可快速充电的安防机器人

吕宁一 曹沛晴

随着科技的进步与生活水平的提高，人们对生活和工作环境的安全性与舒适性提出了更高的要求。对于危险灾难而言，“防患”的意义大于“救灾”，如何能够及时发现危险，合理预防；同时又能尽量不打扰人们正常的生活，做到“人性化”防患，是需要研究人员认真思考的一个重要问题。我们在老师的指导下，利用自己所学的知识，设计了一种电动安防机器人（主要功能为火灾预警），它以车载电源为动力，用电机进行驱动，能够对特定区域进行安全巡检并能根据检测的情况采取相应的措施。

电动安防机器人能够“默默无闻”地守护在我们身边，有效地提高我们的工作和生活质量。但如果把充电电池作为安防机器人的储能元件，亟需解决的一个重要问题就是电池的快速充电。针对亟需解决的问题，我们又设计了安防机器人的快速充电装置，实现了以超级电容器为储能元件的能够快速充电的安防机器人演示系统。

我们通过改装工作电压为4.8V的玩具电动车来制作安防机器人的移动底盘，选择两个容量为150F、电压为2.7V的SU0150E-0027V-1CA单体电容器串联后作为电源。两个超级电容器串联后的最高电压将达到5.4，可以满足玩具电动车4.8V的电压要求。

为实时监测超级电容器在充电或机器人运行过程中的电压和容量，我们设计和加工了一个LED电压指示灯，超级电容器的电压与容量成正比，所以LED电压指示器是根据超级电容器的工作电压设计和制作的（如图1）。电容器的电压是5.4V，所以LED电压指示器用5个发光二极管进行显示，另用五个普通二极管分别与发光二极管相连，因为红色发光二极管的导通电压是1.8V，所以只要电压在1.8V基础上增加0.6～0.7V，第一个发光二极管就会慢慢亮起，以后电压每上升0.6～0.7V，就会有一个发光二极管亮起，若5个全亮，说明电压达到4.8～5.3V，电容器完成充电。

电动安防机器人主要由电源模块、电机驱动模块、传感器模块、单片机控制器模块、转向舵机等组成（如图2）。

电源分两部分，一是为机器人的控制电路提供电力，二是为驱动电机提供电力；电机驱动采用一片L293D芯片，该芯片内部集成两个H桥；传感器是为了让安防机器人能够沿既定巡检轨迹行驶，我们将黑色导引线（即车道线）设置在白色的地板上的方式实现这一任务；单片机控制器为机器人的大脑，是由一个飞思卡尔单片机为主的控制器；转向舵机主要收发主控制器发来的信号，进而控制前轮转向。

为实现安防机器人的自动充电，我们设计了一个智能车位式充电站。该充电站与停车位合二为一，主要有充电触头、触头升降机构、驱动电机、测距传感器、微动开关、车位指示灯、大电流AD/DC转换器、车位充电控制器组成（如图3）。

安防机器人能够进行火灾安全巡检、自动预警、自动检测电压、自动充电。在电力充沛的情况下，机器人为安全巡检模式，沿内环道（即红色轨迹）巡检行驶，在行驶过程中自动检测红外热量传感器一级超级电容电压；在电力不足的情况下，机器人切换为充电模式，沿外环道（即蓝色轨迹）进入充电站进行充电并实时检测充电电压。当电力充足时，机器人又回到安全巡检模式，沿内环道行驶检测（如图4）。

本项目的研究设计，可以有效解决工作在特定区域范围内的机器人工作连续性问题，也许还可以用在城市电动汽车的现场快速充电方面，对机器人以及电动汽车的普及和推广具有参考价值。