循迹灭火小车实验项目开发与实践

廖 斌 李明枫 陆佳琪 曾欢庆 黄海兰

（桂林电子科技大学<机电工程学院>，广西 桂林541004）

0 引言

复旦共识、天大行动和北京指南，着重解读了新工科的培养模式的创新，探索多学科融合的培养模式[1-3]。机械电子工程是机械工程的二级学科，专业培养模式必须紧密结合新工科内涵。而计算机技术、电子技术、传感器技术、信息变换技术是机械电子技术可融合的重要技术。现代科技发展迅速，各类传感器应用广泛，在培养学生动手能力时，通过添加各类传感器，既为了达到预想的功能目的，也大大增加了学生对机械电子相关技术的兴趣，同时，这也是机械电子专业教育的发展方向[4-5]。

1 实验设计方案

本研究实验功能要求满足多功能控制，直流减速电机作为循迹小车移动的主要动力，设计其小车底盘、电机座、循迹模块安装支架；由灰度传感器、火焰识别传感器、超声测距传感器、蓝牙导航传感器作为周围环境的识别感知配合继电器使用，运动控制使用PID自动控制算法，从而达到循迹灭火的功能。在硬件主控板中，微控制器的作用是控制各传感器协调工作，指挥各项功能的作用，电源电路用于整个小车系统的供电，电机驱动电路主要是驱动动力源，继电器起到保持与触发的目的。图1所示为实验设计方案。

2 机械硬件部分设计

循迹灭火小车实验台的机械结构在满足小车运动所需条件的前提下，还要能够支撑各功能模块，比如电机、轮子、火焰识别模块、灭火风扇、舵机等；整体小车采用前驱单轮驱动结构带动后轮从动轮运动。

主控板中微控制器选用STM32F103VET6，该控制器自带定时器，具有80个I/O口，完全可以实现灰度循迹和火焰识别检测的AD数据实时采集。选择JGB37-520D带编码直流减速电机，具有自带AB相编码器，可实现精准速度控制，满足循迹灭火小车对速度和力矩的要求，作为小车动力来源。选择特制的灰度传感器作为循迹模块，不同位置的聚光LED灯影响光敏二极管两端的电压，得到不同的电压模拟量，进而得到更精确的灰度信息，这样便可以准确把握前进方向。选择火焰识别传感器模块，利用红外线接收器捕捉敏感度高的特定波长的方法，实现火焰识别。测距传感器选用HC-SR04超声波模块，计算声波发出与接收时间的差值得到准确距离[6]。实验装置机械结构如图2所示。

图1 实验设计方案

3 编程设计与调试

循迹灭火小车实验台的编程环境采用MDK环境，以模块化与结构化双模块为编程思路，为方便主程序调用及以后功能移植，每模块的初始化和功能性程序均采用独立的C文件和头文件进行。

3.1 循迹及火焰识别功能程序设计

循迹及火焰识别功能原理相似，均使用模拟量均值进行判断；分别使用模拟量读取引脚进行STN32的ADC外设初始化和DMA控制器进行模拟量读取。为了模拟量数据更加稳定，通过添加硬件电容滤波并使用软件算法平均滤波法，对这一模拟量采集多次并取其均值，进而得到准确的数据模拟量。

图2 实验装置机械结构图

3.2 自动避障功能程序设计

自动避障功能的实现原理是通过超声波测量障碍物到小车的距离，控制小车规避障碍物的动作。超声波模块与舵机相连，直接改变小车运动方向，且可测量180°范围内的距离，保证前进方向不存在盲点。

3.3 蓝牙导航功能程序设计

蓝牙导航是通过不同的指令代码执行不同的操作，蓝牙模块接收手机App发送的指令进而实现手机对循迹灭火小车的导航遥控功能。导航App可搜索并连接蓝牙，支持小车五种工作模式的切换（自动循迹灭火功能、自动灭火功能、自动循迹功能、自动避障功能、导航控制功能）；遥控灭火风扇启停及5模式控制循迹小车前后。左右行走的功能。

4 PID控制程序

由于灰度传感器的多探头输出模拟量数值存在偏差（同灰度，同距离，不同探头输出的模拟量存在差异），需将数据进行归一化处理，将模拟量范围转化为0～1之间。归一化就是得到五个探头与灰度线的相对距离，用加权平均的方法将五个模拟量变成距离偏差值。为使得传感器的检测效果最好，需要传感器的灰度线和高度满足灰度线宽应等于或略小于探头的间距。高度为灰度线在两探头正中时，探头最好均能识别到灰度线。通过调整传感器输出模拟量与理想模拟量的值做差后的偏差，统计每次偏差的累计，计算临近偏差值大小，使得小车得到更好的控制效果。

5 功能测试实验

通过已经设置好的实验环境（循迹区域加灭火区域），可对小车进行循迹灭火实验（如图3），实验相关数据如表1中所示，实验共进行了五次，小车均能够完美实现期望功能。

图3 循迹灭火实验

6 结语

总结上述工作，循迹灭火小车实验平台的预期功能得到了实现，既提供了整体结构进行象征性灭火，证明了硬件组合的可行性，也实现了躲避障碍物，充分说明了设计方案对实体现场的指导性意义。同时，作为机电结合的实验项目，增加功能传感器，成功将灰度线循迹、火焰识别、避障功能、单片机控制、自动控制算法等多模块控制于一身，让学生的动手能力得到充分的锻炼。相信依据这样的培养模式一定可以让学生更快适应时代技术的变革，成为更加优秀的人才。

表1 循迹灭火实验