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移动机器人灭火系统设计探究

2020-12-29 358 上传者：管理员

摘要：本文基于NImyRIO为控制单元，结合火焰传感器定位着火的位置来指导灭火装置执行操作，通过红外测距传感器与伺服电机控制灭火机器人的位置姿态，通过摄像头实时传送灭火现场的图像信息，使用LabVIEW编写控制程序实现灭火机器人的智能化，通过对多源传感器的数据采集与分析，来精确反馈给驱动电机动作指令，可以实现智能灭火的研究目的。

关键词：
NImyRIO
图像信息
智能化
灭火系统
移动机器人
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现如今我国职业教育已经进入全新的发展时期，技工教育已经在社会发展中承担着培养高技能人才的重要任务。在国家倡导中国制造2025的政策背景下，机器人既是“中国制造2025”确定的重点发展领域，也是先进制造业的代表。本文研究的移动灭火机器人主要在两个方面进行研究:一是增强其图像识别与处理技术，将其识别不同颜色的功能转变为识别火苗功能;二是增强传感器多源信息融合功能，结合火焰传感器和红外测距传感器，指导驱动电机和灭火装置进行精确高效灭火，此技术在监测自然火灾以及各行业线路的实时监控与巡查维修中具有非常广阔的应用前景。

1、世界技能大赛移动机器人赛项任务分析

基于NImyRIO的移动机器人灭火系统源于移动机器人赛项原型，赛项任务属于团体赛，须两人合力完成。在竞赛过程中首先需要完成机械部分的安装与调试，保证机械零件连接紧固、正确，电气接线符合要求。且其在运动过程中，运动部件应运转灵活、不与其自身零件发生碰擦，装配后机器人应美观整洁、接线整齐。其次完成软件部分的安装调试，实现移动机器人在安全无碰撞的条件下，通过遥控或自主寻找的方式，快速规划好赛场路径，识别处理赛场上的台球颜色，将赛场中不同颜色的台球进行搬运，并快速放在指定的图形码存储区域内。

2、硬件设计

myRIO控制器模块是整个控制系统的核心部分，集成了一个嵌入式实时处理器、一块高性能FPGA芯片以及板载模拟与数字输入输出I/O接口。所有I/O都直接连接到FPGA上，提供了定时与I/O信号处理的底层定制。FPGA通过高速PCI总线连接到嵌入式实时处理器。控制器包含了内置的数据传输方式，用于将数据从I/O传送到FPGA，或是从FPGA传送到嵌入式处理器上，用于实时分析、后处理、数据记录或是与联网的主机进行通信。

myRIO控制器运行高可靠性的WindRiverVxWorks实时操作系统上，确定性地执行LabVIEW开发的实时应用程序。LabVIEW开发工具含内建函数库，用于在FPGA以及myRIO嵌入式系统中的实时处理器之间传送数据。

本系统硬件部分由NImyRIO控制器模块、传感器模块、执行模块、电源模块、上位机模块等组成。其中myRIO控制器模块主要由板载的XilinxZynqFPGA芯片和双核ARMCortexA9CPU组成，同时具备了模拟量采集和高速DIO接口资源、在通信接口方面myRIO板载了USB接口与无线通信模块，控制器主要负责传感器的数据采集与信号处理、运行控制逻辑、驱动执行模块、以及数据通信。传感器模块包含了火焰传感器、红外测距传感器以及工业相机，火焰传感器可以检测火焰或者波长在760纳米～1100纳米范围内的光源。红外测距传感器是利用红外光的发出和反射来计算发射与接收的时间差的数据，可以经信号处理器处理计算物体的距离。工业相机通过USB接口与myRIO控制器连接，能够实时传回现场的火焰图像信息。

图1控制系统架构图

传感器模块收集到的信息经过myRIO控制器的运算处理，把指令传送给执行模块，其中两台伺服电机分别驱动机器人本体的左右轮运动，通过左右差速的方式来实现转弯动作进行目标定位;定位准确后通过火焰传感器返回指令给myRIO控制器，控制器使能灭火装置进行灭火。

3、软件设计

控制系统软件程序设计以myRIO模块化、多线程的软件设计思想开发而成，具备数据采集、运动控制、网络通信、实时数据显示的功能。

整个软件可分成三部分，分别是FPGA代码、RealTime(简称RT)代码、Host代码。其中FPGA代码运行于可编程逻辑列阵FPGA芯片上，主要实现的是数据采集功能;RT代码运行于实时控制器中，主要实现的是数据的读取、存储和发送功能;Host代码运行于上位机中，主要实现人机交互功能，如显示数据、发送命令、管理数据、数据回放等。FPGA和RT均集成在myRIO中，通常称为下位机，与下位机之间通过标准的TCP协议进行通信。

图2控制系统程序设计结构

软件的采用NILabVIEW编程，主要包含数据采集模块、数据处理模块、上位机模块、运动控制模块;由数据采集模块收集火焰的状态与车身距离事故点的距离以及现场的图像信息，由数据处理模块计算出车身当前位置与灭火点的相对位置，并把图像信息实时传输给上位机，同时根据计算的相对位置结果给运动控制模块，进而知道驱动电机和灭火装置动作，实现自动灭火的目的。

图3控制系统程序原理图

数据采集模块通过与myRIO板载的FPGA进行数据交互，读取到火焰传感器、红外测距传感器以及工业相机和编码器数据，并将数据发送到myRIO控制器的实时系统中，数据传输到实时系统中进行数据的解析，解析转换成工程物理单位，然后把数据发给数据处理模块。

数据处理模块接收到采集的数据后会完成两部分工作，一部分是火焰传感器和工业相机的数据传输给上位机，进行实时的界面显示，另一部分是接收上位机的控制指令，按照指令要求进行数据运算和处理，计算得出机器人距离灭火点的位置以及火焰传感器的物理量;

上位机模块，软件界面主要有图像显示区域，是用于显示摄像头采集的图像;操作按钮，包括自动手动模式切换按钮、灭火装置使能按钮、前进后退按钮，左转右转按钮，开关按钮;显示控件，包括电源电压、机器人工作状态显示、火焰传感器数据显示等;运动控制模块，关于车身运动到火焰位置的自动追踪是通过软件的PID算法实现的，图3是控制系统的原理图。

4、结语

本文所设计的基于NImyRIO灭火机器人控制系统，结合LabVIEW编程语言进行软件功能开发，成功地完成了灭火机器人自动控制嵌入式系统。并且运用传感器融合技术、无线Wi-Fi通信技术、自动控制技术、机器视觉等多方面技术，使控制系统具备可靠性高、实时性能好、扩展性能优越的技术特点。该设计不仅实现了灭火机器人控制系统的自动巡检、实时报警并处理、实时状态监测，且整个系统的具有智能互联的能力，能够结合多台系统组成分布式灭火机器人测控系统。为智能制造领域的灭火机器人测控系统方向提供了一个可参考的技术路线。为加大技工教育技能创新发展，大力培育支撑中国制造、中国创造的高技能人才队伍提供了新方向。

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