消防機器人在滅火救援中的運用

■ 汪志明 張家口市消防救援支隊

目前消防機器人的作用顯著，可以有效解決滅火救援中的各類難題，因此相關的研發工作也逐步地開展起來。目前，消防機器人正在向智能化、自動化的方向發展，我國也在積極引進國外先進的機器人技術，并根據國內的具體情況和技術水平進行本土化研究，目前救援機器人研發工作已經逐漸邁向新的階段。不僅如此，我國消防事業也在不斷的發展中，新的消防格局已經逐漸形成。在實踐應用的過程中，應該不斷地總結經驗和教訓，為機器人的研發提供更多參考依據。

一、消防機器人的結構設計

消防機器人的種類有很多，隨著研究的深入，機器人也在不斷更新換代。目前來看，消防機器人根據發展的情況可以分為三代，分別是：簡易遙控消防機器人、計算機輔助遙控消防機器人、智能化消防機器人。但在實際設計的過程中，需要根據消防機器人的應用范圍進行結構設計，具體設計方式如下：

（一）規劃路徑設計

消防機器人主要從事救援和滅火兩項工作，因此需要具備偵查災情的能力，且在巡視偵查目標時，要確保在巡視的過程中可以自主、安全的行走活動。所以，要對消防機器人的行動路徑進行規劃設計[1]。首先，需要堅持全局性的原則，從整體性的角度設計偵查路線，確保規劃的合理性。在設計的過程中，要對多項因素進行考慮和分析，偵查的目標不同，規劃路徑也會存在一定的差異，因此還需要提升消防機器人的區分能力、掃描能力。其次，為了協助救援任務或者獨立完成救援任務，消防機器人還必須完善智能化功能，不僅要具備掌握周圍環境的能力，還要根據環境條件做出清晰準確地判斷，從而為下一步操作做出規劃。在行動的過程中，為了解決障礙問題，需要安裝傳感器，利用傳感器對周圍障礙物、臺階、墻壁等進行感應。災害會造成環境混亂，地面會出現凹凸、物品散落等各種障礙，因此還必須要求傳感器可以對各類障礙進行分類，進而做出合理的行動方案。最后，在遇到障礙的情況下，要根據傳感器的分析采取有效的規避方案，越過或繞過障礙，從而確保機器人可以正常運作。

（二）起火點識別定位

消防機器人需要具備識別火源的功能，在遇到火災事故時，可以準確地對周圍環境作出分析，在安全位置對信息、數據進行采集分析，并通過分析判斷確定火源位置和起火原因等信息[2]。消防機器人的主要任務就是救援和滅火，所以在對火源距離進行準確的計算后，要第一時間攜帶滅火裝置進行滅火救援。

（三）傳感器設計

在消防機器人設計的過程中，傳感器設計是十分重要的一項內容，傳感器可以檢測周圍環境，具有測量距離的功能，但會受到場地、環境等因素的影響。目前，普遍采用超聲波測距、激光測距、紅外測距等多種類型的傳感器。在滅火作業完成后，需要利用傳感器對火源進行檢測，分析潛在的危險隱患，然后采取有效的解決方案，所以傳感器是十分重要的構成部分。

二、消防機器人滅火救援的硬件設計

（一）電機驅動模塊

消防機器人的主要硬件包括單片機、電機驅動、火源檢測等多個模塊。在機器人設計的過程中，硬件組合是十分重要的環節，要確保各個硬件都能夠充分發揮作用，因此需要采用TWI 總線對硬件進行規范協調。例如，AVR 單片機ATmega 128 是系統中的主要模塊，ATmega 8系統則是底層控制模塊，可以滿足前進、后退等移動功能的要求。在電機驅動模塊方面，采用直流電機進行控制，通常選擇L298，該電機利用芯片對兩個直流減速電機進行驅動，然后利用EA/EB 與PWM 進行連接，P1-P4 與單片機進行連接，改變EA、EB 和PWM 的占空比就可以實現啟動、停止、加速、減速等操作，滿足控制電動機的要求。

（二）火源檢測模塊

對于消防機器人來說，火源檢測模塊尤為重要，模塊主要包括光敏電阻、光電三極管兩種設計形式。前者利用各種光強下的阻值差異確定小車轉向，具有原理簡單、應用便捷的特點。但在實際應用中也存在一些缺陷，一方面是檢測距離受限制，另一方面是受到外界因素的影響較大，難以有效保障測定值的準確性。所以一般采用光電三極管的設計方式將其排列成半圓狀，根據適量合成的原理進行設計，由于傳感器測光強有所不同，因此可以將各個值作為測定中心，明確小車的具體位置。這種方式比光敏檢測更具優勢，因為其不會受到外界因素和距離的限制影響。

（三）障礙規避模塊

為了確保消防機器人可以正常運行，需要設計合理的障礙規避模塊。第一，可以采用光電開關的設計方式，其具有經濟實用、設計成本較低的特點，但這種設計對距離要求較高，只能檢測范圍內的障礙物。第二，可以采用超聲波測距的設計方式，這種方式更具智能化，主要是利用超聲波傳感器進行測量并計算超聲波與物體之間的準確距離，具有科學、準確、智能的特點，但應用成本較高。因此光電開關經過算法優化可以滿足設計需求，應用更加廣泛。

三、消防機器人滅火救援的軟件設計

在軟件設計上，主要針對火源尋找進行設計。因為火災環境比較復雜，所以可以從搜索、滅火、檢測三個方面入手。尋光算法是一種合理的尋光計算和障礙規避的計算方式，要根據傳感器環路結構來確定和應用[3]。例如，ATmega 128 控制的輪式移動機器人，采用直流伺服系統對機器人進行驅動。將小車的左右設為X 軸，從0°、45°、90°等8 個比較特殊的角度進行光敏三極管位置的確定。計算信號幅度最大的三極管與90°位置的三極管之間的夾角，小車應該位于夾角內，可以接受較大幅度的信號，滿足條件后向前運行；在障礙算法方面，依舊設為X 軸，光電開關放置在0°、45°、90°、135°、180°五個位置，輸出TTL 電平，轉換為二進制分量。如果傳感器為高電平，則說明有障礙物被探測到。

目前來看，消防事業還在不斷地完善中，且消防工作的范圍也不斷擴大，包括偵查、洪水、救援、通信等方面，這些都需要技術創新的支持。所以，消防機器人需要進一步向智能化、先進化的方向發展，且要增加移動式消防水炮、消防車載水炮，實現各個設施的聯合作業，提升救援滅火的效率。

四、結語

綜上所述，消防機器人在消防滅火和救援工作中發揮著十分重要的作用，所以要積極開展消防機器人的設計和研究工作。不僅要明確消防機器人的結構特點，還要做好硬件和軟件上的設計，提升消防機器人的智能化水平，使其可以在更復雜的環境和條件下發揮作用。