基于遙感智能控制的消防機器人

張薇薇，孫長勇，王學軍，初津宇，鄭明輝

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

0 引 言

自燃火災和生產生活火災由于各種原因時長發生，其已經成為了一種常見的社會災害。通常情況下，火災所帶來的損失往往是十分嚴重的，給公共安全帶來很大威脅。隨著我國經濟水平和人民生活質量的不斷提高，人們對消防安全提出了更高的要求。在這種形勢下，加強消防建設勢在必行。改革開放以來，中國進入市場經濟時代。國民經濟持續快速發展。為了響應我國經濟體制朝著區塊化，產業化和集中化方向發展的要求，我國石油化工，電力和倉儲物流企業都開始進行集中化布局，但是這也加大了火災的危害。消防機器人的問世能夠在一定范圍內代替消防員開展火災救援工作，既能保障消防員人身安全又能有效降低消防員人員傷亡。目前，消防機器人已經逐漸成為了消防工作中不可或缺的重要工具之一。它是一種集機械、電子以及信息技術等多學科技術于一體的高科技產物，其功能非常強大。而且操作簡單方便。同時，應用消防機器人還能提升滅火效率與滅火質量。將消防機器人應用于滅火救援工作中，可以很大程度地提高滅火工作效率，搶得滅火時間并遏制火勢蔓延，從而為消防員生命安全和財產安全提供有力保障。消防人員要想在地面上完成入火，滅火和出火都需要大量的人力和物力，大型消防機器人通過在太空中完成設備組裝可以打破火災規模的局限性，并且可以節省成本。隨著科技的發展和社會經濟的進步，對消防安全要求越來越高。傳統的人工操作方式已經不能滿足現代消防工作的需求了。因此，自動化程度越高的消防系統就越有優勢。如何以低成本和高效率的方式使用消防機器人來執行一系列復雜滅火任務已經成為當前消防技術領域關注的焦點。同時，消防機器人的操控方法將成為消防技術領域的關鍵。

1 研究現狀

1.1 國內研究現狀

國內科研機構及企事業單位開發的遙操作消防機器人在移動機器人平臺，遙操作控制器及搭載傳感器方面不盡相同，較少進入消防人員實用階段，目前相關技術水平與國際發達國家能力相比還存在相當大的距離，各方面性能還有待提高。

1.2 國外研究現狀

國際消防機器人研究可以劃分為3 個階段（3 代），第1 代程序控制消防機器人、第2 代感覺功能消防機器人、第3 代智能化消防機器人。隨著計算機技術、通信技術和控制技術等高新技術在消防領域中應用程度的提高以及消防工作日益復雜，火災探測與報警系統已從最初的機械式向數字化發展。這就要求消防機器人具備更高的性能。當前，各工業發達國家都在加速研制功能各異的實用型第二代消防機器人及第三代低級智能化消防機器人等，并開始了第三代高級智能機器人的研制。國外在該領域上實現的功能較為強大。

2 關鍵技術

消防機器人在執行消防任務時，涉及到許多關鍵技術。首先，該裝置的組成為以下內容：

該裝置是由梯形固定履帶行走機構、水霧炮兼用裝置、干粉炮、干冰炮、遠程遙感操控器、智能降溫噴霧裝置、激光雷達避障裝置、攝像頭、前后車燈、回轉臺、氣體在線檢測儀、干冰滅火彈填裝管、高壓水管等裝置組成。圖1為消防機器人設計結構簡圖。

圖1 消防機器人設計結構簡圖

對于消防機器人，一般需要經歷以下的部分階段或全部階段：整個系統分為兩部分，人機互動界面和前方車體。當前方車體到達指定部位后，操作員通過操控面板將控制指令輸入傳導給遙感系統的MCU，遙感系統通過數傳模塊傳導給前方車體的數傳模塊，由數傳模塊傳導給前方車體的MCU。前方車體收到指令后，向操作員指定的位置前進。當進入火場后，攝像頭進行視頻信息采集，通過車體內部的圖傳模塊回傳給操控面板的圖傳模塊，從而使操作員能得到火場內部的情況。通過遙感系統將前方車體操控到火源附近。通過氣體在線檢測儀檢測氣體成分，選擇合適的滅火方式。操作員通過控制面板將指令傳導至MCU，再通過數傳模塊傳至前方車體MCU，從而控制前方車體內部的云臺電機控制、水霧炮電機控制、驅動電機控制、照明控制、蜂鳴器控制、溫度傳感器、氣體傳感器、超聲波傳感器、水壓傳感器、激光測距、電壓檢測、視頻切換等控制，由車體內部的電源通電，通過直流電源保證前方車體有條不紊的進行滅火，達到系統的穩定性。具體流程如圖2所示。

圖2 設備工作流程圖

2.1 控制面板技術

對于機器人的操控，控制面板的簡潔非常重要。消防機器人的控制面板分為電源通信指示、語音控制、泡沫炮控制、干冰炮控制、車體控制、水霧炮切換控制、攝像機云臺控制七個部分。對控制面板的各部分有明確的了解，才能更好的操控消防機器人。消防機器人控制面板如圖3所示。

圖3 消防機器人控制面板

2.2 控制方式技術

消防機器人控制通常采用無線遙控方式和有線控制兩種方法。可實現兩種控制方式的隨意切換，使操控者更加的便捷。

無線遙控，能用車體內自帶電源給它提供電能；交流電源與車體后線纜接頭上連接，即可通過有線或無線或方式對機器人進行操縱。這種控制模式在一些特殊場合是可行的。無線遙控大多依靠上下位機間通信來實現。消防機器人系統控制方式如圖4所示。

圖4 消防機器人系統控制方式

在控制的全過程中上位機對消防機器人的實時運行狀態，在無線視頻裝置的輔助下進行接收并在操控終端的畫面中顯示出來。通過上述方式，消防操作人員可以實時地觀察機器人面臨的作業環境以及當前的工作狀況，并對其工作狀態進行及時地調整，從而更好地執行工作任務。這樣增加消防操作員使人與機器人各部件形成閉環操作系統。從整體上看，下位機既承擔著對上位機所傳遞命令的接收，處理任務，又承擔著對現場信息反饋并精確地帶動相應動作機構動作的任務。如果下位機發生故障，則會直接影響上位機對現場情況的處理能力。一旦出現問題，就可能造成火災或設備損壞等后果。因此，下位機在控制系統中處于重要的地位，起著決定性作用。系統總體閉環反饋控制方框圖如圖5所示。

圖5 消防機器人控制方框圖

2.3 程序控制技術

基于遙感智能控制的消防機器人的程序分為三個階段：程序段1 為除塵故障匯總、程序段2 為除塵控制、程序段3為斗輪機堆料運行狀態-T0 干霧除塵。每個程序都控制著不同的部位進行操控，互不影響。采用分布式、模塊化的結構來搭建消防機器人控制系統的方案，分析研究消防機器人的整體架構及其組成。圖6是程序的具體內容。

圖6 消防機器人程序具體內容

2.4 實物展示

裝置最終實物圖如圖7所示。

圖7 實物圖

3 結 論

本論文通過對國內外消防機器人的相關技術綜合檢索與收集，通過較詳細的研究與歸納，針對消防救援人員處于易燃，易爆，有毒，濃煙及易坍塌建筑物危險環境下的偵察與滅火冷卻操作，通過遙感智能控制消防機器人來解決消防救援人員對以上環境下信息獲取量不足及面臨人身安全問題。該系統能夠有效地完成對各種危險源的探測與定位，并能及時準確地將所發現的火情信號傳送給指揮員或指揮中心；同時也為消防員提供實時監測平臺。采用消防機器人可以降低消防人員傷亡及國家財產損失，增強消防部門對惡性火災的撲救及救援能力。因此，對消防機器人進行研究與開發，具有實際意義與價值。

消防機器人屬于特種機器人，不管機器人技術如何發展，一定要從滅火救援實際情況出發，適應消防部隊滅火救援特定的現實需求，深入挖掘消防機器人的實戰應用潛能，不斷增強消防部隊撲滅火災和搶獲重大災害的本領。隨著社會經濟和科學技術的迅猛發展，人們對火災預防與控制的認識也越來越深刻。目前，我國正處于城市化建設高速發展期，城市規模不斷擴大，人口急劇增加。這給消防安全帶來了前所未有的壓力。近期內消防人員應進行消防機器人知識訓練，爭取早日完成對消防機器人的普及，使我國的消防安全顯著提高。