基于遙感智能控制的消防機器人設(shè)計分析

初津宇，王學(xué)軍，孫長勇，張家瑞，王雨晴

（山東華宇工學(xué)院 機械工程學(xué)院，山東 德州 253000）

0 引言

火災(zāi)是一種常見的社會災(zāi)害，一般來說，火災(zāi)造成的危害往往非常嚴(yán)重，對公共安全構(gòu)成極大威脅。近五年來，我國每年發(fā)生火災(zāi)4萬多起，死傷5 000多人，每年因火災(zāi)造成的社會財產(chǎn)損失超過10億元。特別是一些特殊的企業(yè)發(fā)生的火災(zāi)，如化工企業(yè)、紡織企業(yè)等，具有突發(fā)性強、燃燒猛烈等特點，并且火災(zāi)過程中會產(chǎn)生大量的有毒氣體，嚴(yán)重地危害周圍群眾和救災(zāi)人員的生命安全[1]，如果救援人員不能配備高效的設(shè)備和救援設(shè)施，草率行事，就會增加人員傷亡，達(dá)不到救援目的。消防機器人的開發(fā)研究可以一定程度上替代消防員進(jìn)行火災(zāi)救援，不僅可以提高保護(hù)消防員的人身安全成功率，還可以有效減少消防員的傷亡率。同時，消防機器人的大規(guī)模應(yīng)用也可以提高消防效率和消防質(zhì)量。在滅火救援中運用消防機器人，能夠在極大程度上提高滅火的效率，搶奪滅火時間，抑制火勢蔓延，為消防員的生命安全提供強有力的保障[2]。

1 設(shè)計思路

本設(shè)計的目的是基于STM32單片機控制的一種智能化、綜合能力更強的火災(zāi)現(xiàn)場勘探及救援的消機器人，能夠代替消防員進(jìn)入有毒、濃煙、高溫、缺氧等高危險性滅火救援現(xiàn)場完成偵察檢驗、排煙降溫、搜索救人、滅火控制等任務(wù)，在保護(hù)消防員安全的同時提高了消防滅火救援能力[3]。在使用過程中，機器人可以提前檢測到信息，操作員可以使用遙控器進(jìn)行控制，以代替救援人員進(jìn)入高風(fēng)險場所的災(zāi)難現(xiàn)場，調(diào)查周圍的隱患，根據(jù)現(xiàn)場反饋結(jié)果及時分析判斷災(zāi)情，加快事故現(xiàn)場救援工作。在救援過程中可以根據(jù)火場情況選擇射水、噴霧模式施救，選擇運用干粉炮和干冰炮壓制火源中心，提高滅火效果。熱磁發(fā)電機的使用增加了該產(chǎn)品的續(xù)航能力，從而減少消防人員在施救中出現(xiàn)的傷亡，保護(hù)消防人員的安全。

2 設(shè)計方法

基于遙感智能控制的消防機器人是由梯形固定履帶行走機構(gòu)、水霧炮兼用裝置、干粉炮、干冰炮、遠(yuǎn)程遙感操控器、智能降溫噴霧裝置、激光雷達(dá)避障裝置、攝像頭、前后車燈、回轉(zhuǎn)臺、氣體在線檢測儀、干冰滅火彈填裝管、高壓水管等裝置組成，如圖1所示。具有如下功能：

（1）底盤采用履帶裝置，提高機器人的越野性。

（2）采用激光雷達(dá)，便于機器人避障。

（3）設(shè)計水、霧炮兼用裝置，便于射水和噴霧模式轉(zhuǎn)換。

（4）設(shè)計多傳感器信息融合的火災(zāi)種類與等級識別系統(tǒng)，利于施救。

（5）設(shè)計智能噴淋降溫系統(tǒng)，及時為機器人降溫。

（6）安裝回轉(zhuǎn)臺，方便炮口旋轉(zhuǎn)、調(diào)高角度。

（7）安裝干冰炮和干粉炮，便于多元化滅火。

圖1 消防機器人設(shè)計結(jié)構(gòu)簡圖

2.1 技術(shù)方案

目前國內(nèi)外現(xiàn)有的智能滅火機器人以探測火場情況為主，救援滅火為輔。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，消防人員將智能滅火機器人放進(jìn)火場，通過遙感控制等技術(shù)操控智能滅火機器人進(jìn)入火場探測，傳回相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而采取相應(yīng)的滅火措施。同時具備一定的滅火救援能力，可應(yīng)對突發(fā)情況。

2.2 具體實施方式

上文敘述了智能滅火機器人以探測火場情況為主，救援滅火為輔，智能滅火機器人具體的實施方式如下：

（1）采用梯形固定履帶底盤，使得整個結(jié)構(gòu)堅固更加緊湊，驅(qū)動系統(tǒng)更加高效，電子系統(tǒng)更加低功耗，能適應(yīng)多種惡劣環(huán)境，通過性強，可進(jìn)行最高35°的爬坡。

（2）當(dāng)發(fā)生火情后，消防人員將該產(chǎn)品帶到火場附近，將高壓水管帶連接至該產(chǎn)品水管連接處，檢查產(chǎn)品狀況，通過遙感系統(tǒng)，將該產(chǎn)品投放到火場。

（3）該產(chǎn)品設(shè)計有激光雷達(dá)裝置、前后攝像頭和紅外感應(yīng)系統(tǒng)，可感應(yīng)火場內(nèi)部情況，并且進(jìn)行避障，通過攝像頭將反饋的火場信息傳送至控制器顯示屏，利于消防人員及時采取相應(yīng)滅火措施。

（4）車身中部安裝水、霧炮兼用裝置，可通過遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行射水和噴霧模式的轉(zhuǎn)換，該裝置體積小，便捷靈活，可通過遙控旋轉(zhuǎn)炮口方位及高度，對不同位置的火源進(jìn)行滅火。車身兩側(cè)分別設(shè)置干粉炮和干冰炮，同樣可通過回轉(zhuǎn)平臺調(diào)節(jié)炮口方位及高度，應(yīng)對不同的火場情況。尤其是干冰炮，炮口后面安裝干冰滅火彈填裝管，填裝管直連車體內(nèi)部干冰彈儲存庫，當(dāng)需使用干冰滅火彈時，通過遠(yuǎn)程遙控裝置自動填裝到填裝管發(fā)射。其還可以根據(jù)火場情況，遠(yuǎn)距離、準(zhǔn)確拋擲干冰彈，降低火場蔓延速度，提高滅火效率。三個炮口發(fā)射三種滅火劑，達(dá)到滅火的多元化。

（5）設(shè)計多傳感器信息融合的火災(zāi)種類與等級識別系統(tǒng)，傳感器控制模塊上與氣體在線檢測儀相連，傳感控制模塊可以實時讀取該氣體檢測儀識別的氣體種類，在線氣體檢測儀可以識別CO、SO2物，給消防員采取正確的滅火方式提供依據(jù)，提高滅火效率、保護(hù)消防人員的人身安全。

（6）車身外殼采用防火裝置，且耐高溫，車身設(shè)置智能噴霧降溫裝置，可根據(jù)周圍溫度的變化自動對車身進(jìn)行噴淋降溫，避免熱損傷。

（7）機器人控制常用無線遙控和有線控制兩種方法。無線遙控，可由車體內(nèi)置電源供電；將交流電源連接到車身后面的電纜連接器上，即機器人可以有線操作。無線遙控主要依靠上下位機之間的通信。

在整個控制過程中，上位機通過無線視頻設(shè)備接收消防機器人的實時工作狀態(tài)，并將其顯示在控制終端的屏幕上。通過這種方式，消防員可以實時觀察機器人的工作環(huán)境和此時的工作狀態(tài)，及時調(diào)整機器人的工作狀態(tài)，從而可以更好地完成工作任務(wù)，減少經(jīng)濟(jì)損失，保證人身安全。在消防操作人員的參與下，人和機器人的各個部分可以形成一個閉環(huán)操作系統(tǒng)。在整個機器人系統(tǒng)中，下位機不僅可以負(fù)責(zé)接收和處理上位機發(fā)出的指令，還需要負(fù)責(zé)將現(xiàn)場信息及時反饋給上位機，從而精準(zhǔn)的驅(qū)動相應(yīng)的動作機構(gòu)。因此，下位機是控制系統(tǒng)的重要組成部分，起著重要的作用。

機器人控制的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。具體工作流程如下：上位機與機器人控制端相連，控制端是由操縱桿、按鈕等部件組成。通過這些元件，使上位機與下位機進(jìn)行通信，需要操作員將動作命令輸入上位機，從而達(dá)到了上位機以無線方式將動作命令傳輸給下位機，同時，上位機可以接收下位機反饋的實時工作狀態(tài)信息。為了在屏幕上顯示機器的工作位置和姿勢，需要安裝在機器人上的攝像頭將工作場景及時傳送到控制臺，從而便于控制器根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整和控制。下位機是控制系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)，不僅需要接收上位機的動作指令，控制電機驅(qū)動器等部件的關(guān)閉和啟動，還需要采集傳感器傳輸?shù)哪M信號。此外，它還控制將反饋給上位機的音頻信息的傳輸。

圖2 消防機器人控制總體硬件方案結(jié)構(gòu)圖

3 創(chuàng)新特色

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本智能系統(tǒng)具有以下有益效果：

（1）本系統(tǒng)基于STM32單片機控制，智能化高、操作方便簡單，同時不影響原來的道路控制。

（2）可以應(yīng)用于火災(zāi)災(zāi)情不確定、地形復(fù)雜的火災(zāi)現(xiàn)場，通過智能管控“消防戰(zhàn)士”進(jìn)入火場勘探情況并進(jìn)行救火等救援，有效降低了消防員救火時出現(xiàn)的危險系數(shù)，保護(hù)了生命財產(chǎn)安全。

（3）相較于現(xiàn)有的消防機器人，本產(chǎn)品配備的多種救援用消防炮（水霧炮間用裝置、干粉炮）可以對不同情況的火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行針對性的展開救援，大大提高了滅火有效性。

（4）本產(chǎn)品配備有基礎(chǔ)性的防火外殼以及智能降溫噴霧裝置，對救援時的“消防戰(zhàn)士”進(jìn)行降溫，大大提高了產(chǎn)品的工作時間和耐用性。

所設(shè)計的智能消防機器人功能多元化，滅火能力強，應(yīng)用價值高，應(yīng)用前景廣泛。

4 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的不斷加快，各種資源給人們帶來便利的同時，也加大了災(zāi)害發(fā)生可能性，火災(zāi)形勢嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的由消防員進(jìn)入火場進(jìn)行救援因為其危險性、不確定性等原因，已不能適應(yīng)社會發(fā)展需求了。消防裝備是最基本的消防救援物資，只有先進(jìn)、高端的消防設(shè)備才能提高消防救援工作效率，也才能創(chuàng)造出理想的消防救援工作成果。消防器材自身的質(zhì)量與實際使用需要不斷發(fā)展、創(chuàng)新與完善，只有這樣才能真正地提高消防裝備的消防水平[4]。因此基于遙感智能控制的消防機器人有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ椰F(xiàn)代社會發(fā)展，越來越注重安全問題，所以，本智能消防機器人具有廣闊的發(fā)展前景。