智能滅火機器人的設計及制作研究

王 瑞

(寧波大學，浙江 寧波 315000）

0 引言

近年來，隨著建筑物的高度以及復雜程度的不斷提高，對高層建筑內的消防工作提出了巨大的挑戰(zhàn)，一旦發(fā)生火情就會迅速蔓延，并且很難快速實施有效的救助措施。例如在高層建筑物發(fā)生火情時，消防官兵無法在極短的時間內達到火災現(xiàn)場進行處置，加之高層建筑的環(huán)境極其復雜，處于地下的建筑物同樣會由于潮濕的環(huán)境影響濃煙的擴散，給消防救援帶來巨大的困難；在處置化學物品的火情時更是給消防人員的生命安全帶來了巨大的安全隱患，極易導致消防人員的中毒。因此，為了更好的解決目前消防救援中面臨的問題，需要更多的研制具有較高智能程度的機器人，以更好的協(xié)助消防人員對火情進行控制，并且為被困人員的救治提供良好的導向。作為人工智能的一種，機器智能主要是通過計算機模擬的方式實現(xiàn)機器對人類動作的模擬，智能機器人的研究大大的降低了一線工作人員的勞動強度和生產(chǎn)中的危險性，在很大程度上推動了人類經(jīng)濟社會的發(fā)展和進步。作為智能化的機器人，需要滿足以下基本的功能：一是機器人的動作機構與人類的某些器官在功能上具有較高的相似性，同時機器人的需要具有較高的通用性，即程序具有較高的靈活性；二是機器人還需要具備一定的記憶、感知以及學習的能力，真正的體現(xiàn)出人類智能化的特點；三是機器人在進行工作時需要具有較強的獨立性，即無需人員的跟進就可以完成預先設置的功能。實現(xiàn)以上這些功能首先要解決以下幾個方面的問題。

首先，對智能機器人路徑的規(guī)劃和具體實施。在對火情的偵查過程中，機器人需要對發(fā)生火災附近的路徑進行巡視，并且能夠保證在整個巡視的過程中機器人的安全性。因此機器人首先需要解決的就是行走的問題，即偵查路線的選擇。主要有以下三個方面的要求：一是路線的設計需要具有全局觀念。在對機器人偵查路線的指定過程中，需要根據(jù)實際的情況制定不同的路徑策略，以供機器人更好的對路徑周邊的信息進行偵查；二是機器人要能夠確定自身的位置，并且通過原先設置的路徑對周圍的環(huán)境進行偵查，以及相關指令的執(zhí)行；三是機器人必須能夠對行進過程中的障礙物進行識別。在智能滅火機器人上會安裝傳感器對機器人周圍的物體進行探測機器人必須能夠根據(jù)傳感器的信息對障礙物進行準確的判斷，并且根據(jù)障礙物的實際判斷信息確定翻越障礙物的策略。

其次，對火源位置的判斷的準確定位。智能機器人在消防中的主要應用是對火災現(xiàn)場進行準確的偵查，并且發(fā)回準確的數(shù)據(jù)信息以供消防人員制定火災處置的具體方案，因此確定火源的位置成為一個關鍵性的因素。智能機器人需要根據(jù)行進過程中傳感器的數(shù)據(jù)信息對火源的位置做出準確的判斷，并且進一步采集更多的詳細信息，為火災的處置提供重要的參考。

三是智能滅火機器人能夠實現(xiàn)滅火的功能。在機器人準確的判斷和定位火源以后，需要機器人啟動相關的滅火裝置，并且在將火源熄滅后撤離火災現(xiàn)場。

1 滅火機器人的系統(tǒng)結構設計

智能滅火機器人的系統(tǒng)結構設計主要包括傳感器、控制器、驅動電路以及電源的設計。

（1）傳感器設計。傳感器是智能滅火機器人設計中一個至關重要的環(huán)節(jié)，它通過對周圍的環(huán)境進行感知，可以獲取到周圍環(huán)境中的數(shù)據(jù)信息，其功能的實現(xiàn)類似人類的感知器官，智能滅火機器人中主要包括紅外測距傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌５谝?，紅外測距傳感器是智能滅火機器人中的關鍵部件，是智能滅火機器人的“眼睛”，它能夠幫助智能滅火機器人順利的通過障礙物，并且能夠通過超聲波測距等手段對具體的距離信息進行感知，從而進一步提升智能滅火機器人的智能化水平。在該設計中，利用夏普公司的GP2D12測距傳感器實現(xiàn)對于機器人周圍物體距離的探測，并且將數(shù)據(jù)轉化為電壓信號，通過發(fā)送一定電壓值的脈沖信號，并且獲得反射回來的脈沖信息對周圍的障礙物信息進行判斷，然后通過預先設置的計算方式得到傳感器與障礙物之間的距離。第二，紅外火焰?zhèn)鞲衅?。紅外火焰?zhèn)鞲衅髦饕菍馂默F(xiàn)場的火源進行判斷和定位，然后通過距離傳感器確定智能滅火機器人達到火源的路徑，并且在達到以后對火源展開滅火操作。然后進一步通過紅外火焰?zhèn)鞲衅鞔_定火源是否已經(jīng)被成功熄滅，因此火焰?zhèn)鞲衅鞯倪x取是智能機器人設計中的關鍵環(huán)節(jié)，直接影響著智能機器人的滅火效果。在該設計中采用是的紅外式的火焰?zhèn)鞲衅?，其每個單元都有兩個并行的紅外接收管實現(xiàn)，工作原理是接收到的光線越強其讀取的數(shù)值越大，并且具有較高的精度，可以實現(xiàn)對于火災附近火源位置的精確定位。在實際設計過程中，通過7個紅外傳感器組成一個傳感器組，以實現(xiàn)對于火災現(xiàn)象的全方位探測。

（2）控制器設計。在該設計中主要通過ARM9實現(xiàn)對于智能滅火機器人的復雜控制，與傳統(tǒng)的處理器相比，ARM9具有更快的代碼執(zhí)行速度和體積小、成本低、穩(wěn)定性好等特點。所涉及的嵌入式系統(tǒng)采用的是28路的模擬信號通道，以更好的實現(xiàn)與各個傳感器的連接。其中的8路可以實現(xiàn)對于采集信息的50萬次/秒的采集，同時可以很好的完成數(shù)據(jù)的后期處理任務，其他的20路通道則可以實現(xiàn)10000次/秒的采集速率。

（3）驅動電路部分。在智能滅火機器人的設計中，還包括用于機器人行走的直流電機以及用于滅火的相關驅動電機。在智能滅火機器人的設計中，考慮到實際應用中的場景，需要使得機器人在能夠準確避開障礙物的前提下盡量提高其移動的速度，因此就需要增大直流電機的功率。與普通的異步電機相比，直流電機具有更大的轉矩和運行范圍，并且沒有自轉現(xiàn)象。因此在實際應用中需要采用具有較大功率和靈敏度的直流電機。在該設計中選取的是16.8V的直流電源，其電流為20A，具有較大的扭力，可以滿足智能滅火機器人快速行進的需要。同時由于選擇的電機具有較大的功率，而且需要實現(xiàn)雙臂的變速可調運動，因此通過一種半橋組合式電力管來實現(xiàn)對于直流電機的控制。在智能滅火機器人的直流電機設計中，還需要設計專門的滅火用直流電機，其主要通過主板上的端口實現(xiàn)驅動。

（4）電源設計。在智能滅火機器人的電源設計中，需要充分考慮到對機器人的移動性能的影響，選取機器人自身獨立的雙電源供電方式。

2 滅火機器人的軟件設計

軟件的設計主要是實現(xiàn)對于智能滅火機器人的智能化控制，并且根據(jù)具體的情況對機器人的探測信息進行優(yōu)化，以更好的提高智能滅火機器人的探測精度和移動速度，通常選擇沿墻行走的規(guī)則，這主要是考慮到機器人在行走過程中需要對周圍的環(huán)境進行實時的探測，并且完成滅火操作。在具體的智能滅火機器人程序設計中主要包括機器人啟動模塊、火源搜索模塊、滅火模塊以及機器人返回模塊。

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