渦輪排煙消防機器人避障系統(tǒng)設計

李龍， 宋崇智， 張長平, 伍德林, 姚小軍

（1.安徽工業(yè)大學 工程研究院，安徽 馬鞍山243032；2.馬鞍山經(jīng)緯回轉(zhuǎn)支承有限公司，安徽 馬鞍山243032）

0 引 言

消防機器人由原來單一功能滅火機器人到如今的具有感知功能的機器人，在技術(shù)上取得了卓越的進步[1-2]，其中包括仿生技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、機電液一體化技術(shù)等機器人特定領域技術(shù)。消防機器人的避障問題正成為控制技術(shù)領域研究熱點，目前已經(jīng)取得顯著的成果。Saygin等[3-4]設計制造了一種配備早期的火災探測單元機器人平臺，通過對運動單元路徑的規(guī)劃及虛擬環(huán)境進行跟蹤，實現(xiàn)機器人簡單避障。Li等[5]采用多傳感器優(yōu)化設計的方法，對消防機器人的避障系統(tǒng)進行設計。機器人采用光電傳感器進行避障，并將粒子優(yōu)化算法應用于避障系統(tǒng)軟件設計中，提高消防機器人的靈敏度。王軍華等[6]根據(jù)消防機器人在工作時對于障礙物的如何快速檢測問題，提出了一種基于隨機采樣的雙目障礙檢測算法，通過兩個處于同一基準線上的兩個攝像頭，提取火場環(huán)境的平面模型，采用預檢驗法和內(nèi)點閾值限定法采樣估計，能快速、準確地檢驗障礙，實現(xiàn)機器人對障礙的規(guī)避。上述采取的避障方案優(yōu)點是能夠在短時間內(nèi)規(guī)劃出機器人最佳避障路徑，可以解決特殊火災現(xiàn)場機器人的避障問題。缺點是隨著環(huán)境量的變化，需要不斷地計算規(guī)劃路徑，難以適應復雜的實際火場環(huán)境。實際的火場是處于動態(tài)的未知環(huán)境，目前應用于未知環(huán)境的避障算法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡算法、仿生算法、遺傳算法等[7]。上述算法優(yōu)點是能夠很好解決機器人在未知動態(tài)環(huán)境下的避障問題，缺點是所需要考慮的參數(shù)較多，計算量過大，占據(jù)較大的運算時間和儲存空間，而且對環(huán)境的要求苛刻，造成消防機器人的實時性很差。

本文采用超聲波傳感器疊加方案對消防機器人在環(huán)境中的障礙信息進行采集，然后直接反饋給車載中心，經(jīng)過信息比對后控制機器人的運動方式的避障方案。有效避免控制器對路徑進行重復規(guī)劃，減小控制器的計算量，在實現(xiàn)準確避障要求的同時，提高消防機器人避障系統(tǒng)實時性和實用性。消防機器人避障系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、超聲波模塊、行走模塊及報警模塊5個主要模塊組成，控制模型如圖1所示。

圖1 避障控制模型

主要的工作流程為：消防機器人在復雜的滅火環(huán)境中觸發(fā)局部自治功能時，此時超聲波傳感器開始啟動，向機器人的周圍發(fā)射超聲波，并將所探測的超聲波信號傳送給PLC可編輯控制器，控制器根據(jù)傳送過來的信號，規(guī)劃消防機器人運動方式，對障礙進行有效規(guī)避。

1 消防機器人運動和避障分析

1.1 運動分析

消防機器人采用履帶底盤結(jié)構(gòu)，由兩個液壓馬達進行驅(qū)動，為履帶的轉(zhuǎn)動提供牽引力。消防機器人的運動模型如圖2所示。

假設機器人處于理想的運動狀態(tài)，機器人的中心點為O點，經(jīng)過一段時間后，機器人的運動偏轉(zhuǎn)角度為θ，左履帶的速度為vL，右履帶的速度為vR，r為中心的曲率半徑，b為消防機器人的寬度，此時左履帶的曲率半徑為r-b/2；右履帶的曲率半徑為r+b/2，設履帶的角速度為ω，因此機器人的左右履帶的速度表達式為：

圖2 機器人運動模型

式中，ω為機器人履帶的角速度。

由式(1)、式(2)可得機器人的履帶角速度為

由式(3)可得機器人中心的速度為

中心速度又為

根據(jù)式(4)、式(5)可得r為

由式(6)可知，當機器人的左右履帶的速度相同時，r為無窮大，此時機器人作直線運動，當左右履帶速度都為正值時，機器人前進；反之，后退。當兩履帶的速度相等而方向不同時，機器人此時原地旋轉(zhuǎn)，當兩履帶的速度大小不等時，機器人繞中心點作曲線運動，實現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左退、右退。當機器人在運動時，設機器人的運動時間非常小，此時機器人的線速度和角速度則為常數(shù)，具體為：

由式(7）～式（9)可知，機器人的瞬時速度與車體的方向相同，根據(jù)左右履帶的速度差就可以改變機器人的運動狀態(tài)，通過合理規(guī)劃左右履帶的速度就可以使機器人行走不同曲率的曲線。

1.2 避障分析

當機器人的傳感器探測到前方有障礙物時，其控制器會首先判斷其是否在安全距離以內(nèi)，從而選擇是否進行避障。若此時的距離在安全距離之外，機器人會保持原有的指令工作。若此時的距離在安全距離之內(nèi)，此時機器人就會減慢速度，通過主控制器規(guī)劃前進的方向，對障礙物進行避障。設機器人的運動速度為v，安全距離為d，當障礙物的距離小于d時，機器人會向左轉(zhuǎn)向，從而對障礙物進行避障，如圖3所示。由圖可知，避障安全的距離與消防機器人運動軌跡的半徑是相等的。

一般情況下，消防機器人對周圍障礙物的檢測來源于消防機器人周圍的超聲波傳感器傳送回來的電信號。實際工作環(huán)境中的障礙物的出現(xiàn)情況多種多樣，一般情況可分為8種[8]，如圖4所示。

圖3 前方避障示意圖

圖4 遇障情況示意圖

當消防機器人的正對的兩側(cè)有障礙物時，不會影響消防機器人的正常前進。當消防機器人與障礙物之間的夾角越小時，發(fā)生碰撞的概率就會越大。所以只需要考慮消防機器人的正前方及兩側(cè)前方之間的組合的幾種情況。將所采集的d1、d2、d3、d4、d5、d6等6個超聲波數(shù)據(jù)與所測得的dr1、dr2、dr3等3個數(shù)據(jù)分別組成3個數(shù)組，代表機器人3個方向的障礙物的信息，用dL、dF、dR表示，其中dL=(d1，dr1，d2)，dF=(d3，dr2，d4)，dR=(d5，dr3，d6)。

當消防機器人的正前方無障礙、兩側(cè)有障礙物時，此時消防機器人會執(zhí)行原有的動作指令。如圖4（a）、圖4（f）所示。

2 硬件和軟件設計

2.1 硬件設計

控制模塊選用C201可編輯控制器作為避障系統(tǒng)的控制中心，也是整個消防機器人電控系統(tǒng)的核心。相對于其他控制方式，PLC控制器抗干擾能力強，故障率低，便于維護，其開發(fā)的周期相對較短，在特種機器人控制方面的硬、軟件設備與實際應用的匹配最好。而且編輯控制器上有大量的開關量和模擬量輸入端口及開關輸出端口。在CAN的通訊系統(tǒng)下與其他的傳感器和執(zhí)行器等元件的配合下，可作為多功能的控制器使用。

測距模塊選用超聲波測距。超聲波是一種機械波，它的振動頻率在20 kHz以上，具有很強的穿透性及很好的方位特性，在傳輸信號的過程中有很好的信號反射能力和抗衰減能力。所以其是應用在測距、定位避障等工程方面首選傳感器。超聲波傳感器主要由超聲波發(fā)射器、接收器和信號處理裝置3個部分構(gòu)成。其測距原理為：發(fā)射器不斷地發(fā)射一定功率的超聲波信號，當其傳播遇到障礙物時就會被反射，此時接收器可以接收到被反射的信號。通過時間間隔Δt 與在空氣中傳播的速度，就可以判斷與障礙的距離D，公式如下：

式中：D為障礙物與機器人之間的距離；Δt 為時間間隔；T為機器人工作環(huán)境中的溫度。其測距原理如圖5所示。

超聲波傳感器與紅外傳感器及激光傳感器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低、耐臟耐塵等特點。而且其穿透的能力比較強，能夠在黑夜及其它惡劣的環(huán)境中使用。但是超聲波測距存在一定的盲區(qū)，會對障礙的檢測造成一定的偏差，通常是與其它傳感器相互配合使用提高對障礙檢測的精確度。紅外傳感器和激光傳感器對于使用環(huán)境要求較高，價格昂貴，而且難以適應復雜火場環(huán)境。為減少不必要的視覺盲區(qū)，本文采用疊加超聲波傳感器設計方案，通過多個超聲波傳感器提高機器人對于障礙物的檢測。此外，該方案在軟件的處理方面也更容易，只需要重復疊加超聲波傳感器的程序，避免了對一些較多子程序進行來回的掃描，減少控制中心的計算時間，有效提高消防機器人的實時性。本文采取了8個超聲波傳感器提高消防機器人對障礙檢測性能。其硬件接線圖如圖6所示。

圖5 測距原理圖

圖6 避障系統(tǒng)電路原理圖

本文選用的是US200-18A高頻型收發(fā)一體的鋁殼超聲波傳感器。該傳感器的測量精度和靈敏度比較高，具有一定的光線、火災煙霧及電磁抗干擾能力，而且連接電路比較簡單，便于更換，符合機器人工作的復雜環(huán)境要求。超聲波的具體參數(shù)如表1所示。

表1 超聲傳感器技術(shù)參數(shù)

2.2 軟件設計

避障主程序如圖7 所示。首先引用宏文件，然后在對定義的子程序進行初始化，對消防機器人的驅(qū)動系統(tǒng)進行啟動，再對超聲波傳感器發(fā)送一個持續(xù)8 μs的高電平啟動信號，使其開始對周圍的障礙進行檢測。

如果左側(cè)控制器給出的是一個高電平，則表明左側(cè)無障礙，即向左轉(zhuǎn)向，反之則右轉(zhuǎn)。在機器人轉(zhuǎn)向的過程之中，控制器會對超聲波傳感器發(fā)出控制指令，使其每150 μs檢測周圍障礙的距離，在運動方向的距離大于安全距離時，機器人的車身擺正，繼續(xù)執(zhí)行工作任務。如果左側(cè)控制器給出的是一個低電平，此時機器人則再判斷右側(cè)是否存在障礙，無則右轉(zhuǎn)。程序如圖8所示。

圖7 避障主程序圖

圖8 超聲波測控程序

當測得前方與障礙的距離在300～500 mm時，機器人保持原有的狀態(tài)行駛。當距離小于300 mm時，此時消防機器人就會減速慢行；當小于100 mm時，機器人后退減速；控制器根據(jù)傳輸回來的信號控制液壓馬達的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，確定是向哪一側(cè)轉(zhuǎn)向。測距程序圖如圖9所示。

避開障礙后，延時5 s重新判斷與障礙物之間的距離，當小于安全距離時，重復上述指令，直至完全避開障礙。程序的流程圖如圖10所示。

圖9 測距程序圖

圖10 主程序流程圖

3 仿真搭建及結(jié)果分析

3.1 仿真系統(tǒng)的搭建

根據(jù)對消防機器人運動模型和避障模型的分析，控制器和傳感器的選擇，在Matlab軟件控制平臺搭建消防機器人。其避障系統(tǒng)仿真圖如圖11所示。

圖11 避障系統(tǒng)仿真模型

3.2 結(jié)果分析

仿真設定的探測的范圍為0～700 mm，表2給出了消防機器人連續(xù)10個時刻的位置、速度、角度值大小。機器人低速行走為0～40 mm/s，中速為40～80 mm/s，高速為80～120 mm/s。根據(jù)控制仿真結(jié)果，對10個數(shù)值時刻的輸出速度和角度的改變量進行繪制，如圖12和圖13所示。從圖表中可得，消防機器人的速度與障礙的距離成正比，距離越大則機器人的速度越高；偏轉(zhuǎn)角度與障礙的距離成反比，距離越大則偏轉(zhuǎn)的角度越小，當距離大于設定的安全距離時，機器人的偏轉(zhuǎn)角度為0°，能夠滿足消防機器人在實際應用中的要求。

消防機器人所面臨的火場環(huán)境是復雜未知的，為驗證避障系統(tǒng)的運行情況，采取多種形狀的障礙并隨機放置模擬火災環(huán)境，對消防機器人避障進行仿真實驗。機器人最終的避障軌跡如圖14所示。從圖中可以得出，消防機器人的避障軌跡連續(xù)，平滑且穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

設計的基于PLC 和超聲波傳感器控制的渦輪排煙消防機器人避障系統(tǒng)，基于PLC為控制中心，以Codesys 為開發(fā)平臺，采用多超聲波傳感器疊加的避障方式，在確保避障精確性同時，提高了消防機器人避障的實時性和實用性。

表2 傳感器所測得數(shù)據(jù)及相應變量輸出

圖12 速度改變量圖

圖13 角度改變圖

圖14 仿真軌跡圖