基于北斗定位的智能山地防火機器人設計與分析

劉文昊

（青島黃海學院，山東 青島 266427）

火災是自然界三大災害之一，會給人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)及生活帶來嚴重損失與傷害。2019年澳洲森林大火足足燃燒了4個月才得以撲滅，嚴重影響整個生態(tài)環(huán)境。及時發(fā)現(xiàn)火災并進行有效控制是緩解火災危害的有效辦法。因此，設計基于北斗定位的智能山地防火機器人，及時發(fā)現(xiàn)火災并進行滅火具有重要意義。基于北斗定位的智能山地防火機器人由電力及動力源、行走裝置、檢測裝置和滅火裝置組成。采用太陽能板及鋰電池結(jié)合的方式為機器人提供電力，并通過舵機轉(zhuǎn)換為動力；運用仿生學，設計六足行走器，可以快速在復雜的山地里行走、翻越障礙物、避險等；機器人搭載著對火源極其敏感的紅外復合型火焰?zhèn)鞲衅鳎軌蛟诎霃?5m 內(nèi)及時發(fā)現(xiàn)火源，并調(diào)動滅火裝置，噴灑最適合撲滅森林火災的干粉進行有效滅火。機器人配置北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，通過程序控制進行巡邏，并實時反饋位置信息，便于監(jiān)測。基于北斗定位的智能山地防火機器人能夠及時發(fā)現(xiàn)火災并進行有效控制，可以使火災消滅在萌芽中，降低火災損失、保護自然。

1 六足機械設計分析

山地防火機器人行走裝置運用仿生學技術(shù)設計六足行走裝置，正向?qū)ΨQ分布機械腿，可以實現(xiàn)快速有效地行走、攀爬、避障等功能。仿生六足運動行走常見的行走方式是三角步態(tài)，使三對機械腿分為兩組，用三角形結(jié)構(gòu)支架交替往前行進。六條機械腿均勻分布在機器人軀體的兩側(cè)，使軀體左側(cè)的前、后機械腿及右側(cè)的中間機械腿為一組，使右側(cè)的前、后機械腿和左側(cè)的中間機械腿分為另一組，使之組成兩個三角形支架，依靠大腿前后劃動分別實現(xiàn)支撐和行走過程。機械腿的執(zhí)行機構(gòu)需要滿足山地防火機器人全地形、全方位空間的操作要求。山地消防機器人運動機構(gòu)必要在保證山地防火機器人運動行走的過程中，在平穩(wěn)的前提下，需要具有較好的承載力和較快移動速度。山地防火機器人各個腿的關(guān)節(jié)和膝節(jié)采用的是弧形結(jié)構(gòu)。山地消防機器人六條機械腿均勻的分布在軀體周圍，這種設計可以減少運動過程中各個機械腿之間的互相干涉，使山地防火機器人行走運動過程中穩(wěn)定性和安全性得到進一步提升。

1.1 機械腿運動學分析

驗證更好的機構(gòu)設計的合理性，要通過對運動平臺進行運動學與動力學的分析。山地防火機器人行走過程中根據(jù)運動狀態(tài)的不同分為擺動腿和站立腿，擺動腿通過從山地防火消防機器人自有重量、構(gòu)件強度以及負載能力的方向出發(fā)，山地消防機器人的材料為鋁合金，機器人總體重量大約為15kg，每條腿的重量大約為1.75kg。根據(jù)仿生機器人實際運動情況下設定每個關(guān)節(jié)的約束，山地防火機器人的機械腿與軀體和各個機械腿關(guān)節(jié)之間添加轉(zhuǎn)動副，并通過舵機驅(qū)動，根據(jù)在現(xiàn)實中遇到的不一樣地形條件來添加更合適的驅(qū)動函數(shù)。

1.2 運動仿真分析

山地防火機器人在消防作業(yè)過程中根據(jù)不同的地況來靈活運用相對的前進方式。在山地消防作業(yè)過程中，上坡、躲障、緊急避險是機器人應具備的基本功能。在行走過程中平穩(wěn)性是檢驗機器人結(jié)構(gòu)設計合理性的重要標準。在平整的路面前進時，山地防火機器人的腿部可以實現(xiàn)快速的移動。當遇到石塊時能穩(wěn)定的抬升機體，從而越過石塊等物體。運動過程中根據(jù)機械腿部的變化從而產(chǎn)生不同的行走運動姿態(tài)和爬坡運動過程的仿真，此時機器人運動過程的穩(wěn)定性最高。山地防火機器人在運動速度最快時的運動形態(tài)，山地防火機器人通過調(diào)節(jié)腿部關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)位置放低使軀干最低端距離地面最高，山地防火機器人的腿部機構(gòu)最大程度得到伸展，身體軀干靠近地面，能在平坦路面快速移動。山地防火機器人在翻越隨機地形時的斜坡和陡坡運動過程中，根據(jù)相應的地形情況自動尋找合適的著力點，從而使山地防火機器人能更平穩(wěn)、安全地地通過斜坡和陡坡。

山地防火機器人運動整體比較平穩(wěn)，但在行走過程中的開始行走階段和上坡時每個腿關(guān)節(jié)所受力矩比較大，主要是在機體與腿相連的關(guān)節(jié)處。山地消防機器人在行走過程中關(guān)節(jié)力矩較大會對舵機造成一定的傷害。山地消防機器人的運動結(jié)構(gòu)設計還需要進一步加強優(yōu)化，從而為以后山地消防機器人火災的巡邏檢查、提前預警、積極撲救等工作研究奠定非常良好的前提基礎。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

紅外復合型火焰?zhèn)鞲衅魇菣C器人專門用于搜尋火源的傳感器，利用紅紫外線對火焰非常敏感的特點，使用特制的紅紫外線接收管來檢測火焰，然后把火焰的亮度轉(zhuǎn)化電平信號進行反饋，因此，設計使用紅外復合型火焰?zhèn)鞲衅鲗ι降鼗鹪催M行準確檢測。火焰?zhèn)鞲衅髯R別與火焰燃燒中產(chǎn)生的紫外線和紅外線。

2.2 北斗定位系統(tǒng)

該項目機器人配置北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，通過定位及地形圖規(guī)劃巡邏路徑，設定控制程序進行運動路徑規(guī)劃，并實時反饋監(jiān)測及位置信息。可實現(xiàn)全天候自動巡邏，提高監(jiān)測效果，及時發(fā)現(xiàn)火源并進行有效控制。

3 機器人創(chuàng)新方式

3.1 復雜地形行走效率化

運用仿生學技術(shù)，使機器人的運動方式模仿蜘蛛類型的六條機械腿，可以快速行走方便發(fā)現(xiàn)火源，可以跨過障礙物，在山地里復雜地形穿梭。如果遇到坑洼地形，可以通過爪子翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)機器人正常行走。

3.2 火源搜尋精確化

采取紅外復合型火焰?zhèn)鞲衅鳎b載在山地防火機器人兩端，通過傳感器里的紅紫外線準確監(jiān)測火源，在檢測到火源后及時觸發(fā)滅火裝置，并反饋位置信息，通知消防局。

3.3 滅火方式多元化

以最適合森林滅火的干粉為主進行滅火，并采用水基滅火輔助干粉滅火。水基滅火器可以撲滅小型火源，干粉滅火器不僅能更好的撲滅中小型火災還便于攜帶，遇到大型火災則將水基和干粉進行結(jié)合滅火，并自動定位報警。

3.4 自動巡航智能化

利用北斗導航定位系統(tǒng)，獲得山體地形圖規(guī)劃巡邏路徑。通過人工設定程序行走路線，并實時反饋檢測和位置信息，可實現(xiàn)全天候自動巡邏，提高監(jiān)測效果，及時發(fā)現(xiàn)火源并進行有效控制。

4 技術(shù)路線

山地防火機器人分四個路線。第一由六足機器人山地行走控制，基于六足機器人設計山地行走模塊，實現(xiàn)山地行走測試實地觀察效果。第二由于復雜的環(huán)境火源的尋找，選用紅紫外線等復合傳感器進行工作，能在戶外林地等復雜情況下觀察使用情況。第三判斷火源確定滅火方式，采用干粉為主，水基為輔的滅火方式。并人工模擬火災場景觀察滅火能力。第四可以野外復雜地形巡邏控制，實現(xiàn)山地無線信號傳輸，遠程導航山地地形圖，規(guī)劃巡邏路徑。通過人工設定程序行走路線。

5 結(jié)語

在全球變暖的今天，防火意識必須增強。隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，研究者們需要創(chuàng)造可以解決此類問題的智能機器人。人們也越來越需要機器人在人類到達不了的地方進行工作。智能機器人不僅可以發(fā)揮出他們的特點和能力，也可以減少各種損失。尤其在森林山地救火方面，必須第一時間考慮消防隊員生命安全的保護。據(jù)報道，近10年來森林火災人為原因占到97%，及時有效的發(fā)現(xiàn)火源是有效控制火災的關(guān)鍵。所以，發(fā)明能及時消防救火的智能機器人刻不容緩。對比世界消防機器人技術(shù)，我國這兩年突飛猛進，運用各種新材料、新技術(shù)，引領(lǐng)著消防智能機器人的發(fā)展方向。同時對我國通訊信息技術(shù)，大數(shù)據(jù)研究技術(shù)等學科領(lǐng)域的發(fā)展起到了積極的推動作用。