針對復雜地形的小型耐高溫火情偵測機器人

魏居琦 王顥然 劉卉萱

（沈陽理工大學 遼寧·沈陽 110000）

1 技術背景

眼下，國民的經濟發展水平日益提高，城市里高樓林立，居民人口密度在一步步提高，不同的危險區域的火災爆發時有發生，由火災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產上的威脅，讓他們蒙受了損失。

一方面,由于從外部往往無法及時了解到火場內部的具體情況，偵查人員進入災害現場要面臨極大的風險和挑戰，人身安全也無法保證。另一方面，由于災害現場內部情況復雜、環境惡劣，偵查人員進行現場信息采集存在較大困難，往往無法實現信息的及時反饋。

鑒于以上局限，能夠代替救援偵察人員進入易燃易爆、有毒有害、濃煙缺氧以及高溫災害現場進行探測及信息實時反饋的消防偵察機器人已成為維護社會安全的迫切需要。

2 設計內容

本項目為一種針對復雜地形的耐高溫火情偵測機器人，系統組成如下：

（1）主控單元：STM32F407ZGT6；

（2）機械結構：三段式履帶機構、云臺；

（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；

（5）避障單元：激光雷達；

（6）耐高溫實現：隔熱纖維材料(無石棉硅酸鋁針刺保溫氈)。

3 技術方案

3.1 主控單元設計

STM32F407：該主要控制模塊是通過機器人的中樞系統來選擇的，使用的是用于工業上的一款嵌入式可編程的控制器，即STM32F407型號的可以進行編程的控制器。該控制器時鐘頻率達到84MHz，是同類產品中性能最高的產品，主控制模塊采用STM32F407單片機的32位超低功耗的混合信息處理器進行設計。STM32F407單片機實際運用很方便，可以滿足系統速度的設定及各種定時需求，豐富的IO口資源有效的降低了硬件的設計的難度。

3.2 機械結構設計

底盤機械結構呈履帶狀，是兩條可以變換形狀的履帶，分別通過各自的主電動機進行驅動。當主臂桿需繞履帶架上的一款軸系列做F型旋轉的時候，會連帶著行星輪轉動，以使履帶呈現出不一樣的、隨時可變的構形，因此可以做到對不同運動以及各種作業環境的普適，從而完成攀爬樓梯的動作。

3.2.1 三段式履帶結構

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

三段式履帶結構，支承面積大，接地比小，牽引附著性好，有利于發揮較大的牽引力，爬坡、越障能力強,有很好的地面適應性和通行能力，可以方便在復雜火場中自由活動，對于樓梯等普通履帶難以前進的地方也能自如通過。該結構中前置履帶段可向后轉動，在平地行駛時亦可保持高速穩定。前段履帶為三角形履帶結構，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構，起到平衡與增大接觸面積的作用，當通過坡角較大的路段及下樓梯時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生傾倒，在正常路段行駛時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 云臺結構

云臺用來安裝攝像機，并把攝像機固定住。電動云臺可以用來對一些較大的區域來做掃描跟監視的功能，它能夠將攝像機可以監視到的范圍進行擴大。電動云臺之所以能夠高效運轉，是因為它有兩臺可以用來運轉的電動機來支撐完成的，電動機能夠接受從控制器發射出來的信號，從而實現定位的精確性。有了能夠對信號進行控制的功能，位于云臺上的攝像機就能夠自發地對所監視的所有區域范圍進行掃描。能夠變動速度的云臺，它在水平方向上的旋轉速率處在每秒0°到每秒32°之間，它在垂直方向上的旋轉速率處在每秒0°到每秒16°之間。某些更高速的攝像系統配備的云臺，它們在水平方向的旋轉速率能比每秒480°還要高，在垂直方向上的旋轉速率能比每秒120°還要高。云臺的水平方向上有一個電機做驅動，在垂直方向上有另一個不一樣的電機完成驅動，所以造成對評估云臺旋轉速率的時候要從水平轉率以及垂直轉率都做評估。因為載重的因素，垂直方向的電機在啟動時候的扭矩以及在維持運轉的時候的扭矩都要比水平方向對應的扭矩要大，還有在實際進行監控的時候，要求的水平方向上的轉速標準要比垂直方向上的轉速標準高，所以云臺在垂直方向上的轉速要比水平方向上的轉速低出一些來。一些用來控制的系統以及對應的解碼器，他們在性能上能夠影響云臺變速的效果，從而影響到云臺上的電機能夠依照不同的輸入值來實現不同速度的轉動。

3.3 通信單元設計

3.3.1 SX1278

SX1278是一種通過半雙工來進行傳輸的屬于低中頻率的收發器，它接收進來的射頻信號們需要先通過一款低噪聲型號的放大器（即LNA），而且LNA的輸入是一種單端的形式。之后將此信號轉變為一種差分的信號，借此來將二級的諧波做一個完善，再然后要將信號轉變為中頻信號（即IF），借此來輸出同相的一種正交態型號（I&Q信號），之后還要將ADC信號做一個數據上的轉換，使得之后傳輸過來的所有的信號都能夠在該數字的領域內實現解調功能，不過其中的數字型的狀態機還可以將頻率進行自動校正（即AFC）、對接收過來的信號的強度做一個指示說明（RSSI）、對增益與否實現自動的控制（即AGC）等一系列功能進行控制。

3.3.2 SX1278特性

SPI通信時鐘10兆赫茲，引腳做出變化的時間將達到納米級別。這種可以擴頻的因子越來越大的時候，進行傳播的時間也會越來越長。在一種睡眠的狀態下，對寄存器RegOp-Mode進行對應的配置，把FSK型號的調制解調器對應地變換成為 LoRa型號的調制解調器。SX1278包含兩個定時基準、一個RC振蕩器以及一個32M晶振。一個普通的SPI型號的接口能夠配置射頻的前端中全部的重要的參數，還能夠控制數字型號的狀態機中全部的重要參數，憑借這個SPI的接口，能夠訪問1278型號的配置用的寄存器。

3.4 信息采集單元設計

3.4.1 紅外熱成像模塊

在完全濃煙的狀況下,可用紅外熱像儀發現房間內部走廊、門窗及各種通道孔洞熱氣流的流動方向,確定高熱的危險區域,發現火源的具體位置及整個火勢的蔓延方向。石油化工等特殊災害現場,在正常可見光的情況下,不能夠直接看見石油化工的產品及原料的儲罐內部液體及物料的具體高度,但液態的石油化工材料在罐內儲存時,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場進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，這樣可以很方便地確定一些對應的措施。通過對一些特性以及原理的運用，可以讓消防隊的所有救援人員們即使面對濃煙環境，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：紅外光線能夠將熱煙霧進行穿透；火災現場中陷入困境的人員們的體溫跟身邊的環境的溫度是有一些差別的，與這個溫度差距相對應的一些熱分現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發生后的一些打理工作。比如在一些建筑物發生的火災中，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，亦或是撲救結束后仍然存在的未被察覺到的余火等，這樣能夠對高溫環境下的一些危險目標可以持續進行降低溫度的工作，可以提升滅火工作的保障性、完全性，從而降低火災后又重新自燃的隱患，甚至是直接消除這種事故產生的一些可能性。

3.4.2 CCD攝像機及拓展傳感器

CCD攝像機及拓展傳感器包含對圖像進行采集并進行傳輸的模塊、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用，和 CCD型號的攝像機的輔助來采集所形成的紅外圖像以及產生的CCD型號的視頻的數據，以此來完成對外部環境的溫度的實時監測，并能夠監測到設備在當下的一種運行情況，在一種通信單元的幫助下從而完成對數據的傳輸。

3.5 避障單元設計

激光雷達。激光雷達運作時，只需進行非接觸掃描可以在短時間內獲取物體和環境空間點的三維數據和信息，由于收集的數據是以點的形式組成，所以這些數據被稱作點云數據，其最大的特點是可以進行后期的處理，依靠獲取的數據便能夠建立完整的三維立體模型。通過激光雷達，能夠擁有非常高的照射角度、照射距離以及精準的對速度的分辨能力。激光雷達的一個很明顯的好處就是分辨率很高，在很多的應用案例中都是基于這一點來實現的。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，當激光在特定的傳播路徑上的時候是能夠被收到的，所以對激光進行攔截獲取是很有難度的，另外發射激光的雷達系統，也就是用于發射的望遠鏡，它有著很窄的口徑，而且可以進行接收的范圍也是很窄的，所以對于故意發射出來的對激光進行干擾的信號是不太容易進入到接收機的范圍的。在自然界的范圍中，可以影響到激光雷達的信號源是很少的，所以激光雷達能夠很強烈地抵抗有信號源的一系列干擾，能夠在復雜的環境中被廣泛使用。激光雷達只能反射出經過照射過的一些目標，完全不被地物回波干擾著，所以它能夠在“零高度”的環境里工作。激光雷達型號的發射望遠鏡具備厘米級別的口徑大小，而且這一套的系統質重差別還是挺大的，最小的質重僅僅幾十公斤，對一些架設工作、拆收工作都很容易開展。另外激光雷達有著非常簡單的構造，維護修理起來都非常的便易，操作起來很容易上手，而且單價也是很低的。