随着科学技术的不断发展，机器人在工业生产和日常生活中应用越来越广泛。轮式驱动的机器人作为比较常见的形式之一，属于移动机器人的一类，具有运动效率高、稳定性强、可搭载性强、可扩展性强等一系列优点，在AGV、救援机器人、探测机器人等领域有着广泛的实践。在未来的机器人发展过程中，移动机器人将拥有广阔的应用前景。
本文设计的一款以单片机作为控制核心，能够实现对某小型火场进行火源自动寻找和自动灭火的功能。
1 机器人整体结构设计
轮式灭火机器人以89S52为控制核心，在寻找火源的过程中以光电传感器实现避障，同时通过红外传感器实现对火源的探测，当发现火源后，采用喷水系统作为灭火手段，以实现精准定位火场、高效实施灭火的功能。单片机作为常用的系统控制核心，具有体积小、成本低、可扩展性强、编程简便等特点，适用于小型电子系统的开发与应用，故本系统选择单片机为系统控制核心。火光中包含红外线，故选用红外传感器作为火焰的检测手段。在机器人移动中，会遇到障碍，选择光电传感器对障碍物进行检测，当检测到障碍时将信号传送至单片机后，由单片机发出指令实现机器人的避障。
如图1所示为轮式灭火机器人整体结构框图。系统前向通道包含2类传感器，即红外传感器和光电开关传感器；后向通道包含2类执行器，分别是灭火系统执行器和直流减速电机。本系统中，运动功能是轮式机器人的关键功能之一，只有首先实现轮式机器人的运动功能，才能在此基础上实现检测、避障和灭火等功能。本设计选用双减速电机作为轮式机器人的驱动方式。减速电机具有扭矩大的特点，在执行灭火和避障任务时具有一定的优势。
2 硬件电路设计
2.1 多路电源电路设计
系统多路电源模块的功能是为轮式机器人中各个系统提供稳压电源：光电开关传感器供电电压为+5V；红外传感器供电电压为+5V；最小系统供电电压为+5V；直流电机驱动供电电压为+24V；小型喷水灭火系统供电电压为+24V。轮式机器人选用额定电压为24V、容量为10000mAh的锂电池作为系统供电电源。
综上可知，本系统的供电电压基本分为两类，即+24V和+5V。+24V供电部分采用锂电池直接供电，其额定电压为+24V，充满电量后电压小于+26V，满足直流电机驱动和小型喷水灭火系统供电电压范围的要求，因此本部分不再做稳压电路设计。而+5V电路选用稳压电路实现，其电路原理图如图2所示。
其中，稳压模块选择三端稳压模块LM7805，该模块成本较低，输入电压大于+7.5V即可稳压输出+5V电压，输出电流可达1A，功率5w，足够为传感器和控制核心提供可靠稳定的电压输出。C1选用25V/1000μF电容；C2选用16V/1000μF电容，以防止负载突变时提供临时电源输出；C3和C4电容是防止三端稳压芯片自激振荡。D1是电源指示LED，选用红色。通过该设计电路可以实现将额定电压为24V的锂电池输入电压稳压为+5V，为传感器和控制核心供电。
2.2 系统整体电路接线设计
如图3所示为轮式灭火机器人系统整体电路图，其中，U3是系统控制核心AT89S52单片机，电路设计中包含其按钮复位电路和晶体振荡器电路，以构成最小系统电路；A1-A4位4个光电开关传感器，作用是分布于轮式灭火机器人四周，以达到检测障碍物的目的；A5和A6是红外传感器，目的是检测环境内的火源；U4和U5是两个电机驱动，控制电机部分分别与U6和U7两个电机进行接线；U8是灭火系统装置，该装置内部集成控制继电器等元件，与单片机I/O口直接接线，采用数字量控制，具有控制方便的特点，在使用时，只需单片机发出低电平控制指令，即进行喷水作业，反之单片机给出高电平指令，停止喷水作业。
3 软件程序设计
3.1 PWM调速部分软件设计
本系统中的2个电机驱动模块采用PWM调速形式实现控制，PWM即脉冲宽度调制信号，具有调速稳定的特点。轮式机器人电机驱动部分，采用PWM调速，可以合理控制其运行节奏，控制电机速度时主要以采用占空比进行调节，占空比与输出电压成正比，即0%占空比对应速度0，即OV电压；100%占空比对应全速，即24V电压。在设计PWM软件程序过程中，本设计采用定时中断法，以单片机的I/O口为信号输出端。电机控制频率1kHz，定时中断设置0.1ms。定时中断初始化程序，这里不赘述；PWM核心程序语句中，pwm_i是中断计数变量，IO_ZUO和IO_YOU是机器人两侧电机的占空比输出变量。具体程序如下：
3.2 系统主程序流程设计
图4所示为轮式灭火机器人主程序流程图。将机器人防止在灭火区域内，然后将系统上电，完成系统初始化工作，包括定时中断初始化、传感器自检、灭火系统自检和驱动自检等。自检完毕后发出自检结束信号，随后自动运行至活在区域内，开始巡航搜索火源。在搜索过程中，当轮式机器人四周的光电传感器检测到有障碍物时，轮式机器人选择合理避障。在遇到疑似火源后，轮式机器人在保持自身安全的距离内，将对准火源，执行灭火指令，直至该处火源成功消灭。当完成一处火源灭火后，继续进行巡航并搜索火源，直至将整个区域内的火源消灭。
3.3 巡航路径规划
在未知区域内进行灭火时，由于地势情况复杂、火源位置未知，为了提高灭火效率，必须进行合理的路巡航径规划，达到以最短时间内消灭所有火源的目的。本设计路径规划的方法是：通过行走距离的测算和光电传感器检测的反馈，对每次行走的位置进行记录和分析，在下一次运行时，避免走过无火患路线，从而提高运行效率。
4 结语
本文设计了一款以单片机为控制核心的轮式灭火机器人，通过系统整体方案设计、硬件电路设计和软件程序设计，阐述了轮式灭火机器人基本功能的设计和实现方法，初步实现了机器人的运动功能、对障碍物的检测识别功能、对火源的检测识别功能和灭火功能。在今后的实践过程中，为了完善机器人功能，可以加入若干传感器（如摄像头传感器），从而丰富机器人的检测手段，提高灭火效率。同时加入位置传感器和SD卡记录模块，通过wifi模块和手持仪器进行通信，从而绘制出火场情况，传输火场图像，丰富救援手段。可见，轮式灭火机器人在未来的发展中，将具有更广阔的发展空间和应用价值。
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