基于STM32单片机的智能消防机器人设计研究
（淮安生物工程工程高等职业学校 江苏淮安 223200）
摘要：近年来，我国工业技术快速发展的过程中，消防机器人受到广泛的重视，成为重要的标志性产品，具有智能化和灵活性的特点，受到广泛运用，尤其是消防火灾扑救，消防工作人员不能准确预测火灾现场的实际情况，可能会受到现场易燃易爆物品或是化学腐蚀物品的影响，出现生命安全风险，而采用智能化消防机器人技术，就能有效解决消防火灾扑救过程中的安全风险隐患问题，具有一定的重要意义。基于此，本文研究基于STM32单片机的智能消防机器人设计，提出几点设计的措施，旨在为增强消防工作的安全性和可靠性提供帮助。
关键词：STM32单片机；智能消防机器人；设计
Design and research of intelligent fire fighting robot based on STM32 single chip microcomputer
Zhang Qin
(Huai’an bioengineering higher vocational school, Huai’an 223200, Jiangsu)
Abstract: in recent years, with the rapid development of China’s industrial technology, fire robots have received extensive attention and become important landmark products. They have the characteristics of intelligence and flexibility and are widely used, especially in fire fighting. Fire workers can not accurately predict the actual situation of the fire scene, and may be affected by flammable, explosive or chemical corrosive substances on the scene, resulting in life safety risks, The use of intelligent fire-fighting robot technology can effectively solve the potential safety risks in the process of fire fighting, which is of great significance. Based on this, this paper studies the design of intelligent fire-fighting robot based on STM32 single chip microcomputer, and puts forward some design measures to help enhance the safety and reliability of fire-fighting work.
Key words: STM32 single chip microcomputer; Intelligent fire fighting robot; Design
当前，国际很多西方发达国家已经开始研究开发具备侦查能力的消防机器人，我国消防机器人的研发处于初步阶段，虽然软件与硬件的开发趋于成熟，依然存在缺点问题，功能化的水平较低，自主智能化程度难以提升，急迫需要进行系统的改进和优化。而将STM32单片机作为基础的智能化消防机器人，能够提升消防工作的安全性，因此在实际工作中应重点结合消防灭火的需求，合理设计基于STM32单片机的智能消防机器人。
1 基于STM32单片机的智能消防机器人设计
1.1 设计思路
基于STM32单片机的智能化消防机器人，主要是由人机互动界面部分、感知平台、运动平台、传感器检测设备、车体组合而成，如图1所示。实际设计的过程中将STM32单片机中的主芯片进行多种任务的处理，在机器人外部设置温度传感器、气体和水压传感器、超声波传感器、陀螺仪设备等，能准确采集火灾现场和周围的数据信息，同时为提高数据传输效果，设计现代化的数字通信模块。且在车体内部设计的过程中，主要配置前后摄像头、高清摄像头、热成像摄像头，有效进行各类视频的切换、传输处理，将所传输的视频和图像等利用高清高亮HDMI接口显示出来，通过高清图像模块进行无线图像的传输，在后台使用遥控器进行摄像头的控制，实时性、清晰性将视频和图像显示出来。而车体外部则需要设计自动化火灾喷淋系统，进行车体的自主降温，预防在发生火灾事故的过程中车体的零部件受到损害[1]。
图1 智能消防机器人的设计
1.2 软硬件的设计
1.2.1 硬件的设计
整体系统硬件是由以STM32单片机为核心的下位机部分和上位机部分组合而成，将STM32单片机芯片当做是核心控制板，确保所有功能的实现。
（1）上位机的设计
上位机设计的目的在于准确进行霍尔手柄控制信号的读取、操作台中各个功能控制信号的读取，利用A/D转换模式对信号进行转换，使用数据传输的模块将信息数据发送到下位机的主控制器内，以操作手柄中所读取的数据信息当作是坐标系之内操作手柄实际位置的坐标。
（2）下位机的设计
为了确保下位机的应用可以有效进行车体控制，需要先进行运动逻辑的分析，如果左侧电机和右侧电机的正转转速相同，就可控制车辆向着前方行驶，而如果左侧和右侧的电机设备正转速度不同，就可控制车辆向左侧或是右侧转动。如果左侧与右侧的电机设备运转速度相同但是处于反转状态，就可控制车辆向着后方向行驶。在左侧电机和右侧电机转速不同且处于反转状态，就可使车辆左后倒车或是右后倒车。
图2 霍尔手柄坐标
如图2所示，将会手柄设置为右侧上方第一象限，手柄推动到最远的位置，使整个现象中的运动成为圆弧，设置半径a，将其作为电机电压最高的数据值，手柄移动位置b，将其作为实际电机电压的数据值，单片机在读取数据值的过程中，读取到推杆顶端坐标（x,y）的数据信息，可按照下列公式进行b数据值、m数据值和 数据值的计算分析[2]。
公式之内m代表的是左侧电机和右侧电机最高电压数据值， 代表着操作并在参考系之内的操作方向向量角度数据值，按照此类公式进行计算分析，获得相应的参数指标，最终进行电极控制逻辑分析和计算，如表1所示：
表1.电机控制逻辑和计算
除了可以进行上述各类动作的控制，还能通过对左侧和右侧电机进行相同转速的控制，进行相反转向的调控，使车辆在原地旋转。
另外，控制台操作面板的实际操作过程中还能进行水炮上仰控制、向下操作的控制、左侧和右侧摆动的控制、水流喷射措施切换的控制等，同时进行观察云台的控制、蜂鸣器的控制、刹车控制、照明系统控制等。
1.2.2 软件的设计
在系统软件设计的过程中需要以KEIL环境为基础进行控制板的编程，采用C语言进行控制程序的编写，由于STM32单片机芯片具有单个周期DSP指令与FPU浮点单元，计算的性能较高，因此在数据信息计算方面能够节约大量时间，还能为程序执行、数据信息传输等提供支持，加快数据处理和传输的速率，满足系统设计标准要求，因此此次系统的设计将STM32单片机作为软件的核心芯片，确保系统的良好运行[3]。
（2）上位机控制软件设计
在设计上位机控制软件的过程中，应完善软件的操作流程，如图3所示，整体软件在应用的过程中，需要先完成系统和通信模块的初始化操作，进入到主循环的部分，如果操作台由工作人员进行操作，就可以通过A/D转换的模式对控制信号转换，进入到单片机中进行缓存处理，之后输送到数据传输模块，再发送到下位机设备。在此期间，单片机能够从数据传输模块内进行下位机所检测的传感数据信息的读取，而后发送给数字显示屏幕，将相关信息全面显示出来。
图3 上位机控制程序的流程
（3）下位机控制软件的设计
在设计下位机的控制软件系统过程中，如图4所示，需要先初始化处理，然后对传感器数据信息进行读取，将数据存储到寄存器内，利用无线数据传输模块定期将寄存器的数据信息发送到上位机系统中。如果接收到上位机系统所发送的控制信号，就要先进行左侧和右侧电机控制量的计算分析，转换成PWM控制信号，借助串口将信号传送[4]。
图4 下位机控制软件操作流程
（4）图像处理白化算法软件设计
近年来，在科学技术快速发展的过程中，机器人图像处理技术具有多元化特点，而本次系统的设计是将STM32单片机作为核心部分，因此主要使用白化算法技术方式有效解决机器人图像成像问题[5]。
消防机器人在进行火灾扑救和抢险期间，可能会出现物体反射光亮、照明强度过高的问题，导致摄像拍摄受到不利影响，出现不确定性的风险，系统所采集的图像和视频等清晰度难以符合标准。为有效预防此类不确定性因素所带来的影响，在系统设计方面，应合理设计图像的白化算法软件，收集图像的像素数据值信息，将其转变成为平均数据值与单位方差数据值。在软件实际运行的过程中先进行原始灰度图像P像素数据值的分析，按照下列公式进行像素方差数据值 和平均数据值 的计算。
本系统的设计需要将灰度图像转变成为彩色图像，因此应分别设置不同的三个通道，对 与 数据值精准计算，结合公式进行像素的转化处理。同时在系统运行期间可以结合硬件平台的特点，合理进行白化算法软件的应用，通过STM32单片机，准确进行计算处理和滤波处理，利用图像存储器的设备和系统进行画面截取，最终使用 完成图像效果的观察[6]。
1.3 整体机械结构设计
按照智能消防机器人具体的应用需求，在车体整体结构设计的过程中需要确保在满足平地行驶要求的基础上，能够在斜坡区、楼梯区域和积水区域安全驾驶运行，具备一定的特殊功能，例如：可以在洼区或是积水的区域正常行驶，同时也能进行爬坡、跨越障碍，可在原地进行自由旋转。此情况下，建议设计履带类型的机械结构，如图5所示。
图5 履带类型行走机械结构
从本质层面而言，履带类型结构在应用过程中和地面接触面积很大，有很强的附着力和牵引能力，能够在积水道路和泥泞道路行走，通过性很高。整体车体的架构设计，铝合金铸造材料，轮系部分则是由驱动轮、拖链轮等组合成。在实际设计的过程中，将精密行星减速无刷电机设备，配置在驱动轮上，提升驱动力的水平。而导向轮则需要按照地面摩擦系数的差异性，对履带松紧度进行调整，使履带在不同环境都能适应。与此同时配置支撑轮用来进行车体重量、水带重量和水炮重量的制成，其中减震器设备的应用，能够预防出现车体颠簸的问题，增强车体的稳定性和平稳性，且支撑轮能够跟随履带转动发生转动，降低两个部分的摩擦。除此之外，结合车体的结构特点设计专用的消防水炮设施，在车体底部区域的中间位置配置水管，车体后下方的位置将水管接入，利用前端水炮进行灭火剂的喷射，在实际运行期间整体结构的重心很低，喷水的过程中车体非常稳定[7]。
2 基于STM32单片机的智能消防机器人的试验和应用
2.1 试验措施
基于 STM32单片机智能化消防机器人设计完成之后，为确保设备和系统的良好应用，需要做好试验测试工作，采用合理的试验分析方式明确设备和系统的应用是否存在问题，及时进行系统和设备的改进优化。
（1）合理进行速度试验
实验过程中将机器人设置在道路中行驶，进行运行速度的测试，测试之后发现，机器人在执行道路中运行速度为每小时3千米左右，最高爬坡角度36度的情况下，行走速度可以达到每小时0.9千米，直线行走200米的范围内，虽然会出现方向误差偏移的问题，但能够满足具体的实践应用标准要求[8]。
（2）图像仿真试验
图像仿真实验的过程中仿真真实的火灾现场图像，试验完成后可以发现屏幕中所显示的图像，没有非常明显的波纹和雪花，可以满足应用的标准规范。
（3）水炮的试验
按照要求在机器人上设置水带，将水的压力调整为0.8mpa，可以发现水炮的喷水长度为72米左右，自动化喷淋系统能够快速开启，可以有效进行降温。
2.2 具体的应用
实际操作的过程中下位机整体架构主要是由控制板部分、图片视频传输模块、传感器部分、电机驱动部分和电源电压检测模块部分所组合而成。主要功能就是进行上位机操作数据信息和信号的读取，准确计算控制量数据，将PWM信号输出传送到电机驱动器系统，对水炮设备和云台设备的工作进行控制。与此同时，进行不同传感器数据信息的读取，传输到上位机系统，按照传感器所检测的水炮水压数据、车辆前后障碍距离数据、车体倾斜角度数据、车体温度数据等，合理进行各类数据的传输，同时下位机中的电压模块还能对电池电量进行动态化检测，不同数据经过串口传输到下位机控制板内，然后利用数据模块将数据发送到上位机，使各类数据都能在显示屏中显示出来。另外，车辆具备一定的紧急刹车性能，为预防云台或是水炮等设备操作过程中对机械系统造成损伤，应合理设置云台的机械限位，设置水炮的左侧和右侧限位，严格进行自动摆动功能的设定，确保在水炮开启的过程中摆动幅度能够控制在一定的限制范围[9]。
结语：
综上所述，基于STM32单片机的智能消防机器人的设计过程中，需要完善和优化整体架构设计模式和体系，确保软件系统、硬件设备和整体车体机械结构设计的科学性与合理性。完成设计之后还需对消防机器人进行试验测试，分析测试结果，确保后续的良好应用。
参考文献：
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[3] 石天培,朱明杰. 基于STM32单片机的多功能WiFi视频智能灭火小车软件设计[J]. 信息系统工程,2019，15(5):134,137.
[4] 朱明杰,林友坤. 基于STM32单片机的多功能wifi视频智能灭火小车硬件设计[J]. 信息通信,2019，22(1):87-88.
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