智能消防机器人控制系统设计

针对复杂火场环境下人工救援风险高、作业难度大的问题，设计一种基于STM32F103C8T6（以下简称STM32）单片机的智能消防机器人控制系统。系统以STM32为主控核心，搭载HT6221红外遥控模块，实现对机器人行进、转向等动作的远程操控；集成红外循迹与声光报警功能，适配火场复杂作业场景。硬件层面设计主控电路、红外通信电路、传感检测电路、舵机执行电路及降压供电电路，各模块协同保障系统稳定运行；软件层面采用阈值循迹算法，实时采集并处理红外传感数据，实现精准循迹与智能避障。该控制系统结构简洁、稳定性强，可支撑消防机器人完成高危火场巡检任务，有效降低人员伤亡风险。测试结果表明，系统响应灵敏、工作可靠，可为消防应急救援装备的智能化控制方案设计提供参考。

引言

火场救援环境复杂、危险性高，传统人工作业方式存在较大安全隐患。为实现火场无人化巡检作业，降低人员伤亡风险，本文以嵌入式控制技术为基础，设计一款适配消防作业的智能消防机器人控制系统。系统采用模块化硬件架构，搭配红外检测、无线通信、电机驱动等控制电路；软件依托循迹算法与遥控解码逻辑，完成环境感知、运动调控、异常报警等控制功能。该控制系统结构简单、实用性强，可为高危火场巡检设备提供可靠的控制方案，同时为消防智能化控制系统的优化设计提供参考。

1 系统架构设计

1.1 系统功能概述

本控制系统面向火场应急探测、自主行驶与远程操控需求设计，以STM32为主控制器，整体包含主控模块、红外传感模块、电机驱动模块、供电模块、红外通信模块、声光报警模块。系统原理框图见图1。

系统通过红外传感器识别地面黑线实现自主循迹，并具备多方位红外避障能力：检测到障碍物时自动减速、转向避让，确保在复杂通道内稳定通行；搭载HT6221红外遥控模块，支持人工远程控制行进与紧急制动；配备蜂鸣器与LED指示灯，在偏离轨迹或遇障时触发声光报警，实时反馈运行状态。

工作过程中，主控单元采集并处理红外传感数据，结合舵机完成角度矫正，提升行驶灵活性。系统硬件布局紧凑，前端采集路况、中部控制供电、尾部执行驱动与报警，可支撑消防机器人进入高危火场完成探测巡检，有效降低救援风险，提升火灾应急作业的安全性与智能化水平。

图1 消防机器人系统原理框图

1.2 系统硬件设计

1.2.1 主控制电路设计

控制系统核心为STM32单片机，外围扩展红外传感检测、红外通信接口、降压电源、电机驱动、声光报警等电路模块。红外传感器采集火场路面环境信息，通过I/O口传输至主控单元进行运算处理。红外对管识别地面黑白轨迹并输出电平信号，结合阈值算法控制电机运转与车体偏转角度，实现循迹纠偏；红外避障传感器检测路径障碍物，达到阈值时触发声光报警并自动避让；HT6221红外通信电路接收遥控指令，完成远程行驶控制，保障复杂火场环境下作业稳定。

1.2.2 红外通信电路设计

红外遥控器电路图见图2，采用HT6221编码芯片，配备8个功能按键：第一个按键实现控制系统在自主模式和手动操控模式之间切换，手动模式下借助遥控器操作，自主模式下无需人工干预；第二个按键和第三个按键分别控制机器人正向行进和逆向后退；第四个按键和第五个按键调节运动速度，单次触发实现速度等级增减，持续按压则速度持续变化至预设阈值；第六个按键为制动控制键，触发后控制系统控制机器人立即停止；最后两个为转向控制键，单次按压实现固定角度调整，持续按压则原地旋转至释放按键。

图2 红外遥控器最小电路图

1.2.3 电机驱动与舵机控制电路

电机驱动采用L298N芯片（内置双H桥），支持两路直流电机独立控制，通过改变ENA、IN1、IN2引脚电平实现正转、反转、制动、停止四种状态（见表1）。舵机采用PWM信号控制（周期20ms），脉宽0.5～2.5ms 对应转角0°～180°，实现转向角度精准调节，提升狭小空间机动能力。

1.2.4 降压模块设计

L298N为双通道全桥驱动芯片，驱动能力强，能够稳定控制直流电机正反转，适用于各类智能小车控制系统。LM2596是高性能降压电源芯片，最大输出电流为3A，具备多档位电压输出模式。芯片内部含有基准电源、误差放大电路与开关管，通过闭环反馈调节开关管占空比，动态修正输出电压，有效降低电压波动，为单片机、传感器、电机等模块提供持续、平稳的供电环境。

1.3 系统软件设计

1.3.1 舵机PWM调波

本系统使用PWM调波控制舵机转动与红外循迹；红外遥控模块通过红外通信实现系统下位机与上位机信息交互。

舵机的工作性能主要参考扭矩、转速与额定电压3大指标。扭矩代表舵机承载能力，保证机器人在受到阻力时仍可平稳转向；转速决定转向响应速度，直接影响车体机动灵敏度。该款舵机适用电压为4.8～7.4V，在额定范围内适当升压可提升动力性能，过高电压易造成元件烧毁。本设计采用0°～180°可调舵机，通过周期为20ms的PWM脉冲实现角度调控，脉宽与偏转角度呈线性对应关系。

1.3.2 红外遥控程序设计

红外遥控发射模块由红外发光二极管与驱动电路构成，通过编码调制方式传输控制信号。遥控器按键触发后，芯片根据按压时长输出不同编码格式，长按时间超过108ms时，控制系统自动发送简化连发编码。在解码阶段，设备以固定低电平作为起始基准，依据高电平持续时间区分二进制数据位。为避免外界干扰造成误判，系统采用0.84ms延时采样方式识别电平逻辑，保证红外解码过程稳定、准确。红外遥控程序设计流程图见图3。

图3  红外遥控解码流程图

1.3.3 阈值循迹算法

控制系统上电后电机默认处于停止状态，通过不间断采集红外传感信号识别行驶轨迹。当双侧传感器同时检测到黑线，车体保持直行；若仅单侧识别黑线，系统判定车体发生偏移并执行反向纠偏。该控制方式依托逻辑判断实时修正行驶姿态，使机器人能够平稳完成自主循迹行驶。智能消防控制系统设计流程图见图4。

图 5 模拟实物演示

2 系统功能调试

搭建测试平台，依次完成红外循迹、舵机转向、按键控制、红外遥控、声光报警模块调试，模拟演示见图5：

1）循迹调试：优化传感器灵敏度与电机参数，实现黑线精准识别与自动纠偏，直行偏差≤±2°。

2）舵机调试：校准PWM脉宽与转角对应关系，角度误差≤±1°，每2.2s可切换一次姿态。

3）遥控调试：测试8个按键功能，遥控距离≥8m，指令响应时间≤100ms。

4）避障与报警调试：障碍物检测距离5～20cm可调，遇障时蜂鸣器响、LED闪烁，同时自动转向避让。测试结果表明，各模块工作稳定、协同可靠，系统可实现自主循迹、智能避障、远程操控、声光报警等核心功能，满足火场巡检作业要求。

3 结束语

本文设计的智能消防机器人控制系统以STM32为核心，集成红外传感、遥控通信、电机驱动与声光报警模块，构建了一套结构简洁、稳定可靠的智能化控制方案。系统具备自主循迹、智能避障、远程操控、状态反馈等功能，可支撑消防机器人替代人工进入高危火场完成探测巡检，有效降低人员伤亡风险；舵机精准转向设计提升了狭小空间机动能力，适配复杂救援场景。测试验证系统响应灵敏、运行稳定，可为消防应急救援装备的智能化升级提供参考。

基金项目：湖南省教育厅科学研究项目“矿山矿井环境适应性应急救援机器人关键技术研发”（24C0710）；湖南省职业院校教育教学改革研究项目“智能制造引领下的工业机器人技术专业‘专创融合’教学改革与实践探索”（ZJGB2024472）；湖南省教育科学“十四五”规划2024年度课题“应急救援领域基层专业技术人员‘校政企队’协同培养模式研究”（XJK24CZY101）。

作者：湖南安全技术职业学院 叶阿敏 石芳 常浩、湖南信息学院 李德英、金杯电工股份有限公司 肖奕扬 邓意。此文同时刊登于《今日消防》杂志2026年4期；欢迎分享，转载请标明出处。编辑：文文；审核：小麟