摘 要

当家中无人值守时，若用电不当或发生煤气泄露等故障，常常会引发严重火灾，从而导致巨大的财产损失与惨重的人员伤亡，因而一款能无人值守家庭环境下检测火灾并快速准确灭火，同时能对周围环境进行感知并有效避障的自主灭火机器人的研发设计显得尤为重要。

本文针对一款基于Arduino的家用灭火机器人的总体及控制系统进行了设计。该设计以Arduino为控制系统的核心，红外火焰传感器用于火焰的检测，超声波传感器用于障碍物的检测，舵机控制灭火器动作，工业级30A电机驱动模块驱动电机以进行前后左右运动，并配以相应的人机交互界面，借助Arduino IDE软件完成程序的编译与烧写，最终通过机器人的实际运动进行相应的调试及改进。

关键词：Arduino;灭火;避障

Abstract

When there is nobody at home,and if there are inappropriate power-using or something like the gas leak,they always lead to terrible fire,which then cause significant economic losses and severe casualties.So the research of a king of automatic robot which can detect and put out the fire quickly and effectively when nobody is at home is of great importance at the time being.Besides,we require that the robot can also sense the surrounding environment and has the ability to avoid obstacles while searching the room.

This paper is about the design of a family fire-fighting robot’s control system which is based on Arduino.The design refers to the Arduino as the core of the control system in which the flame sensors are used to sense the fire,the microwave sensors to sense obstacles,the stearing engine to control the movements of the firefighter,and the technical grade’s motor driver which has the ability to endure the current of 30A to drive the motors so as to achieve the movements of moving forward,moving back,turning left and turning right.Besides,some man-machine interactive systems are also applied in the design.With the help of Arduino IDE software,we complete the the programming and download the program into the Arduino UNO controller.

Key Words:Arduino;firefighting;obstacle avoidance

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 3

1.3研究内容及研究目标 4

1.3.1研究内容 4

1.3.2研究目标 4

第2章 系统基本原理与总体方案设计 5

2.1灭火机器人的基本原理 5

2.2灭火机器人的整体设计 5

第3章 硬件系统设计 7

3.1主控制器的选型 7

3.2电机控制单元选型 8

3.3电源模块 9

3.4火焰传感器的选型与布置 9

3.5避障传感器的选型与布置 10

第4章 软件系统设计 13

4.1总体程序设计 13

4.1.1系统总体流程分析 13

4.1.2资源分配 13

4.2避障模块程序设计 15

4.3火焰追踪程序设计 17

4.4灭火模块程序设计 18

第5章 小车模型制作 20

5.1元器件的购买 20

5.2小车模型制作 20

第6章 软件与硬件调试 22

6.1软件调试 22

6.2硬件调试 22

6.3实验现象与结果分析 23

第7章 结论 24

7.1毕业设计任务总结 24

7.2展望 24

参考文献 25

致 谢 27

附录A 28

附录B 40

第1章 绪论

本章介绍了论文的研究背景、目的及意义，通过对近几年来家庭火灾造成的人员伤亡及财产损失的数据分析，阐述家用灭火机器人研究的必要性与重要性；通过介绍国内外家用灭火机器人的研究现状并分析其不足之处从而确定本次设计的研究方向与研究方案。

1.1研究目的及意义

伴随着现代经济的建设的高速发展，各类家用电器、燃油、燃气用具迅速进入居民家庭，给人们的工作和学习带来了极大的便利。然而，火灾，这个猩红的恶魔正跟着无数个走向现代化的家庭，潜入家庭乘隙作恶，是许许多多的幸福家庭瞬间在大火中毁于一旦，甚至家破人亡。

2006-2010年，美国消防部门平均每年接到371，700起家庭火灾事故报告，平均每年造成2590人死亡以及7.2亿美元的直接财产损失^[1]，而这一数字经济高速发展的今天仍在继续走高。在中国，据《中国火灾统计年鉴》2015年全年仅家庭火灾就有11.1万起，造成1213人死亡^[2]。

因此，家用灭火机器人的实现在当代社会开始显得尤为重要，家庭灭火机器人能够在火灾发生后迅速找到火源并进行扑灭以阻止火势的蔓延，同时在火灾由有毒、易燃、易爆等化学物质引起或在浓烟、强热辐射、障碍物多等复杂情形下，家用灭火机器人能够代替人来进行火场侦察、化学危险品探测、灭火、冷却、破拆、启闭阀门、搬移物品、堵漏等作业，代替灭火人员承担一部分危险工作，避免人员伤亡。

随着家庭火灾日益频繁，日本许多城市均已配备多种机器人，西欧诸国、新加坡等亦在积极配备，而中国“以人为本”的观念已日渐深入消防领域，如果统一配备机器人，市场前景必定广阔。

1.2国内外研究现状

美国和原苏联较早开展灭火机器人的研究，稍后英、法、德、日等国也纷纷研究该类技术，目前已有多种不同功能的灭火机器人用于救灾现场。但无论是国内还是国外，现阶段家用灭火机器人都只是在研发阶段，无法在家庭中得到普及，除此之外高额的灭火机器人使得只有消防队这种地方能够使用^[3]。目前国内外针对家用灭火机器人积极地进行了各种研究、创新活动，这使得简单的小型家用灭火机器人技术有了成熟的发展。

1.2.1国外研究现状

日本投入应用的灭火机器人最多，80年代，日本研制了不少于5种型号的自动行驶灭火机器人^[4]，分别配备于大阪、东京、高石、太田、蒲田等消防部门。这类机器人以内燃机或电动机为动力，配置驱动轮或履带式行驶机构，能爬坡、越障；装有较大喷射流量的消防枪炮，能做仰俯和左右回转；装有气体检测器和电视监视设备；通过电缆或无线控制。图1.1为由株式会社电装、九州工业大学、北九州工业高等专校共同开发的家用监控灭火机器人。