基于stm32的消防机器人控制系统的设计与研究电气工程专业.doc

基于STM32的消防机器人 控制系统的设计与研究 摘 要 随着近年来我国经济社会的快速发展，火灾对我国国民经济造成的损失已经呈现出逐年上升的趋势，其中工业火灾比例尤为突出。不同于常见的城市火灾，工业火灾往往发生于厂矿、化工企业，火灾现场大多堆放有大量易燃易爆危险品，且充斥着浓烟和有毒有害气体，消防人员在缺乏火场情报以及相关必要防护措施的情况下贸然冲入火场，极易产生无谓的伤亡。因此，研发消防灭火机器人，取代消防战士进入危险场所执行任务，以及变得迫在眉睫。 本文首先介绍了消防机器人研究的背景以意义，通过阅读相关文献总结了国内外在消防机器人领域的研究现状，展望了消防机器人未来的发展方向。以此为基础，提出了本文需要研究设计的消防机器人的功能需求以及性能指标，进行了行走动力系统以及整体机械结构的设计与研究。 介绍无刷直流电机的特点以及工作原理，针对消防机器人大功率驱动特点，设计开发电机的驱动电路。对无刷直流电机建立数学模型，在MATLAB/Simulink中完成仿真建模。通过仿真比较PID和模糊PID控制效果，确定电机控制算法。 最后对消防机器人电控系统进行整体设计，对电控水炮、传感器、串口通信等关键控制模块进行介绍并设计周围电路；软件部分介绍了开发环境，阐述了上位机和下位机的软件工作流程，并针对软硬件系统中潜在的干扰因素提出了相应的预防措施。 关键词：消防机器人；行走控制系统；模糊PID；STM32 Abstract With the rapid development of our country's economy and society in recent years, the losses caused by fire to our national economy have been increasing year by year, and the proportion of industrial fires is particularly prominent. Unlike common urban fires, industrial fires often occur in factories, mines and chemical enterprises. Most of the fires are stacked with inflammable and explosive dangerous goods, and full of heavy smoke and poisonous and harmful gases. Fire fighters flash into the fire field in the absence of fire field information and necessary protective measures. Casualties. Therefore, the development of firefighting robots to replace fire fighters into dangerous locations is urgent. This paper first introduces the background of the research on fire fighting robots, and summarizes the research status of fire fighting robots at home and abroad through reading the related literature, and looks forward to the future development direction of fire fighting robots. On the basis of this, the functional requirements and performance indexes of the fire fighting robot designed in this paper are put forward, and the design and research of the walking power system and the overall mechanical structure are carried out. The characteristics and working principle of Brushless DC motor are introduced. Aiming at the characteristics of high power driving of fire robot, the driving circuit of motor is designed and developed. A mathematical model of Brushless DC motor is established, and simulation modeling is completed in MATLAB/Simulink. Through simulation, the effect of PID and fuzzy PID control is compared, and the motor control algorithm is determined. Finally, the whole design of the electronic control system of the fire fighting robot is carried out. The key control modules, such as the electronic control water gun, the sensor, the serial communication and so on, are introduced and the surrounding circuit is designed. The software part introduces the development environment, expounds the software workflow of the upper computer and the lower computer, and puts forward the potential interference factors in the hardware and software system. The corresponding preventive measures have been made. 目录 第1章 绪论 随着现代社会的快速发展，自动化技术已经越来越深刻的渗透进各行各业的方方面面，机器人技术也随之愈发深刻地影响着我们的生活。从西周时偃师制造出的“歌舞机器人”伶人，到现如今自动化生产线上广泛应用的工业机器人，机器人技术从未停止过前进的脚步，并不断在更多行业发挥着更大的作用。 1.1课题研究背景及意义 火灾，作为一种古老的灾害种类，一直是人类社会发展过程中最主要的灾害之一[1]。据相关统计[2]显示，2003年至2012年间，随着近年来我国社会、经济的持续不断发展，我国火灾发生次数虽然逐年下降，但是火灾所造成的社会经济损失除2006年有所下降以外，总体表现出逐年上升的态势；在美国，火灾同期发生次数和经济损失都要比我国高出至少一个数量级，但是总体数据趋势与我国也较为相似。究其原因，是近十年来高层建筑、地下涵洞、石油化工厂区如雨后春笋般不断涌现，这些建筑要么建筑结构复杂、消防作业空间狭小而且人员密度集中，要么充斥着大量高危的化工用品，一旦年久失修或者消防设施不完善，极易引发危险品的爆炸或者大量群众伤亡的恶性消防事故。在这种恶性事故面前，救援人员在不了解现场情况和缺乏专业的救援设备的情况下若贸然闯入火场，可能非但不能降低火灾损失，反而会徒增无谓的伤亡。 图1-1 中美火灾统计数据 2015年8月12日晚上,天津滨海新区周围出现危险货物仓库爆炸问题，共有165人死亡，8人失踪，其中有96名消防员丧生，5人失踪。直接经济损失高达68亿元人民币[3]。在这次火灾遇难的消防官兵中，有相当部分人员就是在不了解现场危险化工品堆放位置的情况下就冲入火灾现场，在随后的二次爆炸中不幸牺牲。又在2015年1月,北哈尔滨市南、北南勋陶瓷大市场仓库失火,持续长达20个多小时,坍塌建筑高达11层之多，5名消防战士不幸牺牲。建筑结构复杂、消防通道受阻、失火楼层较高，都使得传统的消防方式在火灾面前无法发挥出应有的作用，更难以保障一线消防官兵的生命安全。如何在减少火灾造成的社会经济损失的同时尽可能地降低消防官兵的伤亡，已经成为摆在消防行业面前一个不容忽视的难题。 图1-2 天津爆炸事故现场 随着自动化技术和机器人技术的不断成熟，以及近年来人工智能技术的快速兴起，研发、生产一款用于替代消防员进入危险火场承担消防灭火任务的机器人已经成为了可能。《中国制造2025》中清楚表明，在2020年大致完成救援救灾机器人重要科技的突破，并能够在市场上小范围的生产及使用[4]。在上述相关资料的引导下，《机器人产业发展规划（2016－2020年）》[5]中国家也指出此后行业发展的具体目标和计划，是促进服务机器人向更广领域发展。而消防机器人作为服务机器人的一种类型，位列重点发展的标志性产品的第七名。这些规划文件的出台，无一不表明着研发、装备新型消防设备在业内的需求日趋紧迫。 消防机器人可以在火势凶猛、浓烟缺氧、随时都有坍塌物的恶性事故现场环境下，快速有效的替代消防人员执行降温、灭火、救援等消防任务，具有很多优点： (1) 无生命损伤性 消防机器人作为非生命载体，可以替代消防战士冲入火场，降低救援人员直面火场的危险性，在人力所不能及的位置上发挥其应有的作用，极大地降低救援人员的伤亡。 (2) 可重复使用性 消防机器人作为一种面对火灾的特殊武器装备，并非一次性损耗用品，只要日常维护保养得当，可以多次反复使用，性价比较高。 (3) 人工智能性 在人工智能已成熟的前提下，结合计算机、电子、机器视觉等多学科技术，消防机器人可以通过传感器采集、处理火场信息，智能感知火场危险因素，自主分析判断并实施救援方案，从而达到快速、高效灭火的目的。 综上，消防机器人的大规模应用将大范围提升我国应对恶性火灾爆炸事故的救援处理能力，进一步降低火灾对国家、社会、企业及个人的经济损失，减少甚至完全避免消防战士在执行任务中产生的伤亡情况。同时，对消防机器人的设计与研发工作也必将带动其他相关机器人领域的前进与发展，更好地推进实现2025中国智造的总目标。 1.2消防机器人的研究与发展现状 1.2.1国外研究现状 早在上世纪60年代，美国和日本就已经开始对消防用机器人展开了研究，随后前苏联、英国、德国、加拿大等也陆续开始了消防机器人的研究工作。由于消防火灾现场环境以及作业侧重不同，单一功能的消防机器人几乎不可能满足所有方位的需求，因此各国在消防机器人的发展上也是五花八门的，基本呈现出团队化和多样化的趋势[6]，因此对于消防机器人的分类标准也不尽相同，目前主流的几种分类方式主要见表1-1。 表1-1 消防机器人主要分类方法 分类类别 功能特征 按智能化程度分类 第一代：程序控制消防机器人 第二代：具有感知功能的消防机器人 第三代：智能化消防机器人 按照消防作业类型分类 灭火机器人 侦察机器人 破拆机器人 排烟机器人 救援机器人 控制方式分类 智能感知机器人 有线控制机器人 无线遥控机器人 作为传统的机器人大国，日本和美国在消防机器人方面也一直走在世界的前列，其研发的消