室內(nèi)消防智能引導(dǎo)車的設(shè)計(jì)與分析*

顏　瑋，朱方園，肖海利（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210023）

室內(nèi)消防智能引導(dǎo)車的設(shè)計(jì)與分析*

顏瑋，朱方園，肖海利
（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210023）

摘要：設(shè)計(jì)了一種用于建筑物內(nèi)部起火，或較大火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)開辟救援通道的智能引導(dǎo)車。通過對(duì)消防機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀和建筑物內(nèi)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的簡(jiǎn)要分析，對(duì)智能引導(dǎo)車的硬件和軟件展開了具體設(shè)計(jì)。該智能引導(dǎo)車具有履帶型四驅(qū)行走機(jī)構(gòu)、氣式清障驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、干粉式滅火機(jī)構(gòu)、自動(dòng)識(shí)別傳感系統(tǒng)和系統(tǒng)控制器，能自主判斷道路狀況，實(shí)現(xiàn)爬坡、清障、越障、滅火等功能，為消防機(jī)器人實(shí)現(xiàn)室內(nèi)救援提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)消防；智能引導(dǎo)車；設(shè)計(jì)

*中國(guó)高等職業(yè)教育研究會(huì)“十二五”規(guī)劃課題（編號(hào)：GZYLX2011073）

0　引言

國(guó)外，美、前蘇聯(lián)、英、日、法、德等國(guó)較早開展消防機(jī)器人研究。其中，日本的消防機(jī)器技術(shù)引領(lǐng)全球，數(shù)量也占據(jù)全球之首[1]。國(guó)內(nèi)，我國(guó)863項(xiàng)目成功研制了我國(guó)第一代消防機(jī)器人[2]。該消防機(jī)器人具有行走機(jī)構(gòu)、圖像傳輸系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)和冷卻自衛(wèi)系統(tǒng)等，能進(jìn)行防爆控制、安全自衛(wèi)、化學(xué)檢驗(yàn)、火情偵察。我國(guó)消防機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大大減少國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失和滅火救援人員傷亡。但隨著高層建筑、地下建筑和大型石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)，這些建筑和企業(yè)運(yùn)營(yíng)的特殊性，導(dǎo)致此類場(chǎng)所的火災(zāi)事故發(fā)生率有所提高，而且諸如化學(xué)危險(xiǎn)品和放射性物質(zhì)泄漏以及燃燒、爆炸等也明顯增加救援難度。面對(duì)高溫、黑暗、有毒和濃煙等危害環(huán)境，研制新型消防機(jī)器人配備顯得尤為重要[3-4]。

1　智能引導(dǎo)車總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能引導(dǎo)車用于高層建筑、地下建筑和石化企業(yè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)和破障，給消防人員尋找安全通道，為營(yíng)救創(chuàng)造條件。鑒于上述火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的特殊環(huán)境，該智能引導(dǎo)車需具備以下功能：

（1）行走功能：能夠前進(jìn)和后退、左右轉(zhuǎn)、加減速，能穿越低矮的階梯和凹凸不平地面；

（2）排障功能：能識(shí)別障礙物類型，對(duì)于可清除障礙物，將直接清除，對(duì)于不可清掃障礙物，采取繞開原則；

（3）滅火功能：能檢測(cè)熱源，避開熱源，若檢測(cè)到熱源點(diǎn)過多，則選擇最弱處，同時(shí)還可向四周以及向正前方噴射干粉消滅弱小火源；

（4）環(huán)境監(jiān)測(cè)功能：如檢測(cè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)有毒氣體；

（5）語言提示功能：語音提示可前進(jìn)或障礙轉(zhuǎn)向行走，警告提示危險(xiǎn)環(huán)境。

根據(jù)上述功能要求，該智能引導(dǎo)車需具有履帶型四驅(qū)行走機(jī)構(gòu)、氣式清障驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、干粉式滅火機(jī)構(gòu)、自動(dòng)識(shí)別傳感系統(tǒng)和系統(tǒng)控制器等功能模塊，總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1　智能引導(dǎo)車結(jié)構(gòu)示意圖

2　智能引導(dǎo)車本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1履帶式四驅(qū)行走機(jī)構(gòu)

履帶式行走機(jī)構(gòu)可在凹凸不平、泥濘松軟等惡劣道路上平穩(wěn)行走，能越過一定高度物體和上下一定高度臺(tái)階，通過一定寬度的斷裂帶，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下持續(xù)、穩(wěn)定行走。履帶設(shè)計(jì)形狀有倒梯形、直角梯形、三角形[5-6]等，其驅(qū)動(dòng)方式也有前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)、雙輪驅(qū)動(dòng)等多種方案。合理選擇履帶作為小車的行走機(jī)構(gòu)，需要對(duì)比輪式行走機(jī)構(gòu)與履帶式行走機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及考慮環(huán)境因素。

履帶布局設(shè)計(jì)成鈍角三角形，能降低行走機(jī)構(gòu)重心，減輕重量，緩解軸的承受載荷，有利于行走過程中保持平穩(wěn)，而且方便上、下坡，也能夠節(jié)省材料，降低成本。采用四輪驅(qū)動(dòng)，可提供較大驅(qū)動(dòng)力，易實(shí)現(xiàn)車體的前進(jìn)、加減速、原地旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)彎、上下坡等動(dòng)作。由于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，運(yùn)行穩(wěn)定，便于控制，電源獲得方便等，因此本文設(shè)計(jì)了由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的履帶式四驅(qū)行走機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

在選材上，智能引導(dǎo)小車履帶選用金屬材質(zhì)履帶，耐火、耐高溫，與帶齒金屬驅(qū)動(dòng)輪配合，可防止打滑，行走可靠，能滿足特定工作環(huán)境下的要求。

2.2氣式清障驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

氣式清障驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能是清除由燃燒產(chǎn)生的可清除的廢墟障礙，方便消防人員的快速進(jìn)入，或者能幫助受困人員快速尋找到安全區(qū)域。如圖3所示，該機(jī)構(gòu)的主要器件包括氣泵、二位五通電磁閥、氣缸、排障板、氣源處理器、氣管、接頭等組件，該結(jié)構(gòu)裝于車體前端，由專門的識(shí)別感應(yīng)器對(duì)障礙物進(jìn)行識(shí)別，做出判斷處理。利用壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)力，電磁閥控制氣體的流向，控制氣缸的往返運(yùn)動(dòng)推動(dòng)排障板進(jìn)行排障和復(fù)位。

圖2　行走機(jī)構(gòu)

圖3　清障機(jī)構(gòu)

圖4　滅火機(jī)構(gòu)

2.3干粉式滅火機(jī)構(gòu)

干粉式滅火機(jī)構(gòu)元件主要用于保護(hù)車體不受到火源威脅，同時(shí)輔助消防員滅火。它主要有模擬干粉瓶、電磁機(jī)構(gòu)和桿件，如圖4所示。

電磁機(jī)構(gòu)易于控制，可采用杠桿機(jī)構(gòu)與電磁機(jī)構(gòu)相結(jié)合來壓下滅火開關(guān)。當(dāng)控制信號(hào)傳遞給電磁機(jī)構(gòu)，吸引銜鐵動(dòng)作，帶動(dòng)杠桿壓下干粉滅火器開關(guān)。當(dāng)控制信號(hào)結(jié)束，電磁機(jī)構(gòu)失電原理，彈簧將銜鐵復(fù)位，帶動(dòng)杠桿復(fù)位，干粉滅火器關(guān)閉。

滅火器在車體上分布的位置分別為左右和前方，全方位保護(hù)車體，位置分布時(shí)注意機(jī)構(gòu)正前方?jīng)]有其他元件遮擋。干粉罐放在車體內(nèi)部，避免高溫。

2.4自動(dòng)識(shí)別傳感系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)起到環(huán)境數(shù)據(jù)采集及處理的作用，它把處理的數(shù)據(jù)傳給機(jī)器人控制系統(tǒng)。它由模擬量傳感器系統(tǒng)和數(shù)字量傳感器系統(tǒng)組成。模擬量傳感器系統(tǒng)包括：紅外測(cè)距、灰度、接近開關(guān)、溫度傳感器、二氧化碳傳感器等。數(shù)字量傳感器系統(tǒng)包括：模擬量傳感器擴(kuò)展模塊、電子羅盤、光電傳感器擴(kuò)展模塊等。其組成包括：MCU、模擬量傳感器、I2C通訊接口等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

3　智能引導(dǎo)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于上述的功能模塊，本文設(shè)計(jì)的智能引導(dǎo)車如圖5所示。該智能引導(dǎo)車的主控制器是南京智歡電子科技有限公司自主研發(fā)的智能機(jī)器人控制器。該控制器以LM3S1607處理器為核心，包括微處理器、存儲(chǔ)器（FLASH存儲(chǔ)器和SDRAM存儲(chǔ)器）、鍵盤電路、與傳感器系統(tǒng)通訊電路、LCD液晶顯示電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路、電源供電電路等。

圖5　智能引導(dǎo)車

該智能引導(dǎo)車的主控系統(tǒng)軟件包括：系統(tǒng)啟動(dòng)程序、各模塊硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real Time Operating System，RTOS）等，系統(tǒng)控制程序流程如圖6所示。

經(jīng)模擬試驗(yàn)測(cè)試，小車能較好地行走于坡道及不平道路上，能自動(dòng)識(shí)別墻體和障礙物，并可將障礙物推開。模擬火點(diǎn)也可開啟滅火機(jī)構(gòu)，進(jìn)行自我保護(hù)。智能引導(dǎo)車的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)，基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6　小車程序控制流程圖

4　結(jié)論

充分運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)消防機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合室內(nèi)消防的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種用于建筑物內(nèi)部起火或較大火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)開辟救援通道的智能引導(dǎo)車。該小型智能引導(dǎo)車體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，靈活性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，在高層建筑、地下建筑和大型石化企業(yè)將具有一定的應(yīng)用前景。

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(編輯：阮毅)

Designand Analysisof Intelligent Guided Vehiclefor Indoor Fire-Fighting

YAN Wei，ZHU Fang-yuan，XIAO Hai-li
（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing College of Information Technology，Nanjing210023，China）

Abstract:In this paper an intelligent-guided vehicle is designed for opening a rescue way in fire building.With brief analysis to development of fire robot and situation in fire building，detail design for guided vehicle involves hardware and software.Equipped with four-wheel driving walking mechanism，remnant-clear mechanism，dry power extinguisher，automatic identification system and system controller，it can distinguish the different ways，walk on slope，clear or avoid collapse and mess，and even put out a fire.It provides a new thinking for fire robot indoor rescue.

Key words:fire protection indoor；intelligent-guided vehicle；design

作者簡(jiǎn)介：第一顏瑋，女，1980年生，江蘇江都人，碩士研究生，講師。研究領(lǐng)域：工業(yè)機(jī)器人和機(jī)電一體化技術(shù)。

收稿日期：2015－06－30

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.002

文章編號(hào)：1009－9492 (2015 ) 08－0007－03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU998.1