智能滅火防爆機(jī)器人控制技術(shù)的研究

西安思源學(xué)院 楊 燕 晏 成 屈曉昱

智能滅火防爆機(jī)器人控制技術(shù)的研究

西安思源學(xué)院 楊 燕 晏 成 屈曉昱

隨著機(jī)器人在各領(lǐng)域的發(fā)展，滅火防爆機(jī)器人在消防領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也逐漸顯現(xiàn)。本文對(duì)滅火防爆機(jī)器人的工作原理進(jìn)行了研究，提出了使用熱成像儀精確定位對(duì)火源點(diǎn)。并采用步進(jìn)電機(jī)、齒輪傳動(dòng)、履帶等實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障和越障功能。提出了對(duì)燃燒物取樣和分析的解決方案。

機(jī)器人；滅火；防爆

二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著智能化在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的發(fā)展，智能機(jī)器人的發(fā)展也隨之取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。其發(fā)展趨勢(shì)主要顯現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面機(jī)器人在制造業(yè)應(yīng)用的范圍越來(lái)越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來(lái)越高，功能也越來(lái)越強(qiáng)，并向著技術(shù)和裝備成套化的方向發(fā)展；另一方面，機(jī)器人向著非制造業(yè)應(yīng)用以及微小型方向發(fā)展，如表演型機(jī)器人，服務(wù)型機(jī)器人，機(jī)器人玩具等。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)正試圖將機(jī)器人應(yīng)用于人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。

在我國(guó)機(jī)器人主要應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)在的總裝機(jī)量約為12萬(wàn)臺(tái)，其中國(guó)產(chǎn)機(jī)器人占有量約為 1/3，即4萬(wàn)多臺(tái)。與世界機(jī)器人總裝機(jī)臺(tái)數(shù)7500萬(wàn)臺(tái)相比，中國(guó)總裝機(jī)量?jī)H占萬(wàn)分之十六。對(duì)中國(guó)這樣一個(gè)擁有13億人口的大國(guó)來(lái)說(shuō)，僅在機(jī)器人數(shù)量上就和發(fā)達(dá)國(guó)家有著很明顯的差距。因此大力發(fā)展我國(guó)的機(jī)器人事業(yè)刻不容緩。

滅火防爆機(jī)器人作為特種機(jī)器人的一種，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展而出現(xiàn)的。目前主要用于化學(xué)危險(xiǎn)品和放射性物質(zhì)泄漏以及燃燒、爆炸、坍塌的事故現(xiàn)場(chǎng)。這些現(xiàn)場(chǎng)一旦發(fā)生災(zāi)害事故，消防員面對(duì)高溫、黑暗、有毒和濃煙等危害環(huán)境時(shí)，若沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)備貿(mào)然沖進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，不僅不能完成任務(wù)，還會(huì)徒增人員傷亡。滅火防爆機(jī)器人能代替消防救援人員進(jìn)入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險(xiǎn)災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、反饋。滅火防爆機(jī)器人的出現(xiàn)無(wú)疑可以輔助消防員及時(shí)獲得現(xiàn)場(chǎng)信息，甚至實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滅火。其在滅火和搶險(xiǎn)救援中發(fā)揮了舉足輕重的作用。

一、滅火防爆機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案

滅火防爆機(jī)器人由七大部分構(gòu)成，包括熱成像儀、紅外攝像儀、3D激光掃描儀、燃燒物分析儀、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、主控機(jī)構(gòu)和GPS定位系統(tǒng)。實(shí)物見(jiàn)圖1。

圖1　滅火防爆機(jī)器人

滅火防爆機(jī)器人，采用多參數(shù)分析系統(tǒng)。利用熱成像儀對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分析，確定火源位置，發(fā)送指令控制給滅火機(jī)器人，機(jī)器人選擇相應(yīng)的滅火工具進(jìn)行滅火。紅外攝像儀還可以實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場(chǎng)圖像，3D空間掃描儀能夠及時(shí)查看火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的空間地形情況。由于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，機(jī)器人還配備了氣體、固體、液體的取樣設(shè)備，可以及時(shí)進(jìn)行燃燒物的取樣和分析。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和響應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)指揮人員可以根據(jù)其反饋結(jié)果，及時(shí)對(duì)火災(zāi)作出科學(xué)判斷，并對(duì)火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)工作做出正確、合理的決策。機(jī)器人配備了液體滅火裝置，可以進(jìn)行高壓和水霧的多種滅火方式。

二、機(jī)器人各部分功能介紹

紅外熱成像儀是一門(mén)使用光電設(shè)備來(lái)檢測(cè)和測(cè)量輻射并在輻射與表面溫度之間建立相互聯(lián)系的科學(xué)。輻射是指輻射能（電磁波）在沒(méi)有直接傳導(dǎo)媒體的情況下移動(dòng)時(shí)發(fā)生的熱量移動(dòng)。通過(guò)熱成像圖分析，可以判斷出物體的物體等情況，從而確定出，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的火勢(shì)情況，確定出火源位置，滅火機(jī)器人對(duì)指定方位進(jìn)行滅火。

紅外攝像儀實(shí)時(shí)傳輸現(xiàn)場(chǎng)圖像，3D激光掃描儀采用三維數(shù)據(jù)，提供火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的地形，使得消防員更好的了解現(xiàn)場(chǎng)情況。

熱成像儀，紅外攝像儀，3D激光掃描儀的結(jié)合更好的成為機(jī)器人的眼睛，取得火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)情況。設(shè)備將安裝在電動(dòng)云臺(tái)上，遠(yuǎn)程可以控制其轉(zhuǎn)動(dòng)以及移動(dòng)的方向。

燃燒物分析儀可以對(duì)氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃燒物進(jìn)行分析，在復(fù)雜的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，確定燃燒物類型，以及了解燃燒物情況，才能更好的采取滅火措施，并有針對(duì)性的選擇滅火材料和滅火方式。滅火方式有高壓和水霧等多種選擇方式。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)、齒輪傳動(dòng)、履帶、液壓等實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的工作。機(jī)器人具有蔽障和越障功能。配有機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單清理障礙。運(yùn)動(dòng)方式使用履帶，具備良好的通過(guò)性。運(yùn)動(dòng)方式使用履帶可以實(shí)現(xiàn)上樓梯，越障等功能，更好的適應(yīng)在復(fù)雜情況下的使用。

主控機(jī)構(gòu)采用人機(jī)合作實(shí)現(xiàn)半智能（自主運(yùn)行）/操控（遠(yuǎn)程圖傳遙控）的功能。

機(jī)器人的信息傳輸使用2.4G、GPS定位?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、反饋，有效地解決消防人員在上述場(chǎng)所面臨的人身安全、數(shù)據(jù)信息采集不足等問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)指揮人員可以根據(jù)其反饋結(jié)果，及時(shí)對(duì)災(zāi)情作出科學(xué)判斷，并對(duì)災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)工作作出正確、合理的決策。

三、硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制單元用于系統(tǒng)的控制,小車車頭裝有2個(gè)紅外光電傳感器用來(lái)避障。熱成像儀將火源轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，用于尋找火源。系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方框圖

系統(tǒng)硬件原理圖如圖3所示，分為電源模塊、單片機(jī)CPU、滅火模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、避障模塊和接口電路等。

圖3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖

四、結(jié)論

通過(guò)對(duì)滅火、防爆機(jī)器人的研究，可以使機(jī)器人到達(dá)一些人類不宜到達(dá)的場(chǎng)合，來(lái)進(jìn)行火災(zāi)燃燒物的分析，和精確定位火源。機(jī)器人的避障，清障功能能更有力的解決目前消防中的難題。

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2015年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目編號(hào)：201513121814。

楊燕（1971-），女，陜西人，碩士，高級(jí)工程師，西安思源學(xué)院工學(xué)院教學(xué)副院長(zhǎng)。