一種新型消防無人車結構設計

摘要：隨著大型石油化工企業、危險品倉庫的不斷增多，油品、燃氣爆炸及有毒氣體泄漏等災害發生的概率也在不斷增加。這些災害往往伴隨著有毒、輻射、缺氧或易燃易爆等狀況的發生，具有非常大的危險性和破壞性，使得消防人員難以深入事故現場進行環境偵察和消防救援。而無人化設備具有遠程操作的特性，操作人員可以在安全地帶執行任務，顯著降低風險，因此在消防領域的應用日益廣泛。現設計一款可在道路受阻、高危高爆、消防車難以作業等復雜環境下，完成基礎越障、爬坡、快速精準大面積救援的消防無人車，從而在保障消防員安全的同時，有效提升消防滅火與救援的效能。

關鍵詞：消防無人車；消防設備；自適應噴灑

消防人員執行滅火救援任務時，會面臨種種未知且嚴峻的危險。2019—2023年間，消防救援隊伍165名同志在滅火救援等任務中獻出了寶貴生命、1300多人負傷[1]。而引入無人設備，可以在一定程度上降低救援行動的危險，為消防人員提供重要的安全保障[2-3]。基于此，設計一款可在道路受阻、高危高爆、消防車難以作業等復雜環境下，完成基礎越障、爬坡、快速精準大面積消防任務的消防無人車，以便在保障消防員安全的同時，有效提升消防滅火與救援的效能。

1 消防無人車結構設計

1.1" 整體設計

出于對消防車續航和負載能力的要求[4]，以及考慮到火災現場環境的復雜多變性，將安全性原則作為設計消防無人車的首要原則。安全性原則包含靜態安全原則和動態安全原則，即車輛靜態時自身機械結構的穩定性，車輛動態作業時的魯棒性。

車輛整體采用模塊化思維進行設計，在保證裝備功能性的前提下，也便于后續各部分的升級優化。車身整體采用高強度輕質材料制成，具有良好的抗沖擊性和耐腐蝕性。動力模塊使用電機驅動，具有噪聲低、排放少、維護方便等優點。監測模塊由多組傳感器組成，包括視覺傳感器、紅外傳感器等，用于實時感知周圍環境信息。噴灑模塊包括增壓泵等輔助設備，以及用于噴射的水槍和水炮，可根據不同的火情選擇相應的滅火方式。

當接到救援滅火任務時，用消防水帶連接供水車，無人機動底盤搭載監測系統及噴灑系統到達目的地進行監測，并將現場影像傳輸至控制終端。根據任務需求，可以切換噴灑平臺的高壓、低壓噴灑功能，通過監測系統獲取目標位置及火源面積，控制器控制噴灑平臺調節噴灑角度并進行往復式噴灑，完成外延式無人噴灑滅火作業。該系統操作簡便、功能強大，現場作業效率高，可實現無人化、智能化高效、精準滅火救援，能夠在一定程度上降低救援人員在受災現場的安全風險。

1.2" 無人機動底盤設計

無人機動底盤是消防無人車的核心部分之一，直接影響著消防無人車的移動靈活性和地形適應性。目前，無人車主要采用的行走底盤有輪式、足式以及履帶式三種。輪式底盤移動方便快捷，但在復雜地形上移動時，其移動速度會大幅下降，穩定性也會變差。足式底盤采用腿部行走方式，表現出較高的靈活性，能更好地適應復雜地形，然而，這種靈活性也增加了行走控制的復雜性，導致移動速度降低的同時，能耗也會增加。履帶式底盤因其履帶與地面接觸面積更大，在相同質量下對地面的壓強更小，能夠更好地適應松軟地形。通過合理的履帶結構設計，可以使其輕松跨越小型障礙物，在各種環境下都表現出良好的通過性，且控制方式簡單靈活[5]。綜上所述，在消防作業所需使用環境下，履帶式結構具有明顯優勢，因此最終選用履帶式底盤作為無人機動底盤。

如圖2所示，履帶式底盤主要由“四輪一帶”組成，“四輪”即張緊輪、承重輪、驅動輪及拖鏈輪，“一帶”即履帶。履帶采用鉸接式滾子鏈結構，行走時驅動輪齒與履帶銷軸上的滾子嚙合，產生滾動摩擦，可提高底盤的機械效率，減少機械摩擦和零件磨損[6]。

1.3" 噴灑系統設計

噴灑系統結構見圖3，水炮炮座與機動平臺通過法蘭垂直連接，在圖中用方形表示，利用螺栓固定炮體。增壓泵分布在機動底盤上方，直接與水炮、水槍和水帶接口連接，負責提供噴灑動力。水炮炮身設有蝸輪殼，中間中空為管道，蝸桿殼與上炮身焊接，上炮身與炮座身嵌套連接，蝸桿殼與蝸輪殼之間有間隙，蝸桿安裝在蝸桿殼內，與蝸輪殼嚙合，通過電機為蝸桿提供動力，實現回轉操作。

噴灑時可以根據任務需求選擇噴灑平臺的噴灑功能，具備高壓、低壓噴灑可切換功能。需要小流量大壓強噴射時使用水槍，主要進行遠距離定點噴射滅火劑；需要低壓大流量噴射時使用水炮，主要進行中等距離大范圍噴灑作業。兩種噴灑功能可通過調節截止閥和增壓泵提供的壓力進行切換。

噴灑系統整體原理見圖4，其中變頻器主要作用是對泵調頻調速，炮身內水壓恒壓穩定，在需要頻繁啟動停止的工況下，降低水泵的啟動電流，同時方便人機交換，對水泵進行遠程通信。高低壓動力泵組是由于消防無人車上有水炮和水槍，水炮是低壓大流量，水槍是高壓小流量，需要配套一個高低壓泵組為水炮水槍提供壓力與流量。

截止閥是用在不需要繼續輸送流體介質工作的時候，通過關閉截止閥，防止液體回流或持續輸出；單向閥的主要作用是控制流體介質的流動方向，當滿足工作流量要求的條件下，單向閥可以保證流體流向的唯一性。截止閥與單向閥共同作用，避免回流、倒流或者返回流體引起設備故障的情況發生，同時也可以保證設備的安全和穩定運行。

壓力變送器用于遠程測量監控壓力參數；流量變送器用于遠程測量監控流量參數；電磁調節閥可以通過控制信號實時調節系統的壓力、流量。變送器將監測到的壓力、流量數據發送至控制終端，根據不同的工作要求，控制終端將需要調整的參數發送至電磁調節閥，遠程操控水射流的流量與壓力。

1.4" 監測系統及控制系統設計

如圖1所示，監測裝置1與水炮采用軸向分布，采用U型支架及螺栓螺母將監測裝置1與水炮噴嘴軸向連接，水炮外壁設有支架，將水槍與水炮軸向焊接，通過監測裝置1采集水槍和水炮噴嘴前方的圖像及空間位置信息交給控制器，用以觀察周圍環境及進行瞄準。監控裝置2安裝在機動底盤正前方中間位置，負責采集地面環境圖像，并傳遞給控制總成。

總體控制系統采用分布式控制結構，方案見圖5。在車輛運行過程中，控制終端是控制整個整體，接收控制總成的信號。監測模塊包含各類傳感器、測距儀、雙目攝像頭和GPS定位儀等，獲取到的外界環境信息傳遞給控制總成匯總后，發送至遠處的控制終端，操作人員手持控制終端遠程獲取車輛自身狀態及車輛周圍環境信息后，根據任務需求遙控各機構的運動，控制總成獲取到操作信息后傳遞給下屬行進模塊、噴灑模塊及水炮調節模塊，其中行進模塊用于控制履帶左右電機的旋轉，操控消防無人車整體的行進及轉向；噴灑模塊通過截止閥、單向閥和電磁調節閥控制水炮或水槍的噴灑及噴射的流量及壓力，同時通過壓力變送器和流量變送器實時反饋噴口流量及壓力信息；控制器通過兩個回轉結構的電機控制水炮的水平、俯仰姿態調整。

2 結束語

消防無人車對于滅火救援具有十分重要的意義，有效利用可以提高滅火救援效率，減少火災造成的人員傷亡和財產損失。本文針對復雜高危消防場景中救援人員安全風險高、傳統消防設備適應性不足等問題，設計了一款基于履帶式底盤的消防無人車。通過模塊化結構設計，消防無人車集成了高機動性履帶底盤、自適應噴灑系統及多傳感器監測系統，顯著提升了消防無人車在道路受阻、易燃易爆等極端環境下的作業能力，同時具有高壓與低壓噴灑模式靈活切換、遠程精準操控、實時環境感知等功能，能夠有效替代人工執行火情偵察與滅火救援任務，為消防救援提供更加高效、安全的解決方案。然而，未來仍需在優化續航能力、提高極端高溫環境下的設備穩定性、引入自主決策算法等方面開展深入研究，以進一步提升消防無人車的實戰效能與智能化水平。未來，隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，消防無人車將具有更加廣泛的應用前景和市場需求。

參考文獻

[1]中華人民共和國應急管理部.[新華社]應急管理部：5年來消防救援隊伍165人犧牲[EB/OL].http：//www.mem.gov.cn/xw/xwfbh/2023n11y7rxwfbh/mtbd_4262/202311/t20231107_467920.shtml

[2]李文博，楊景洲，王文青.廢墟搜救機器人發展現狀及趨勢[J].今日消防，2024，9（9）：34-36.

[3]李財，閆曉輝.淺析無人機在消防領域的應用[C]//2024年度滅火與應急救援技術學術研討會論文集-消防技術裝備與裝備管理，2024：25-27.

[4]劉培桐，詹志遠，曾齊高，等.基于電池供電的便攜式救援車的設計：以第44屆世界技能大賽制造團隊挑戰賽產品為例[J].機電工程技術，2023，52（2）：216-224.

[5]王思棋.雙鉸接式履帶機器人設計與優化[D].綿陽：西南科技大學，2023.

[6]羅晗.履帶式機器人底盤設計與運動性能分析[D].成都：西南交通大學，2022.