本設計的研究初衷來源于滅火機器人比賽，比賽場地將采用國際標準比賽場地，比賽場地平面圖如圖1所示。比賽場地的墻壁高為33cm，厚為2 cm，由木頭做成。墻壁刷成白色。比賽場地的地板是被漆成黑色的光滑木制板。場地中所有的走廊和門口都是46 cm的開口，一個白色的2.5 cm寬的白色帶子或白漆印跡表示房間人口，在距離火焰30 cm的圓上有一條2.5 cm寬的白線。根據要求，該機器人要在模擬的四室一廳房間內完成發現并確認火源、滅火和回家（回到出發點H）等功能。

　　本文以STM32F103嵌入式芯片為核心，完成滅火機器人的軟、硬件設計。當機器人啟動后，前部和左右的紅外測距傳感器為機器人的避障功能和沿墻走方式 提供參考信號。機器人的運動速度以及運動方向由處理器輸出的PWM信號來控制。火焰傳感器檢測房間內火源，發現火源后機器人朝向火源方向行走，底部的灰度 傳感器檢測地面白線判斷機器人是否靠近火源，控制機器人暫停，啟動風扇滅火，滅火后回家。

　　1 系統硬件設計

　　根據設計要求，本系統主要由STM32F103、傳感器模塊、直流電機驅動模塊、風扇模塊、電源模塊等構成。系統框圖如圖2所示。

　　1.1 機器人整體布局

　　機器人左右兩輪分別用兩個轉速和力矩完全相同的直流電機進行驅動，機器人前部裝一個萬向輪，這樣，可以輕松地使機器人改變運行方向和運動速度。機器人前面裝有風扇、火焰傳感器和紅外傳感器，頭部底側裝有灰度傳感器，左右兩側各有3個紅外測距傳感器，兩側的傳感器可以分別測量不同范圍內的障礙物距離。

　　1.2 微控制器模塊

　　系統傳感器模塊要不斷采集環境信息，要求控制芯片有較高的實時處理能力和較高的處理速度，因此，系統選用嵌入式芯片STM32F103該芯片使用ARM先進架構的Cortex—M3內核，CPU頻率可達72 MHz，具有兩個16位ADC用于高速采集數據采集，15個I/O端口用于連接外部設備。I/O端口作為輸入口讀取檢測端口和傳感器組的數據，作為輸出端口用于驅動電機和風扇。4個PWM定時器用于驅動大功率直流電機。芯片具有速度快、功耗低、可靠性高、實時性強等優點。

　　1.3 傳感器模塊

　　傳感器模塊主要由紅外測距傳感器、火焰傳感器和灰度傳感器三類組成。

　　紅外測距傳感器主要檢測障礙物（墻壁），防止機器人撞墻。本設計采用光電式紅外傳感器E18-D80NK，它是集紅外發射模塊和紅外接收模塊于一體的數字傳感器，有效檢測范圍為3～80 cm可調，指向角≤15°。根據比賽場地特點，本設計采用7個此類傳感器，這樣的傳感器布局可以采集所需的各種信號，準確測障，靈活調整運行方向，保證機器人運動過程中不碰壁。傳感器的分布如圖3所示。

　　火焰傳感器用來檢測火源，尋找火源位置。采用5路火焰傳感器組成火焰傳感器組，傳感器組的設計如圖4所示，這種結構可以探測180°范圍內火焰信號源。機器人在房間門口就可檢測房間內是否有火源，若無火源則直接退出該房間循跡下一個房間，大量節省了時間。

　　地面灰度傳感器安裝于機器人前部的底座上，用于檢測地面反射光線的強度。本設計選用QTI灰度傳感器，該器件可作為紅外接收器和發射器，內嵌日光過濾器，可防止日光的干擾。其數字信號輸出主要用來檢測比賽場地中火源周圍的白線，控制機器人在有火源的白色圓弧處暫停。

　　1.4 電機驅動模塊

　　為了控制機器人的運動速度和方向，設計了一種H橋驅動電路。該電路以IRF4905和IRF3205 MOS管為開關元件，以IRF1210為柵極驅動芯片。主控芯片產生的PWM信號控制驅動芯片，進而控制機器人左右輪的轉速和萬向輪的轉向。驅動電路的電路圖如圖5所示。滅火風扇的電機采用大功率MOs驅動器，由伺服電機輸出端的信號驅動。

　　1.5 其他模塊

　　為保證系統正常工作和順利滅火，系統還包括電源模塊、時鐘模塊和風扇模塊。以電源模塊為例，電源模塊通過專用的電源轉換芯片7805產生傳感器所需的5 V電源，通過LM1117產生主控制器所需的3.3 V電源。電源模塊如圖6所示。