智能偵查滅火機(jī)器人的研究與開發(fā)

遲權(quán)德，沈建華，張友方，陶 潔，陶彥輝

(解放軍炮兵學(xué)院，安徽 合肥 230031)

最近幾十年中，大量的高層、地下建筑及大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊性，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不能快速高效地滅火。比如，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防人員不可能在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)高處的火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，在地下建筑中，由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴(kuò)散，消防人員不容易快速判定火源位置；而在石化企業(yè)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時(shí)極易中毒。為了解決這一問題，研制能夠用于這些場合的偵察滅火機(jī)器人，協(xié)助消防人員進(jìn)行火災(zāi)的定位和滅火，將有極大的社會(huì)意義。

作為一個(gè)智能化的機(jī)器，機(jī)器人必須具有如下功能：(1)動(dòng)作機(jī)構(gòu)類似于人或其他生物體某些器官(肢體、感官等)的功能；(2)有通用性，工作種類多樣，動(dòng)作程序靈活易變；(3)有一定程度的智能，如記憶、感知、推測、決策和學(xué)習(xí)等；(4)有獨(dú)立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)(機(jī)器)在工作中可以不依賴人的操縱。偵察滅火機(jī)器人是一個(gè)具有一定智能的機(jī)器，要完成上述功能，必須解決下述幾個(gè)問題[1]。

(1)路徑規(guī)劃和實(shí)施

為了進(jìn)行偵察，偵察滅火機(jī)器人必須對(duì)偵察目標(biāo)進(jìn)行巡視，必須能夠在偵察目標(biāo)內(nèi)安全行走。偵察滅火機(jī)器人要解決的首要問題就是如何行走，也就是路徑規(guī)劃的問題。第一，必須有全局的偵察路徑規(guī)劃。對(duì)不同的目標(biāo)，必須制定不同的偵察路徑策略，以指導(dǎo)機(jī)器人對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全局掃描偵察。第二，機(jī)器人必須知道當(dāng)前自身所處的位置。這一位置非常重要，機(jī)器人根據(jù)當(dāng)前位置，結(jié)合全局的偵察規(guī)劃，確定下一步的行走計(jì)劃；對(duì)發(fā)現(xiàn)的火源，機(jī)器人通過確定火源相對(duì)于機(jī)器人當(dāng)前位置的坐標(biāo)以確定火源在整個(gè)偵察目標(biāo)中的位置。第三，機(jī)器人必須識(shí)別行走中的障礙。機(jī)器人必須收集傳感器得到的信息，確定行走中的各種障礙。這些障礙包括臺(tái)階、墻壁等各種突起物，地面的凹凸，各種人為放置的障礙等。機(jī)器人必須能夠識(shí)別這些障礙物，并對(duì)各種障礙進(jìn)行分類。第四，確定避障的方案。對(duì)識(shí)別的障礙，機(jī)器人必須確定是否能夠直接越過障礙；對(duì)不能越過的障礙，必須確定規(guī)避的方案[2]。

(2)火源識(shí)別和定位

偵察滅火機(jī)器人必須能夠識(shí)別火源，對(duì)火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)定位。機(jī)器人在行走過程中對(duì)環(huán)境進(jìn)行偵察，對(duì)傳感器得到的信息進(jìn)行分析，在得到可疑信息處適當(dāng)?shù)赝Ａ?，采集更多更詳?xì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以判定火源的存在[3]。對(duì)確定存在的火源，必須對(duì)其定位，確定火源相對(duì)機(jī)器人的位置，以確定火源在整個(gè)目標(biāo)中的實(shí)際位置。

(3)滅火

當(dāng)機(jī)器人找到火源并且定好距離后，啟動(dòng)滅火裝置進(jìn)行滅火，當(dāng)火滅后，機(jī)器人退出火場[4]。

1 滅火機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、火源檢測模塊、避障模塊及電源模塊等構(gòu)成。采用了基于TWI總線規(guī)范的主從機(jī)控制方式，以AVR系列單片機(jī)ATMega128作為控制系統(tǒng)的主模塊，ATMega8作為底層控制模塊，實(shí)現(xiàn)控制偵察車動(dòng)作(如車體的前進(jìn)、后退、拐彎等)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

1.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

直流電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)的硬件電路如圖2所示。其中電機(jī)控制采用的是L298。通過一個(gè)L298芯片驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流減速電機(jī)，將 EA/EB接 PWM(高電平有效)，P1、P2、P3、P4接單片機(jī)，通過改變 EA、EB以及 PWM的占空比即可控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)停止、加速減速和前進(jìn)倒退。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

1.2 火源檢測模塊設(shè)計(jì)

方案一：采用光敏電阻，利用其在不同的光強(qiáng)下阻值不同，確定小車的轉(zhuǎn)向，但檢測距離有限，易受外界環(huán)境干擾。

方案二：采用光電三極管形成陣列，在小車車頭排列成為半圓狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)矢量合成原理，按照各個(gè)傳感器測量光強(qiáng)的不同，確定小車相對(duì)于光的位置。檢測距離較遠(yuǎn)，受外界干擾小。

方案選擇：采用方案二，此方案實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜但能取得良好的效果。

小車尋光采用光敏三極管陣列，每個(gè)光敏三極管的硬件電路如圖3所示。

導(dǎo)航分系統(tǒng)通過接收均勻分布在圓周的八個(gè)光敏三極管采集的信號(hào)，送給單片機(jī)的ADC模塊，從而得到光強(qiáng)信息，確定光源所在位置，引導(dǎo)小車導(dǎo)航。傳感器陣列的位置分布見圖4。

圖3 單個(gè)三極管檢測電路

圖4 傳感器陣列位置分布

1.3 避障模塊設(shè)計(jì)

方案一：采用光電開關(guān)，方向雜散小，在距離障礙物一定距離時(shí)可測出障礙物，價(jià)格低廉。

方案二：采用超聲波測距的方法。利用超聲波傳感器，監(jiān)視測量發(fā)射脈沖和接受脈沖的時(shí)間差，計(jì)算超聲波和物體之間的距離。

方案選擇：超聲波測距價(jià)格較高，且通過算法優(yōu)化，光電開關(guān)完全可以滿足設(shè)計(jì)要求，故采用方案一。

小車避障模塊采用的紅外光電接近開關(guān)，接收均勻分布在半圓周的五個(gè)光電開關(guān)采集的信號(hào)如圖4所示，單片機(jī)通過讀取開關(guān)電平的高低即可確定障礙物的方向，引導(dǎo)小車躲避障礙。本設(shè)計(jì)中采用的是E18-D80NK型光電開關(guān)。

2 滅火機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

可編程微控制器模塊使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)下列功能[5]：(1)監(jiān)測傳感器以探測周邊環(huán)境；(2)基于傳感元件的檢測做出決策；(3)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；(4)實(shí)現(xiàn)滅火功能。

2.1 滅火機(jī)器人程序設(shè)計(jì)思路

(1)尋找火源：機(jī)器人在各個(gè)房間門口搜索房間是否有火，如果有火就停下。

(2)滅火：檢測到房間有火，利用光敏電阻尋找蠟燭，直接朝火焰前進(jìn)，到達(dá)火焰一定距離(由程序設(shè)定)，停下，啟動(dòng)滅火裝置。

(3)返回：機(jī)器人救火任務(wù)完成，從所處的位置回到起點(diǎn)。

程序流程圖如圖5所示。

2.2 尋光、避障導(dǎo)航算法

尋光算法：根據(jù)傳感器環(huán)路的結(jié)構(gòu)，以小車左右方向作為 X 軸，八個(gè)光敏三極管分別位于 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°的位置。 計(jì)算信號(hào)幅度最大的光敏三極管與位置90°的光敏三極管之間的夾角，將小車轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)夾角，使位置90°的光敏三極管所接收的信號(hào)幅度最大，然后前進(jìn)。

圖5 程序流程圖

避障算法：根據(jù)傳感器環(huán)路的結(jié)構(gòu)，以小車左右方向作為 X 軸，五個(gè)光電開關(guān)分別位于 0°、45°、90°、135°、180°的位置。光電開關(guān)只能輸出TTL電平，可以轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制分量，當(dāng)傳感器分量為高電平時(shí)，表示探測到障礙物。

當(dāng)有三個(gè)以上光電開關(guān)分量為高電平時(shí)，表明障礙情況比較復(fù)雜，此時(shí)將小車退后，然后再向右一段距離，繼續(xù)前進(jìn)。

當(dāng)只有一到兩個(gè)光電開關(guān)分量為高電平時(shí)，表明障礙情況比較簡單，此時(shí)小車將沿著與高電平傳感器相反方向行進(jìn)，繼續(xù)前進(jìn)。

本設(shè)計(jì)是以ATMega128控制的輪式移動(dòng)機(jī)器人，兩輪采用直流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，后部球輪為隨動(dòng)支撐輪。在移動(dòng)機(jī)器人車體前部安裝有光敏電阻、紅外線探測發(fā)射裝置，用于采集環(huán)境信息的信息，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人自身位置的感知。實(shí)驗(yàn)表明，在路徑搜索過程中，移動(dòng)機(jī)器人能夠較好地達(dá)到搜尋目的，對(duì)環(huán)境做出合理的反應(yīng)，達(dá)到一定的智能水平。

[1]張建中，李東民，張陟峰.轉(zhuǎn)臂式滅火機(jī)器人滅火技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代制造工程，2010(7)：138-142.

[2]徐國保，尹怡欣，周美娟.智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2007(2)：29-34.

[3]丁偉，孫華，曾建輝.基于多傳感器信息融合的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航綜述[J].傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(7)：1-3.

[4]席文姣，陳帝伊，馬孝義.基于 ARM9嵌入式系統(tǒng)智能滅火機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(10)：114-117.

[5]關(guān)為民，陳帝伊，馬孝義.智能滅火機(jī)器人硬件電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010(4)：21-24.

[6]程鶴鳴.智能偵查滅火機(jī)器人[J].控制工程，2009(16)：117-121.