基于高性能处理器控制的火灾巡防报警智能机器人系统概述

傅真鑫 杨一

摘 要 本文通过恩智浦智能车竞赛这一平台，基于恩智浦MK66FX1M0VLQ18芯片、光电感烟传感器等硬件，以及循迹算法、归一化算法、PID算法等设计出智能巡防报警的智能机器人系统。具有室内巡防，火灾预警功能。其灵活性好，机警性优，在社会火灾防治中，能很好发挥其巡防预警作用。

关键词 恩智浦智能车;循迹算法;归一化算法;PID算法

引言

现代社会发展中，火灾往往是最普遍威胁公众安全的灾害。巴黎圣母院火灾、7·18日本京都动画纵火案都给人类文化带来了无法预计的损失，将视线再次聚焦到室内防火问题上来，立足于火灾巡防，火灾预警，我们的团队尝试开发一种智能室内巡防火灾机器人。本项目基于K66芯片，结合智能机器人与光电感烟探测器，研究出室内智能巡防机器人，将智能巡防室内，采集空气环境数据，在有火灾征兆之时就发出预警，防患于未然。该系统研发成功后，将可在一定程度上应用于企业车间、生产线、仓库等易发生火灾的场所，能够在一定程度上降低火灾隐患。

1系统整体设计

本巡防机器人是基于恩智浦MK66FX1M0VLQ18主控芯片设计的智能室内巡防机器人。硬件部分主要由电源模块，电机驱动模块，电磁信号及运放模块、通讯模块、各种传感器等实现，软件部分主要由路径循迹算法、控制算法（PID）实现。

1.1 硬件电路设计

（1）电机驱动模块。驱动电路采用BTN7971B芯片作为驱动芯片，通过使用两片芯片即可构成全桥驱动电路，其是应用于电机驱动的大电流半桥高集成芯片，通态电阻典型值为16m，驱动电流可达43A。驱动电路结构简单，负载能力强，为机器人的加速和制动性能以及上限速度得到了很大程度的提高[1]。

（2）相关传感器模块。在嵌入式系统中，传感器就是它们的眼睛，而在本巡防机器人的核心功能就是检测环境，就需要烟雾传感器、有毒气体检测传感器、可燃气体检测传感器、蜂鸣器等，进行采集相关数据，并通过串口通信将数据实时传输到终端进行存储并统计每日的环境数据，如遇到数据具有异常值，即很有可能发生火灾或其他问题时，则有蜂鸣器进行报警并将特殊信号发送给系统终端，進行预警提示。此外还有openmv视觉传感器、光敏传感器等。

2软件算法设计

2.1 循迹算法设计

我们设计的巡防机器人是基于电磁信号的固定路径巡防检测，所以预先在设计路径后，铺上20KHZ的交变电流作为指引信号。基于硬件的电感以及运放电路得到准确的四路控制信号，然后进行处理。不妨设ad_max，ad_min为参考电感值（由运行之前测得），首先信号预处理，对信号进行归一化处理。

紧接着进行差比和算法进行判断其与电磁线的相对位置，通过以自电感差比和得到普通路线的相对位置，而利用内八电感进行判断特殊路段（环岛、十字转弯等）。当parallel为负数时，其相对位置就是在电磁线左侧，这时则应调整pwm，通过差速使其回到中心位置。

2.2 速度、方向PID算法设计

本巡防机器人的速度和方向的控制算法均是PID算法，其PID（proportion integration differentiation）分别代表比例、积分、微分控制，使实际情况可以迅速并准确的靠近我们的期望值。

根据该系统整体设计流程以及相关资料，我们可以使其调节我们的控制系统，首先是比例控制，其直接反应系统实际情况与预设偏差，并能反馈到调节力度，可以直接得到波动反馈比较大的调节效果，容易出现静差，导致系统始终波动。随后加入积分控制，其主要功能就是调节刚刚由于比例控制而产生的静差，完善系统[2]。积分调节的力度是由积分时间决定的，积分时间越长，所积变量更具有宽泛性，导致其调节力度变弱，反之则强，积分时间趋于0的时候，积分控制近乎比例控制。最后引入微分控制，其调节直接由偏差的偏差所决定，其可以使系统更加快速的拟合我们的期望值。最后由程序拟合的图片代表三个功能逐渐完善的过程。

我们用python实践了PID的各个参数的作用，分别用只有P，以及PI、PID的控制算法，并用其可视化图形显示出其拟合过程，完美的贴合我们之前理论部分所预期的那样，从而得出我们所实际使用时改决定的算法。所以我们在方向环上使用PD算法，使得整体系统能够高效响应电磁信号，从而使得巡防机器人的路线稳定性。然而在速度方面，并不需要高效的响应，防止在特殊路段，导致硬件产生高频振荡，以至于系统不稳定。所以我们采取PI算法，从而可以更好地达到我们预期的速度。

3结束语

本方案设计了一种基于电磁信号的固定路径巡防检测和基于和pid算法的室内机器人控制系统。能够准确地控制机器人方向与速度，机警系统好，不足的地方是pid算法的参数选择在凹凸不平的地面上，造成动态控制系数波动大，无法稳定智能巡防机器人。

我们在对预警机器人火灾环境仿真中发现，该机器人能够很好地巡视环境，预警火灾，在火灾发生前及时发挥其预警功能，但仍有需要改进的地方，如在日常生活中，对密闭空间进行路径覆盖等。

参考文献

[1] 卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车：挑战“飞思卡尔”杯[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：44-46.

[2] 袁瑞豪，王一豪，孙振涵.基于K66单片机的恩智浦智能小车制作[J].无线互联科技，2019，16（11）：122-124.