微型消防偵察機器人的設計

王智威 劉帥 王靖鈞 胡明敏

摘 要：本文介紹了一種微型偵察消防機器人的設計。首先介紹了消防偵察機器人的發展方向及本設計的目標，然后分析消防偵察機器人的主要參數，最后給出機械結構和控制系統的設計方案。

關鍵詞：消防偵察機器人;履帶;單片機

中圖分類號：TU998.13 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）13-0042-03

Abstract： This paper introduced the design of a miniature reconnaissance fire fighting robot. Firstly， this paper introduced the development direction of fire reconnaissance robot and the goal of this design， then analysed the main parameters of fire reconnaissance robot， and finally gave the design scheme of mechanical structure and control system.

Keywords： fire reconnaissance robot;track;singlechip

火災是非天然災害中對人類生命財產安全極具威脅的災害之一，遭受威脅的不僅是火災中的被救者，還包括火災救援者。火災現場通常存在可視度低、可吸入顆粒物濃度高、爆炸、爆燃等極端危險因子，無形中加大了消防救援難度。因此，當火場內部情況尚未明確前，建議消防救援人員不要貿然進入火場。此時如果有一款偵察機器人先期進入火場內部進行偵察摸底工作，在某種程度上為消防人員筑起一道保障生命安全的技術防線。由此，本文設計了一種微型偵察消防機器人。

1 消防偵察機器人的發展方向

消防機器人有很多類型，根據主要功能可分為滅火機器人、火場偵察機器人、危險化學物品泄露探測機器人、救人機器人及具備多種功能的綜合機器人。

消防偵察機器人一直隨著科技的發展而進步，由最初的程序控制機器人，到后來的傳感器機器人，再到如今的智能機器人。未來的消防偵察機器人將會朝著更加智能的方向發展，將能夠自主判斷、自主工作。此外，未來的消防偵察機器人將會更加地綜合化，除基本的偵查檢測功能外，還將具備其他類型消防機器人的某些功能。

2 本項目研究的內容及設計目標

研究內容具體如下。

①研究消防偵察機器人基本的機械結構和機械設計。②研究消防偵察機器人要實現偵察作業所需要的硬件控制系統和軟件控制系統的設計。③研究消防偵察機器人自我保護（防火隔熱）系統的設計。

設計目標具體如下。

①該消防偵察機器人可以通過無線遙控的方式進入火災現場，行駛靈活敏捷，有一定的越野避障能力。②能偵察火災現場的實情，通過攝像頭實時將火災現場的畫面傳輸到PC端，也能拍攝現場照片傳送的PC端，可以通過此功能來尋找火源、搜索被困人員。③能夠在高溫濃煙等惡劣的火災現場進行偵察[1]。

3 本項目研制的消防偵察機器人的主要參數

長為40cm;寬為30cm;高為30cm;總質量為3.7kg;操作方式為無線;傳輸影像為彩色;視寬為120°。

設計的消防偵察機器人采用履帶式底盤，具有較強的越野和爬坡能力，能攀爬30°的斜坡，可自由轉向;機器人體型較小，可通過狹窄的通道;機器人裝有攝像頭，可將火災現場的畫面實時傳輸到PC端，用于偵察火災實情，搜索火源和被困人員。當機體內溫度過高時，噴水裝置自動噴撒水幕到機體，機體溫度降低。圖1為消防偵察機器人整體設計。

4 機械結構設計

4.1 移動平臺機構設計

火災現場環境復雜，消防偵察機器人要有良好的越野避障能力，因此設計了履帶式機構作為移動平臺，如圖2所示。驅動輪和驅動電機相連，履帶板兩端的孔與驅動輪齒輪嚙合，電機工作時通過驅動輪帶動履帶運轉;支重輪的主要作用是支撐整個機體的重量，讓履帶沿著輪子前進;緩沖彈簧起緩沖作用，使履帶在行駛過程中始終保持一定的張緊狀態;導向輪用于引導履帶正確繞轉，可以防止跑偏和越軌。

4.2 機器人自我保護系統設計

火災現場除了高溫還有明火。為了保證偵察機器人能夠在此環境下正常工作，整個機體必須要防火、耐高溫。機器人驅動和其他控制系統都是由集成電路板（單片機）控制，單片機上的集成電路很容易被高溫破壞，所以必須將電路控制系統安裝于機體內，通過機體的防火隔熱材料保護內部控制系統不受影響[2]。

4.2.1 機器人機體設計。現在的防火隔熱材料多用于工程建筑，如陶瓷纖維、板酚醛板等。這些材料雖然防火隔熱的性能很好，但是材料質地堅硬，不易于再加工。因此，選用金屬板材制作機體，將隔熱棉貼置于板材內部，以保護內部電路。隔熱棉中有很多的間隙，大量的熱被氣泡阻擋，很難進入內部。

4.2.2 噴水裝置設計。噴水裝置主要由水箱、水泵及噴頭組成，由一個熱敏電阻控制。當機體內部溫度達到50℃時，電路導通，水泵開始工作，噴頭將水噴灑在機體上，水珠在高溫下開始蒸發，蒸發時吸收了機體大量的熱，機體溫度降低。水泵直徑33mm，進水口16mm，出水口6mm，最大流量4L/min，額定功率30W，直流輸入12V/2A。

5 控制系統設計

5.1 控制系統的總體設計

本項目的消防偵察機器人采用上下位機的工作方式控制整個系統。操作人員通過上位機（遙控器）發出指令，如機器人的前進、后退，轉向電動機的左右旋轉等。這些指令通過無線數字傳輸模塊發送給下位機（單片機），下位機接收到指令后按照之前擬定的程序，驅動相應的電機和舵機進行工作[3]。下位機具有WIFI模塊，設計了用電腦PC端控制下位機，操作和遙控器相同。在此過程中，攝像頭通過WIFI信號和電腦PC端進行圖像傳輸。攝像頭將現場環境的實時畫面傳輸到PC端，操控人員根據回傳的畫面了解現場情況，形成了一個閉環的控制系統。控制系統如圖3所示。

5.2 STM32103F核心板簡介

核心板型號為STM32F103VET6，內核為ARM32位的Corter-M3CPU，調試方式為SWD。

MCU介紹：最高工作頻率72MHz;256K閃存程序存儲器;64K字節SRAM;帶4個片選的靜態存儲器控制器，支持Cf卡、SRAM、PSRM、NOR和NAND存儲器;4～16MHz晶振蕩器;2個12位模數轉換器;112個快速I/O端口，所有I/O口可以映像到16個外部中斷，幾乎所有的端口均可容忍5V信號。

5.2.1 WIFI數傳模塊。WIFI模塊又名串口WIFI模塊，提供設置工作信道的參數，在已知目的網絡所在信道的條件下，可以直接指定模塊的工作信道，從而達到加快聯網速度的目的[4]。本項目中，PC端通過鏈接WIFI模塊的建立數據/圖像傳輸通道，操控人員借用PC端將指令通過數傳模塊傳送給單片機，攝像頭也通過數傳模塊將圖像傳送到PC端。

5.2.2 遙控模塊。發射機由指令鍵（或操作桿）、指令編碼系統、調制電路、驅動電路及發射電路等組成。當按下指令鍵或推動操作桿時，指令編碼電路產生所需的指令編碼信號，指令編碼信號對載波進行調制，再由驅動電路進行功率放大后由發射電路向外發射經調制的指令編碼信號。

接收電路由接收電路、放大電路、調制電路、指令譯碼電路、驅動電路及執行電路（機構）等組成。接收電路接收發射器發出的已調制的編碼指令信號，并進行放大后送至解調電路，解調電路將已調制的指令編碼信號解調出來，即還原為編碼信號。指令譯碼器將編碼指令信號進行譯碼，最后由驅動電路來驅動執行電路實現各種指令的操作控制（機構）。本項目中，接收器和單片機相連，單片機給接收器供電，接收器將編譯過的指令傳給單片機[5]。

5.2.3 電路系統。本電路系統的輸出主要是控制系統和噴水裝置兩大部分。一方面，電源通過導線連接單片機上的電源模塊給單片機提供6～12V的電壓，通過單片機上的電機和舵機模塊供電給電機和舵機，同時通過單片機上的5V輸出拓展模塊給WIFI數傳模塊供電;另一方面，電源、熱敏電阻及迷你水泵組成一個簡單的串聯電路，熱敏電阻在溫度的影響下通斷，控制水泵工作。電路的電源用的是11.1V3s2200mah7.4V的格式電池，航模電池安全性高、壽命長、環保無污染，很適合作為本項目的電源。圖4為單片機電源模塊。

6 總結與期望

本項目主要完成了移動機構的設計、機體機械結構的設計、控制系統平臺的搭建和設計，并對系統進行了調試，使其具備偵察火災現場的能力。本項目以現有的履帶式底盤為參考，設計了符合消防偵察機器人的越野性能好、高負載、活動靈活的移動機構;以黃銅板和隔熱材料為主體，噴水降溫裝置為輔助，設計了能夠保護機體在火災現場正常工作的機械機構;基于單片機核心板的控制系統、數傳模塊及遙控模塊，實現了機器人無線遙控的驅動模式，保證了高清視頻、照片的高效回傳。

參考文獻：

[1]孫姜旭.小型消防機器人分析與設計[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[2]房海蓉，方躍法，楊延昭，等.基于隧道火災的消防機器人系統研究[J].中國科學安全報，2003（10）：4.

[3]王南丁.消防機器人履帶行走裝置設計及運動學仿真研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2015.

[4]國家“863”消防機器人課題組.中國第一代消防機器人[J].機器人技術及應用，2000（6）：7-10.

[5]孫立寧，董為，杜志江.宏/微雙重驅動機器人系統的研究現狀與關鍵技術[J].中國機械工程，2005（1）：89-93.