智能偵查滅火機器人的研究與開發

遲權德，沈建華，張友方，陶 潔，陶彥輝

(解放軍炮兵學院，安徽 合肥 230031)

最近幾十年中，大量的高層、地下建筑及大型的石化企業不斷涌現。由于這些建筑的特殊性，發生火災時，不能快速高效地滅火。比如，高層建筑發生火災時，消防人員不可能在短時間內到達高處的火災發生地點，在地下建筑中，由于環境比較潮濕，煙氣不易擴散，消防人員不容易快速判定火源位置；而在石化企業發生火災時，將產生大量的毒氣，消防人員在滅火時極易中毒。為了解決這一問題，研制能夠用于這些場合的偵察滅火機器人，協助消防人員進行火災的定位和滅火，將有極大的社會意義。

作為一個智能化的機器，機器人必須具有如下功能：(1)動作機構類似于人或其他生物體某些器官(肢體、感官等)的功能；(2)有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變；(3)有一定程度的智能，如記憶、感知、推測、決策和學習等；(4)有獨立性，完整的機器人系統(機器)在工作中可以不依賴人的操縱。偵察滅火機器人是一個具有一定智能的機器，要完成上述功能，必須解決下述幾個問題[1]。

(1)路徑規劃和實施

為了進行偵察，偵察滅火機器人必須對偵察目標進行巡視，必須能夠在偵察目標內安全行走。偵察滅火機器人要解決的首要問題就是如何行走，也就是路徑規劃的問題。第一，必須有全局的偵察路徑規劃。對不同的目標，必須制定不同的偵察路徑策略，以指導機器人對目標進行全局掃描偵察。第二，機器人必須知道當前自身所處的位置。這一位置非常重要，機器人根據當前位置，結合全局的偵察規劃，確定下一步的行走計劃；對發現的火源，機器人通過確定火源相對于機器人當前位置的坐標以確定火源在整個偵察目標中的位置。第三，機器人必須識別行走中的障礙。機器人必須收集傳感器得到的信息，確定行走中的各種障礙。這些障礙包括臺階、墻壁等各種突起物，地面的凹凸，各種人為放置的障礙等。機器人必須能夠識別這些障礙物，并對各種障礙進行分類。第四，確定避障的方案。對識別的障礙，機器人必須確定是否能夠直接越過障礙；對不能越過的障礙，必須確定規避的方案[2]。

(2)火源識別和定位

偵察滅火機器人必須能夠識別火源，對火災發生的地點定位。機器人在行走過程中對環境進行偵察，對傳感器得到的信息進行分析，在得到可疑信息處適當地停留，采集更多更詳細的數據進行分析，以判定火源的存在[3]。對確定存在的火源，必須對其定位，確定火源相對機器人的位置，以確定火源在整個目標中的實際位置。

(3)滅火

當機器人找到火源并且定好距離后，啟動滅火裝置進行滅火，當火滅后，機器人退出火場[4]。

1 滅火機器人硬件設計

本系統主要由單片機模塊、電機驅動模塊、火源檢測模塊、避障模塊及電源模塊等構成。采用了基于TWI總線規范的主從機控制方式，以AVR系列單片機ATMega128作為控制系統的主模塊，ATMega8作為底層控制模塊，實現控制偵察車動作(如車體的前進、后退、拐彎等)，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

1.1 電機驅動模塊設計

直流電機控制和驅動的硬件電路如圖2所示。其中電機控制采用的是L298。通過一個L298芯片驅動兩個直流減速電機，將 EA/EB接 PWM(高電平有效)，P1、P2、P3、P4接單片機，通過改變 EA、EB以及 PWM的占空比即可控制電動機的啟動停止、加速減速和前進倒退。

圖2 電機驅動模塊電路

1.2 火源檢測模塊設計

方案一：采用光敏電阻，利用其在不同的光強下阻值不同，確定小車的轉向，但檢測距離有限，易受外界環境干擾。

方案二：采用光電三極管形成陣列，在小車車頭排列成為半圓狀結構。根據矢量合成原理，按照各個傳感器測量光強的不同，確定小車相對于光的位置。檢測距離較遠，受外界干擾小。

方案選擇：采用方案二，此方案實現相對復雜但能取得良好的效果。

小車尋光采用光敏三極管陣列，每個光敏三極管的硬件電路如圖3所示。

導航分系統通過接收均勻分布在圓周的八個光敏三極管采集的信號，送給單片機的ADC模塊，從而得到光強信息，確定光源所在位置，引導小車導航。傳感器陣列的位置分布見圖4。

圖3 單個三極管檢測電路

圖4 傳感器陣列位置分布

1.3 避障模塊設計

方案一：采用光電開關，方向雜散小，在距離障礙物一定距離時可測出障礙物，價格低廉。

方案二：采用超聲波測距的方法。利用超聲波傳感器，監視測量發射脈沖和接受脈沖的時間差，計算超聲波和物體之間的距離。

方案選擇：超聲波測距價格較高，且通過算法優化，光電開關完全可以滿足設計要求，故采用方案一。

小車避障模塊采用的紅外光電接近開關，接收均勻分布在半圓周的五個光電開關采集的信號如圖4所示，單片機通過讀取開關電平的高低即可確定障礙物的方向，引導小車躲避障礙。本設計中采用的是E18-D80NK型光電開關。

2 滅火機器人軟件設計

可編程微控制器模塊使機器人實現下列功能[5]：(1)監測傳感器以探測周邊環境；(2)基于傳感元件的檢測做出決策；(3)控制機器人運動；(4)實現滅火功能。

2.1 滅火機器人程序設計思路

(1)尋找火源：機器人在各個房間門口搜索房間是否有火，如果有火就停下。

(2)滅火：檢測到房間有火，利用光敏電阻尋找蠟燭，直接朝火焰前進，到達火焰一定距離(由程序設定)，停下，啟動滅火裝置。

(3)返回：機器人救火任務完成，從所處的位置回到起點。

程序流程圖如圖5所示。

2.2 尋光、避障導航算法

尋光算法：根據傳感器環路的結構，以小車左右方向作為 X 軸，八個光敏三極管分別位于 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°的位置。 計算信號幅度最大的光敏三極管與位置90°的光敏三極管之間的夾角，將小車轉動這個夾角，使位置90°的光敏三極管所接收的信號幅度最大，然后前進。

圖5 程序流程圖

避障算法：根據傳感器環路的結構，以小車左右方向作為 X 軸，五個光電開關分別位于 0°、45°、90°、135°、180°的位置。光電開關只能輸出TTL電平，可以轉換為二進制分量，當傳感器分量為高電平時，表示探測到障礙物。

當有三個以上光電開關分量為高電平時，表明障礙情況比較復雜，此時將小車退后，然后再向右一段距離，繼續前進。

當只有一到兩個光電開關分量為高電平時，表明障礙情況比較簡單，此時小車將沿著與高電平傳感器相反方向行進，繼續前進。

本設計是以ATMega128控制的輪式移動機器人，兩輪采用直流伺服系統驅動，后部球輪為隨動支撐輪。在移動機器人車體前部安裝有光敏電阻、紅外線探測發射裝置，用于采集環境信息的信息，從而實現移動機器人自身位置的感知。實驗表明，在路徑搜索過程中，移動機器人能夠較好地達到搜尋目的，對環境做出合理的反應，達到一定的智能水平。

[1]張建中，李東民，張陟峰.轉臂式滅火機器人滅火技術研究與實現[J].現代制造工程，2010(7)：138-142.

[2]徐國保，尹怡欣，周美娟.智能移動機器人技術現狀及展望[J].機器人技術與應用，2007(2)：29-34.

[3]丁偉，孫華，曾建輝.基于多傳感器信息融合的移動機器人導航綜述[J].傳感器與微系統，2006，25(7)：1-3.

[4]席文姣，陳帝伊，馬孝義.基于 ARM9嵌入式系統智能滅火機器人控制器設計[J].現代電子技術，2010(10)：114-117.

[5]關為民，陳帝伊，馬孝義.智能滅火機器人硬件電路的設計與實現[J].微型機與應用，2010(4)：21-24.

[6]程鶴鳴.智能偵查滅火機器人[J].控制工程，2009(16)：117-121.