基于UWB定位技術的消防巡檢機器人系統(tǒng)分析

方芳　靳作寶　賀麟　李史玉　徐佳宇　盧?？?/p>

摘? 要：隨著社會的發(fā)展以及科技水平的不斷提高，“智慧消防”的技術在防火監(jiān)督業(yè)務工作上發(fā)揮著事半功倍的作用。該項目對“智慧消防”課題開展研究，針對我國火災防控體系還不夠完善，智能化程度較低，且各地分散研發(fā)應用，沒有統(tǒng)一標準這一現(xiàn)象，該文設計了一款基于UWB定位技術的消防巡檢機器人系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)用戶指定的路線通過算法進行路線識別和位置識別，自主精確循跡。用戶可以通過藍牙對系統(tǒng)進行參數(shù)設置以及運動控制，從而增強其實用性。

關鍵詞：UWB定位? 紅外熱成像? zigbee無線通訊? 智慧消防

中圖分類號：TN925 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）09（b）-0012-02

國際上最早開展消防機器人研究的是美國和前蘇聯(lián)，稍后，英國、日本、法國、德國等國家也紛紛開始研究該類技術。目前已有很多種不同功能的消防機器人用于救災現(xiàn)場。我國在近些年來“智慧消防”的研究與推廣中也取得了豐碩成果，確立了自上而下的“一庫三網(wǎng)”體系建設框架。

該控制系統(tǒng)以MK60N512VMD100為主控芯片，操作員利用Zigbee無線通訊技術，實現(xiàn)對機器人的控制。車載紅外熱像儀通過圖傳模塊將采集到的視頻信息發(fā)送給上位機進行顯示處理。UWB模塊定位目標物體位置，進行自主循跡。實現(xiàn)全智能化預防火災，減小火情。極大程度上降低了消防工作所需要的人力物力。并能夠根據(jù)采集到的視頻信息及時采取有效的救護措施。

1? 系統(tǒng)整體設計

整個控制系統(tǒng)主要包括了UWB定位模塊，紅外熱像儀測溫模塊，ZigBee無線通訊模塊，圖傳模塊，消防滅火機構5部分組成，其中Zigbee和圖傳模塊實現(xiàn)上下位機的交互，UWB和紅外熱像儀分別實現(xiàn)定位和監(jiān)控。

2? 系統(tǒng)硬件設計

2.1 動力結構設計

為了更好的適應周圍路況環(huán)境，選用了履帶式輪系結構，加大了輪子與地面的接觸面積，增大了對地面的附著力。具有良好的通過性，可以適用于多種惡劣的路面情況。應用范圍廣。

2.2 主控電路設計

主控電路主要由主控芯片、顯示模塊、電機驅動、電源穩(wěn)壓、按鍵調試電路等組成。電源輸入7.2V電壓，其中主控芯片選用恩智浦公司生產(chǎn)的MK60N512VMD100，144引腳的有多達100多個IO口，支持ADC采集、UART串口發(fā)送、定時器、flash存儲、PWM輸出等強大功能。還有豐富的外設模塊可以使用。

3? 系統(tǒng)軟件設計

3.1 UWB定位算法設計分析

UWB是一種無線射頻信號。UWB發(fā)射極短的脈沖，瞬間脈沖有著急劇的波峰波谷，因此信號發(fā)射的起止時間更容易測量。這意味著兩個UWB設備之間的距離可以通過測量電波在設備之間傳輸所用時間精確，相比于信號強度估計距離更精確的距離。本文選用了TDOA定位算法，這種定位方法不需要基站與定位標簽時間同步，只需要保持參考節(jié)點之間同步。在實際應用中更容易實現(xiàn)，成本也相對較低。

3.2 下位機軟件設計

下位機控制流程如圖3所示，整個控制分為3個中斷，其中包括1個定時器中斷2個串口中斷。首先進行初始化，每隔10ms對電機進行一次控制量輸出，同時等待接收上位機發(fā)來的控制信號以及UWB發(fā)送的位置數(shù)據(jù)

3.3 上位機軟件設計

上位機工作流程如圖4所示，首先對各模塊進行初始化，建立攝像頭和串口的連接，直至連接成功后判斷是否接收到操作員的控制信號，如果有則將控制信號發(fā)給下位機，此時上位機還會通過藍牙接收zigbee發(fā)來的數(shù)據(jù)解析、存儲并顯示到界面。

4? 結語

該文設計的智能消防巡檢機器人系統(tǒng)解決了消防工作所需要的大量人力物力的問題，還可以代替?zhèn)}庫、工廠、小區(qū)等巡邏安保人員，對所檢測的環(huán)境進行實時監(jiān)控并通過紅外熱像儀對周圍環(huán)境進行熱量分析，達到火災預防的目的。下位機通過Zigbee進行無線通信，傳輸距離遠且功耗低，大大提高了機器人的靈活性。同時履帶式的輪系結構具有良好的通過性，可以適用于多種惡劣的路面情況。

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