魏居琦 王顥然 劉卉萱

（沈陽理工大學(xué) 遼寧·沈陽 110000）

1 技術(shù)背景

眼下，國民的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平日益提高，城市里高樓林立，居民人口密度在一步步提高，不同的危險(xiǎn)區(qū)域的火災(zāi)爆發(fā)時(shí)有發(fā)生，由火災(zāi)造成的各種問題也是甚囂塵上，給我們的國家以及全體的人民群眾都帶來了生命以及財(cái)產(chǎn)上的威脅，讓他們蒙受了損失。

一方面,由于從外部往往無法及時(shí)了解到火場內(nèi)部的具體情況，偵查人員進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場要面臨極大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，人身安全也無法保證。另一方面，由于災(zāi)害現(xiàn)場內(nèi)部情況復(fù)雜、環(huán)境惡劣，偵查人員進(jìn)行現(xiàn)場信息采集存在較大困難，往往無法實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)反饋。

鑒于以上局限，能夠代替救援偵察人員進(jìn)入易燃易爆、有毒有害、濃煙缺氧以及高溫災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行探測及信息實(shí)時(shí)反饋的消防偵察機(jī)器人已成為維護(hù)社會(huì)安全的迫切需要。

2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本項(xiàng)目為一種針對復(fù)雜地形的耐高溫火情偵測機(jī)器人，系統(tǒng)組成如下：

（1）主控單元：STM32F407ZGT6；

（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)：三段式履帶機(jī)構(gòu)、云臺(tái)；

（3）通信單元：SX1278；

（4）信息采集單元：紅外熱成像模塊、拓展傳感器、CCD攝像機(jī)；

（5）避障單元：激光雷達(dá)；

（6）耐高溫實(shí)現(xiàn)：隔熱纖維材料(無石棉硅酸鋁針刺保溫氈)。

3 技術(shù)方案

3.1 主控單元設(shè)計(jì)

STM32F407：該主要控制模塊是通過機(jī)器人的中樞系統(tǒng)來選擇的，使用的是用于工業(yè)上的一款嵌入式可編程的控制器，即STM32F407型號(hào)的可以進(jìn)行編程的控制器。該控制器時(shí)鐘頻率達(dá)到84MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品，主控制模塊采用STM32F407單片機(jī)的32位超低功耗的混合信息處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)。STM32F407單片機(jī)實(shí)際運(yùn)用很方便，可以滿足系統(tǒng)速度的設(shè)定及各種定時(shí)需求，豐富的IO口資源有效的降低了硬件的設(shè)計(jì)的難度。

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)呈履帶狀，是兩條可以變換形狀的履帶，分別通過各自的主電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)主臂桿需繞履帶架上的一款軸系列做F型旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，會(huì)連帶著行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，以使履帶呈現(xiàn)出不一樣的、隨時(shí)可變的構(gòu)形，因此可以做到對不同運(yùn)動(dòng)以及各種作業(yè)環(huán)境的普適，從而完成攀爬樓梯的動(dòng)作。

3.2.1 三段式履帶結(jié)構(gòu)

履帶可以大幅減少路況對載重車輛的限制，從而提高機(jī)器人在惡劣路況下的機(jī)動(dòng)。通過驅(qū)動(dòng)履帶的底盤來跟地面互相接觸，從而使得驅(qū)動(dòng)輪跟地面之間相互隔離。履帶配置的底盤能夠擁有很強(qiáng)勁的爬坡能力，一般情況下能達(dá)到50%至80%的爬坡能力，最大的時(shí)候能夠達(dá)到100%的爬坡能力。

三段式履帶結(jié)構(gòu)，支承面積大，接地比小，牽引附著性好，有利于發(fā)揮較大的牽引力，爬坡、越障能力強(qiáng),有很好的地面適應(yīng)性和通行能力，可以方便在復(fù)雜火場中自由活動(dòng)，對于樓梯等普通履帶難以前進(jìn)的地方也能自如通過。該結(jié)構(gòu)中前置履帶段可向后轉(zhuǎn)動(dòng)，在平地行駛時(shí)亦可保持高速穩(wěn)定。前段履帶為三角形履帶結(jié)構(gòu)，便于上下樓梯及通過一定高度的障礙;中段履帶采用水平履帶，提供小車的主要牽引力;后段履帶為可折疊結(jié)構(gòu)，起到平衡與增大接觸面積的作用，當(dāng)通過坡角較大的路段及下樓梯時(shí)可展開履帶以維持重心高度，防止整體重心變化幅度過大發(fā)生傾倒，在正常路段行駛時(shí)也可提供部分牽引力，也可折疊減少觸地面積減少摩擦力。

3.2.2 云臺(tái)結(jié)構(gòu)

云臺(tái)用來安裝攝像機(jī)，并把攝像機(jī)固定住。電動(dòng)云臺(tái)可以用來對一些較大的區(qū)域來做掃描跟監(jiān)視的功能，它能夠?qū)z像機(jī)可以監(jiān)視到的范圍進(jìn)行擴(kuò)大。電動(dòng)云臺(tái)之所以能夠高效運(yùn)轉(zhuǎn)，是因?yàn)樗袃膳_(tái)可以用來運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)來支撐完成的，電動(dòng)機(jī)能夠接受從控制器發(fā)射出來的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)定位的精確性。有了能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行控制的功能，位于云臺(tái)上的攝像機(jī)就能夠自發(fā)地對所監(jiān)視的所有區(qū)域范圍進(jìn)行掃描。能夠變動(dòng)速度的云臺(tái)，它在水平方向上的旋轉(zhuǎn)速率處在每秒0°到每秒32°之間，它在垂直方向上的旋轉(zhuǎn)速率處在每秒0°到每秒16°之間。某些更高速的攝像系統(tǒng)配備的云臺(tái)，它們在水平方向的旋轉(zhuǎn)速率能比每秒480°還要高，在垂直方向上的旋轉(zhuǎn)速率能比每秒120°還要高。云臺(tái)的水平方向上有一個(gè)電機(jī)做驅(qū)動(dòng)，在垂直方向上有另一個(gè)不一樣的電機(jī)完成驅(qū)動(dòng)，所以造成對評估云臺(tái)旋轉(zhuǎn)速率的時(shí)候要從水平轉(zhuǎn)率以及垂直轉(zhuǎn)率都做評估。因?yàn)檩d重的因素，垂直方向的電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)候的扭矩以及在維持運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候的扭矩都要比水平方向?qū)?yīng)的扭矩要大，還有在實(shí)際進(jìn)行監(jiān)控的時(shí)候，要求的水平方向上的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)要比垂直方向上的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)高，所以云臺(tái)在垂直方向上的轉(zhuǎn)速要比水平方向上的轉(zhuǎn)速低出一些來。一些用來控制的系統(tǒng)以及對應(yīng)的解碼器，他們在性能上能夠影響云臺(tái)變速的效果，從而影響到云臺(tái)上的電機(jī)能夠依照不同的輸入值來實(shí)現(xiàn)不同速度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.3 通信單元設(shè)計(jì)

3.3.1 SX1278

SX1278是一種通過半雙工來進(jìn)行傳輸?shù)膶儆诘椭蓄l率的收發(fā)器，它接收進(jìn)來的射頻信號(hào)們需要先通過一款低噪聲型號(hào)的放大器（即LNA），而且LNA的輸入是一種單端的形式。之后將此信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N差分的信號(hào)，借此來將二級(jí)的諧波做一個(gè)完善，再然后要將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l信號(hào)（即IF），借此來輸出同相的一種正交態(tài)型號(hào)（I&Q信號(hào)），之后還要將ADC信號(hào)做一個(gè)數(shù)據(jù)上的轉(zhuǎn)換，使得之后傳輸過來的所有的信號(hào)都能夠在該數(shù)字的領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能，不過其中的數(shù)字型的狀態(tài)機(jī)還可以將頻率進(jìn)行自動(dòng)校正（即AFC）、對接收過來的信號(hào)的強(qiáng)度做一個(gè)指示說明（RSSI）、對增益與否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的控制（即AGC）等一系列功能進(jìn)行控制。

3.3.2 SX1278特性

SPI通信時(shí)鐘10兆赫茲，引腳做出變化的時(shí)間將達(dá)到納米級(jí)別。這種可以擴(kuò)頻的因子越來越大的時(shí)候，進(jìn)行傳播的時(shí)間也會(huì)越來越長。在一種睡眠的狀態(tài)下，對寄存器RegOp-Mode進(jìn)行對應(yīng)的配置，把FSK型號(hào)的調(diào)制解調(diào)器對應(yīng)地變換成為 LoRa型號(hào)的調(diào)制解調(diào)器。SX1278包含兩個(gè)定時(shí)基準(zhǔn)、一個(gè)RC振蕩器以及一個(gè)32M晶振。一個(gè)普通的SPI型號(hào)的接口能夠配置射頻的前端中全部的重要的參數(shù)，還能夠控制數(shù)字型號(hào)的狀態(tài)機(jī)中全部的重要參數(shù)，憑借這個(gè)SPI的接口，能夠訪問1278型號(hào)的配置用的寄存器。

3.4 信息采集單元設(shè)計(jì)

3.4.1 紅外熱成像模塊

在完全濃煙的狀況下,可用紅外熱像儀發(fā)現(xiàn)房間內(nèi)部走廊、門窗及各種通道孔洞熱氣流的流動(dòng)方向,確定高熱的危險(xiǎn)區(qū)域,發(fā)現(xiàn)火源的具體位置及整個(gè)火勢的蔓延方向。石油化工等特殊災(zāi)害現(xiàn)場,在正?？梢姽獾那闆r下,不能夠直接看見石油化工的產(chǎn)品及原料的儲(chǔ)罐內(nèi)部液體及物料的具體高度,但液態(tài)的石油化工材料在罐內(nèi)儲(chǔ)存時(shí),罐壁在液位處存在溫度梯度。通過對紅外熱像的儀器的使用，是可以迅速地測量出在現(xiàn)場進(jìn)行燃燒的罐體中和周邊的罐體中的剩下來的液體大概有多少的量，從而評估所有的罐體具備的威脅指數(shù)，這樣可以很方便地確定一些對應(yīng)的措施。通過對一些特性以及原理的運(yùn)用，可以讓消防隊(duì)的所有救援人員們即使面對濃煙環(huán)境，也可以很清楚地察覺到陷入困境的人員們的位置，這些特性和原理有：紅外光線能夠?qū)釤熿F進(jìn)行穿透；火災(zāi)現(xiàn)場中陷入困境的人員們的體溫跟身邊的環(huán)境的溫度是有一些差別的，與這個(gè)溫度差距相對應(yīng)的一些熱分現(xiàn)場是能夠做成像顯示的。這款紅外熱像的儀器能夠輔助于火災(zāi)發(fā)生后的一些打理工作。比如在一些建筑物發(fā)生的火災(zāi)中，可以通過這款紅外熱像的儀器來尋找是否存在一些有引燃隱患的高熱點(diǎn)，亦或是撲救結(jié)束后仍然存在的未被察覺到的余火等，這樣能夠?qū)Ω邷丨h(huán)境下的一些危險(xiǎn)目標(biāo)可以持續(xù)進(jìn)行降低溫度的工作，可以提升滅火工作的保障性、完全性，從而降低火災(zāi)后又重新自燃的隱患，甚至是直接消除這種事故產(chǎn)生的一些可能性。

3.4.2 CCD攝像機(jī)及拓展傳感器

CCD攝像機(jī)及拓展傳感器包含對圖像進(jìn)行采集并進(jìn)行傳輸?shù)哪K、能夠檢測出是否存在有害的各種氣體的模塊、能夠檢測出各種溫度值的模塊等。通過對紅外熱像的儀器的應(yīng)用，和 CCD型號(hào)的攝像機(jī)的輔助來采集所形成的紅外圖像以及產(chǎn)生的CCD型號(hào)的視頻的數(shù)據(jù)，以此來完成對外部環(huán)境的溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并能夠監(jiān)測到設(shè)備在當(dāng)下的一種運(yùn)行情況，在一種通信單元的幫助下從而完成對數(shù)據(jù)的傳輸。

3.5 避障單元設(shè)計(jì)

激光雷達(dá)。激光雷達(dá)運(yùn)作時(shí)，只需進(jìn)行非接觸掃描可以在短時(shí)間內(nèi)獲取物體和環(huán)境空間點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)和信息，由于收集的數(shù)據(jù)是以點(diǎn)的形式組成，所以這些數(shù)據(jù)被稱作點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其最大的特點(diǎn)是可以進(jìn)行后期的處理，依靠獲取的數(shù)據(jù)便能夠建立完整的三維立體模型。通過激光雷達(dá)，能夠擁有非常高的照射角度、照射距離以及精準(zhǔn)的對速度的分辨能力。激光雷達(dá)的一個(gè)很明顯的好處就是分辨率很高，在很多的應(yīng)用案例中都是基于這一點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。激光能夠做直線上的傳播、它在方向上的控制良好、有著窄度極低的光束，當(dāng)激光在特定的傳播路徑上的時(shí)候是能夠被收到的，所以對激光進(jìn)行攔截獲取是很有難度的，另外發(fā)射激光的雷達(dá)系統(tǒng)，也就是用于發(fā)射的望遠(yuǎn)鏡，它有著很窄的口徑，而且可以進(jìn)行接收的范圍也是很窄的，所以對于故意發(fā)射出來的對激光進(jìn)行干擾的信號(hào)是不太容易進(jìn)入到接收機(jī)的范圍的。在自然界的范圍中，可以影響到激光雷達(dá)的信號(hào)源是很少的，所以激光雷達(dá)能夠很強(qiáng)烈地抵抗有信號(hào)源的一系列干擾，能夠在復(fù)雜的環(huán)境中被廣泛使用。激光雷達(dá)只能反射出經(jīng)過照射過的一些目標(biāo)，完全不被地物回波干擾著，所以它能夠在“零高度”的環(huán)境里工作。激光雷達(dá)型號(hào)的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡具備厘米級(jí)別的口徑大小，而且這一套的系統(tǒng)質(zhì)重差別還是挺大的，最小的質(zhì)重僅僅幾十公斤，對一些架設(shè)工作、拆收工作都很容易開展。另外激光雷達(dá)有著非常簡單的構(gòu)造，維護(hù)修理起來都非常的便易，操作起來很容易上手，而且單價(jià)也是很低的。