关于基于STM32单片机的智能消防机器人的设计与应用.doc
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1、关于基于STM32单片机的智能消防机器人的设计与应用0 引言随着工业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1。特别是在面对无情的火灾时,消防官兵无法预测火灾事故现场情况,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3,国内智能消防机器人的研制更是刚刚
2、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4。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。机器人采用STM32F407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5。在车体内部安装前、后、高清、热成像4路摄像机进行视频显示切换和
3、传输,采用7寸分辨率10801024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6,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火灾现场情况做出相应的操作。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,
4、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。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
5、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。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
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