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1、 毕业设计（论文）外文翻译 外文题目 Design and Construction of an Autonomous Fire Fighting robot 译文题目 自主灭火机器人的设计与构造 外文出处 国际电机及电子学工程师联合会ICIET 2007 学 生 学 院 信息科学与工程学院 专 业 班 级 自动化 校内指导教师 专业技术职务 教授 校外指导老师 专业技术职务 自主灭火机器人的设计与构造 国际电机及电子学工程师联合会ICIET2007 Kashif AltafAisha Akbar, Bilal IjazCOMSATS信息工程学院 电机工程学系 ，伊斯兰堡，巴基斯坦国立科学技术
2、大学 机电工程系，拉瓦尔品第，巴基斯坦kashifaltafl 摘要 ：在人工参与可能是太危险的情况下使用机器人的需求正在日益增长。部署机器人灭火就是这样的应用之一。本文是基于一个目的在于仿真现实世界场景的比赛机器人的结构。本文将讨论一个完全自主的灭火机器人的设计，这个机器人能够在基于迷宫导航的线跟踪而专门设计的蓝色竞技场上通过利用荧光线构成的迷宫来导航。在竞技场上有少许在机器人导航时必须避免的障碍，是为了机器人的设计包括壁障。该机器人将跟踪白线，检测火焰抵达竞技场中不同位置的的蜡烛前并用风扇吹灭它。这个机器人实施的理念为差动式驱动控制，避障，环境遥感，电子电路设计和迷宫导航（线追踪）。 机器
3、人使用的传感器是光敏电阻器（交互式数字），并且机器人是由ATmega16微处理器控制的。该机器人设计符合所订定的规则，并参加国家工程机器人竞赛（自然环境研究理事会），2005年，巴基斯坦。 1.引言 国家工程机器人竞赛是由巴基斯坦的国立科学技术大学机电工程系主办的一年一度国家级机器人竞赛。每年，机电一体化工程的第六学期学生的本学期项目包括由4-5个人组成的团体制作一个自主的机器人参加这个国家的盛事。每一年，自然环境研究理事会的主题是不同的，2005年自然环境研究理事会的主题是消防。在本次比赛中，不同的团队准备的机器人要在图1所示的平面布置图中互相竞争。该机器人的起始位置，启动区是固定的。四支蜡
4、烛都放置在竞技台上，其中固定位置的有三个，第四个的位置是随机的（由红色的线表示），机器人必须检测它们的位置并且吹它他们。该机器人不能接触或碰撞放置在竞技场上的不同位置的三个障碍，在最短的时间内吹灭四个蜡烛且没有碰撞到障碍的机器人将获得胜利。图1组委会规定的规则如下： 该机器人必须完全自主机器人必须由电池供电，不需要外部的源动力 最终的设计应整洁 布线应简洁明了该机器人必须在10公斤的重量之内，而且必须符合能在1200平方厘米内的启动区内启动。参赛者应当深入了解：模拟和数字电路设计 微控制器的指令和操作（89C51的，ATmega16的等）线性时不变系统。2.讨论2.1硬件设计 硬件主要结构包括
5、传感器，执行器，物理结构和电池。所有组件都必须协同工作，让机器人能够感知周围环境，并采取适当行动，以扑灭火灾。硬件的各组成部分有： 2.1.1机箱 机箱是为了给一个物理结构和形状的机器人。同时考虑下列要求： 必须是轻量级 必须是紧凑并且面积不超过1200平方厘米。 必须能够携带所有的传感器，执行器，电池，微控制器电路板，马达驱动器等 重心较低，以避免在移动机器人倾翻，在高速行驶时的转向。为了满足重量要求，使用铝来制作。机箱包括两个板块 ，一个在另一个之上，主要重量放在下平板一些其他组件在上平板。板块都保持长方形，以适应所有组件，其中图二大多数也是矩形的板，因此大部分区域是消耗材料的。该线跟踪传
6、感器被装到了下平板的底部，为高低功率电路工作的沉重电池于下板上面固定。图三2.1.2蜡烛检测机制图四安装于下板下面检测位置随机第四个蜡烛的本机制，由一个长金属杆装到一个金属槽组成，它能够使用由为此成立的电动机驱动链机制向内外滑动。杆的中心有一个结束的U形架，向下弯曲，同时有一个红外线发射器点A，如图6所示，在B点有个探测器，当机器人检测竞技场最左边线上的位置随机的蜡烛时，它扩展了杆向外延伸，否则保持不扩展。杆是延长，使机器人在最左边第二行移动，而U形部分正好在蜡烛所在某处的最左边线之上。当发射器发射光到检测光的检测器时，机器人从一侧开始移动到另一侧，直到到达这一点在随机位置蜡烛在A和B之间，此
7、处光束探测器无法达到。这一点触发到微控制器，在其立即停止转动机器人中断的同时打开灭火风扇来扑灭第四个蜡烛。 图六图五2.1.3灭火机制该灭火机制，必须轻巧，可靠，快捷。我们本可以使用二氧化碳气体或水，但会造成负担，超出重量的限制条件，且无法及时灭火。因此，我们决定使用电风扇吹灭蜡烛火焰。一个有12伏直流电机风扇被用作灭火机制。它速度快，可靠，重量轻。 2.1.4电机驱动电路 由于驱动电机电流相当高平均为4安培，每个电机峰值达到7安培，我们设计的15安培电流电机驱动，保留超过100的安全边际。图七电机驱动电路（H桥）设计有双极型晶体管（BJT），并在4千赫运行。它是被ATMEGA8535控制器上
8、的脉冲宽度调制（PWM）通道控制的。该电路原理图如图7。每个H桥由四个开关，上二下二分别是PNP和NPN型。 2N3055是功率晶体管，TIP122一个NPN达林顿和TIP127一个PNP达林顿。TIP127/TIP122与2N3055在达林顿配置连接，以减少所需的基极电流 。 对于2N3055最低测试是20，TIP122和127是1000，从而使20000等效测试最低。集电极电流的最大可能值是15A，相应的最大基极电流是0.75毫安，其中微控制器可以很容易地提供。 图八四个开关是成对的被打开和关闭的。每个开关上与下，使开关以外的另一对正是在它下面的一对交换机的短接在一起，使这些基地一起开启和
9、关闭。因此，我们有两个控制引脚，每对一个总销，这些都是交替使用完全打开和关闭了从相位的PWM控制器PWM通道的两个转向。这是非常必要的，这两个引脚同时不应该是高而主电源供应到桥，因为那时，所有的四个开关将打开，并且将主电源短路，因此导致了击穿的情况，最终烧坏开关。虽然快速开关正在起作用，关闭后开关中的剩余电流对开关的性能来讲仍然构成威胁。为了避免这一问题，HER307平行二极管用于所有四个开关。提供适当的散热是所有四个开关，方便开关冷却，并最终即使7-8A作用域电机马达驱动表现良好。2.1.5差分驱动机制 在一些情况下，机器人必须转90或180度，同时保持跟踪的交界处。传统的单驱动系统，很难遵
10、循这样一个旋转序列，所以我们实施差分驱动机制驱动机器人。在这个系统中，机器人的一侧车轮每个被连接到一个单独的电机。当机器人必须向前迈进，电动机同时在同一方向移动，但如果一个路口要转弯，马达被指示旋转方向相反，在同等速度，使一个轮子旋转着，另一倒退，从而使得机器人轮流享有作为自己的中心旋转中心的交界处。2.2软件设计 2.2.1检测线 被跟踪的线都是白色的反射在蓝色的无反射背景的竞技场上粘贴胶带制成。因此很自然，光线的反射感应是最可取的选择。因此，我们使用红外线发光二极管（发射器）和低剂量辐射传感器（探测器）感应到白线。由于从发射光可以反映的是白线，到达邻近的光隔离器，无法到达探测器由于不反光的
11、蓝色的舞台，竞技场上的白线和蓝色的表面可能是有区别的。当一个传感器（发射探测器）以上的蓝色区域时，没有被检测到的光由连接到控制器的中断引脚的探测器。但是，一旦作为传感器以上的白线（有的达到或交界处发生偏差）来了，立即中断控制器，这是检查是否有一些偏差或交界处，以基本情况采取相应的行动。 2.2.2 在线跟踪 该机器人必须履行的基本任务之一是强大的在线跟踪。要做到这一点，对于一个竞争的舞台对非蓝色舞台上的反光材料反光带白线。在线跟踪是通过两个低剂量辐射传感器。一个红外线LED和LDR的传感器，相互隔离，被用来作为发射探测器，这样，当两者结束的反射线准确，光从发射器可反射到探测器，而探测器检测不到
12、任何光线而在蓝色的背景。该线的宽度几乎一英寸。因此，两个传感器之间的间距是一英寸半是有很重要到原因的。正如图9（左）所示，机器人是沿着正轨。但在图9（右），机器人向左偏移，所以机器人控制器指示右转改正。但是，如果传感器之间的距离几乎是相等的线宽，该机器人将被责令改正自身的时刻，有一点偏离，这将导致稳定的抽搐。这是因为当机器人偏离任何一方，其中一个线跟踪传感器将正好在白色荧光线之上，光检测器检测光，这是一个偏差信号。然而，如果一些余量提供给传感器，使传感器之间的距离比线稍宽，机器人偏离这么多使得传感器之一在线之上，该传感器检测到某些光将花费一段时间。因此，一个相对较小的抽搐，得到平滑的运动。然而
13、，线跟踪算法的稳健性不应受到损害，同时使运动平滑，权衡两者之间为宜。 2.2.3交界检测 图九交界处形象地检测过程如图10。在最左边的图中，传感器还没有碰到被检测的交界处。在中间的一个，为在线跟踪的专用前传感器都在横线之上，这种情况是一个路口就是要达到的指标。请记住，这种情况，两种线跟踪传感器检测白线，几乎从未离开交界处出现。该控制器准备好用于检测交界处，并尽快交界处的传感器同时检测的白线，说明中心的交界处已达到，控制器将它它算作一个交界处。在整个行程的竞技场计划的基础上，计算和路口左转或右转按预先计划的道路。 这两个路口安装了检测传感器正是在机器人的中心，正好低于每边车轮的轴心，因此，当机器
14、人需要转到90度，它仍然在路口，并没有摆脱它转动后 的中心距离。 图十2.2.4迷宫导航算法 该控制算法的目的是要沿着预先计划的道路驾驶机器人，以避免所有的障碍，保持路线的长度尽可能短，在最短的时间完成分配的任务。整个计划的基础是计算交界处，并采取适当行动，同时达到相应的交界处，如直行，左转，右转或180度顺时针等路径，我们决定路线如图所示。下面在橙色图中，有三个不同的路口，粉红色圆点表示的三个固定位置蜡烛的位置。在最左边的蓝色线上，标示出了必须被检测出的蜡烛的随机位置所需行走的路线，如图11所示。 当机器人启动时，它首次达到从那里指示顺时针旋转90度的交界处。然后到达B和逆时针转90度。 在
15、C，顺时针旋转90度，在D处没有旋转，在E处停止，顺时针转90度，吹第一根蜡烛关闭，逆时针转180度，在F处不停留，在G处停留吹灭第二根蜡烛，原地90度逆时针旋转，在H顺时针转90度，在I处逆时针90度，然后最终达到J，在这里逆时针转90度，向外延伸其手臂，直到发射探测器对就在上面的蓝线有可移动的图十一蜡烛它放在某处，并开始沿着JK线行走的，传感器感觉到随机位置的蜡烛正在LM之上，当传感器检测到在到达发射探测器（蜡烛）光路的障碍时，机器人立即停止，并启动灭火风扇吹了此蜡烛。 3.结论该机器人的设计制作是一个奇妙的经历。我们能够实现我们想象的概念，例如差分驱动系统，导航和蜡烛迷宫检测系统。我们的
16、机器人终于能够扑灭所有的蜡烛，包括随机位置的那个，但由于我们的机器人花费了较长的时间才能完成任务而无法赢得这场比赛。如果我们有更多的时间来提高性能，我们将会： 增加了齿轮头比例，使机器人的速度增加，因此可以节省时间。 降低了底盘的大小，以便在结构更紧凑。 制造更强大的蜡烛变量检测机制和减少环境条件影响。 2. 参考文献 1. http:/www,ccme.edu.pk/nerc/pastcontests.htm2. Kashif Allaf, Design, implementation and real-time digital control of a cart-mounted inver
17、ted pendulum using Atoiel AVR Microcontroller, WSEAS ISPRA 2007, Corfu, Greece, pp 54-59.3. David J. Ahlgren, Fire fighting robots and first-year engineering design, Trinity college experience, 31 ASEE/1EEE Frontiers in Education Conference, 2001, Reno, NV.4, Scott Dearie, Kevin Fisher, Design and Construction of a fully autonomous fire fighting robot, IEEE ICET, 2005, Islamabad, Pakistan.第11 页 共11页