电源采用高放电倍率聚合物锂电池，容量为2 500 MAH，工作电压为24 V，能提供40 A的稳定供电电流，是普通电池的10倍；控制器电源采用8.4 V锂电池，并提供电压采样端口，以供电池检测，电路图如图2所示。

　　

　　为获得CPU各端口电路所需要的不同等级的电压，本设计采用 1个LM317T三端稳压器和2个AMS1117低压差线性电压调整器，并通过其附属电路，得到精确稳定的5 V、3.3 V、1.8 V 三种电压；采用1个发光二极管LD1和限流电阻R5作为电源指示灯，以显示电源开关的状态；为实时采样电源电压，防止锂电池过放或过充，设计中通过R1、 R2分压，引出AD19端口作为电源采样端口。

　　直流电机驱动电路

　　由于竞技比赛的需要，机器人要在避免碰撞的前提下尽可能提高速度，因此要求具有更大功率的驱动器和更灵敏的控制方式。为此本文采用的电机驱动电源电压为16.8 V，电流为20 A；采用占空比范围为0～95%的4路PWM信号控制直流电机，以实现精确的调速。

　　由于电机功率较大，并要求能实现双向、可调速运行，本文设计了半桥式电力MOSFET管，成功实现了对电机的控制。如图3所示，2路PWM信号通过 IR2104半桥驱动器（half-bridge driver）和相应保护电路连接至型号为IRF2807 的MOSFET管，控制电源与电动机连接线路的通与断，达到控制电机速度的目的。当PWM信号占空比较大时，线路导通时间长，电机速度大；相反，当PWM 占空比较小时，线路导通时间短，电机速度小。4个MOSFET管在不同时刻导通组合，实现控制电机转动方向：当MSFET管1和4导通时，电机端口1为正、2为负，电机正转；当MOSFET管2和3导通时，电机端口2为正、1为负，电机反转。

　　

　　远红外火焰传感器组

　　为能完成灭火任务，机器人必须能确定火焰的大致位置，并能对火焰是否被扑灭做出判断。本文设计了由28个红外接收管组成的2个远红外火焰传感器组，前后每个方位各有14个红外接收管组成，每2个并联并指相同一个方向，2个传感器组共指向14个方向，可以覆盖360°范围。如图所示，14个端口通过CD4051八路转换开关连接至ATMEGA8—16PC单片机，其中 SCK、MISO、MOSI为位选择端口。此外，本设计还可以通过对14路读取数据进行比较，从而确定其最大最小值及相应端口值，方便火源方位的确定。

　　

　　通过对远红外传感器组的不同端口值的比较，还可以确定机器人和火源的相对位置，以判断前进方向，完成趋光动作。当机器人与火源相对位置如图5（b）所示时，可以读取端口2和端口4的值，并进行作差，端口2的值大于端口4（说明2更靠近火源），则执行左拐命令，使其差值在一定范围内，然后执行直行命令趋近火源。

　　地面灰度传感器

　　比赛规定，机器人起始位置是直径为30 cm的白色圆，每个房间入口有一条3 cm宽的白线，其他地面均为黑色。机器人的启动和停止及进房间的标志都要依靠对地面灰度的判断，因此需使用能对地面反射光线的强弱做出反应的传感器。本机器使用一对地面灰度传感器，放置在前后两端的底座上。地面颜色越深，其值越大，地面颜色越浅，其值越小。

　　如图6所示，地面灰度传感器通过发光二极管LED照亮地面，地面的反射光线被光敏三极管接收，当地面颜色为黑色时，反射的光线比较弱，则光敏三极管的基极电流越小，集电极电流也相应较小，1端口电压值较高，其测量值较大；反之当地面为白色时，反射的光线较强，集电极电流越大，1端口电压值较小，测量值也较小。

　　

　　本文研究并设计了基于ARM9嵌入式系统的一种智能灭火机器人，具有以下5个创新点：（1）采用了嵌入式系统内核，大大提高了机器人处理信号的能力；（2） 双电源供电系统引入，使机器人的运行更加稳定可靠；（3） 采用PWM信号控制大功率直流电机，在速度和精度方面有了很大的改进；（4）通过合理选择PSD测距传感器的个数和安放位置，既满足比赛要求，又能节约成本；（5）本文设计的远红外火焰传感器组，很好地完成了对火源的精确定位任务，提高了灭火可靠性和快速性。实测证明，本文设计的机器人能够很好地完成比赛任务，并且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高，具有很强的应用价值。