消防機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

喬安營 張兵強(qiáng) 潘超亞

摘 要： 在我國進(jìn)入21世紀(jì)的新時(shí)期，經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，針對救援、破障、逃生、避難的目的，采用了大功率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、視頻信號采集技術(shù)、無線通訊技術(shù)、無線視頻信號傳輸與處理技術(shù)、傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)以及多自由度機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)，火源搜尋與滅火等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在出現(xiàn)嚴(yán)重危害公共安全的險(xiǎn)情或重大災(zāi)難事故時(shí)，在無線遙控和自動(dòng)控制下代替救援人員親臨險(xiǎn)情或?yàn)?zāi)難現(xiàn)場，實(shí)時(shí)回傳惡劣環(huán)境的視頻圖像，并可以實(shí)行滅火，以及幫助救援人員獲取準(zhǔn)確的現(xiàn)場信息，最大限度的減少人民生命財(cái)產(chǎn)損失的目的。試驗(yàn)證明：所研制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行，為重大災(zāi)難狀況發(fā)生時(shí)的營救工作提供了一種可行的解決措施，系統(tǒng)產(chǎn)品化后將具有廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器人;救助系統(tǒng);智能消防;電機(jī)控制;視頻回傳

【中圖分類號】TP242 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.171

引言：我國在研究消防機(jī)器人方面較國外同行已落后太多，存在技術(shù)差異和代溝，消防機(jī)器人的不斷研制、生產(chǎn)和裝備過程，應(yīng)堅(jiān)持自主研制為主，引進(jìn)為輔，提高我國消防部隊(duì)消防裝備現(xiàn)代化的水平，并及時(shí)裝備消防部隊(duì)，提高消防部隊(duì)打贏大仗、惡仗、硬仗和特殊戰(zhàn)役的能力，提高消防部隊(duì)在處置大型復(fù)雜火災(zāi)和應(yīng)急救援的作戰(zhàn)效能，提高消防部隊(duì)的自我防護(hù)能力，減少消防指戰(zhàn)員的人身傷亡，更好地保衛(wèi)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 整體方案設(shè)計(jì)

消防機(jī)器人采用STC89C52單片機(jī)作為主要控制單元，該型單片機(jī)價(jià)格便宜、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高，能夠滿足此次設(shè)計(jì)的要求。消防機(jī)器人通過紅外傳感器、光敏晶體管等器件來采集各類信息，送入主控單元單片機(jī)，處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動(dòng)作，達(dá)到自身控制。其中尋找火源采用的是光敏晶體管感應(yīng)到火源，然后通過比較器輸出數(shù)字信號送至單片機(jī)進(jìn)行處理。避障用到的是紅外光電開關(guān)，光電開關(guān)發(fā)射紅外線當(dāng)前面有障礙時(shí)紅外線反射給接收管，接收管收到信號后通過比較器處理成數(shù)字信號給單片機(jī)判斷處理。紅外遙控行駛通過紅外遙控發(fā)射紅外編碼信號，由紅外接收頭接收送至單片機(jī)進(jìn)行解碼，然后可以根據(jù)所按的功能鍵實(shí)現(xiàn)行駛。液晶顯示用到的是1602LCD來進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示工作狀態(tài)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較靈活，更重要的是采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足要求。

2 消防機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用環(huán)境簡介

（1）Target標(biāo)簽：當(dāng)單擊此標(biāo)簽，各個(gè)參數(shù)會(huì)有具體的設(shè)置要求，①Xtal（MHz）：單片機(jī)的工作頻率是一個(gè)默認(rèn)值，為24.0MHz。②UseOn-chipROM（0x0～0x1FFF）：FlashROM。單片機(jī)的EA引腳接高電平，則一定需要選中這個(gè)選項(xiàng)。③MemoryModel：變量存儲(chǔ)空間。（2）Output標(biāo)簽：①SelectFolderforObjects：當(dāng)對編譯進(jìn)行選擇后，就會(huì)知道目標(biāo)文件的存儲(chǔ)路徑。②NameofExecutable：設(shè)置生成的目標(biāo)文件的名字。③CreateExecutable：生成omf以及hex文件。④CreateHexFile：要生成hex文件一定要選中該選項(xiàng)。⑤CreateLibrary：生成lib庫文件。（3）C51標(biāo)簽：通過C51標(biāo)簽來設(shè)置C51編譯器的特別的工具選項(xiàng)。（4）A51標(biāo)簽是一種可以設(shè)置匯編器的一種特別的工具選項(xiàng)，例如：可以進(jìn)行宏處理和條件匯編等等。（5）BL51Locate標(biāo)簽是重定位器和連接器，能夠把分段代碼進(jìn)行功能連接，能夠組合多個(gè)或者單個(gè)模塊，形成MCS-51的執(zhí)行程序。這個(gè)連接器能夠處理數(shù)據(jù)，同時(shí)按需分配到固定的地址上，連接器可以根據(jù)實(shí)際情況，自動(dòng)選擇運(yùn)行庫，同時(shí)也能夠在目標(biāo)模塊輸入命令來連接連接器。（6）BL51Misc標(biāo)簽：Misc標(biāo)簽是對BL51Locate標(biāo)簽的補(bǔ)充設(shè)置。（7）Debug標(biāo)簽：該標(biāo)簽對μVision3的調(diào)試器進(jìn)行設(shè)置。（8）項(xiàng)目的編譯：當(dāng)此項(xiàng)目完成設(shè)置了，就能夠進(jìn)行編譯。即，在測試工具條上進(jìn)行點(diǎn)擊，在編譯項(xiàng)目中就能夠生成應(yīng)用。當(dāng)遇到語法錯(cuò)誤的時(shí)候，標(biāo)簽頁可以顯示告警和錯(cuò)誤信息。點(diǎn)擊這個(gè)錯(cuò)誤警告信息就能夠定位到錯(cuò)誤的地方，在對項(xiàng)目進(jìn)行編譯的時(shí)候，也同樣出現(xiàn)錯(cuò)誤信息提示，點(diǎn)擊就會(huì)放置到錯(cuò)誤處，非常容易找到。

2.2 抗干擾設(shè)計(jì)

由于工作現(xiàn)場具有嚴(yán)重的電磁干擾源，并且消防機(jī)器人有大功率變頻器，電機(jī)等電感性負(fù)載;另外，通訊線和動(dòng)力電源電纜共用一根電纜，這些都會(huì)給PLC和上、下位機(jī)通訊的正常工作造成嚴(yán)重的電磁干擾。而且，消防機(jī)器人具有嚴(yán)格的防爆要求，整個(gè)消防機(jī)器人工作單元不得有任何接地。因此，在硬件設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的抗電磁干擾設(shè)計(jì)是個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)不好將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無法正常工作。下位機(jī)的所有數(shù)字量和模擬量輸入均采用電磁屏蔽和光電隔離技術(shù)，輸出采用繼電器控制。電機(jī)和變頻器跟PLC和擴(kuò)展模塊的距離大于0.5m。變頻器的輸入、輸出采用屏蔽線，單端接地。移動(dòng)載體中的所有地通過一點(diǎn)與電纜中的地線相接，最后通過控制臺接地。電纜的動(dòng)力線單獨(dú)屏蔽，與控制臺接地;通訊線采用屏蔽雙絞線，屏蔽線一端與控制臺接地，這樣能夠很好地抑制磁場干擾和電場干擾。

2.3 顯示模塊

本次設(shè)計(jì)的顯示模塊用到的是用LCD液晶進(jìn)行顯示。由于LCD顯示效果比較清晰，顯示的內(nèi)容豐富，信息量大，使用起來也方便并且能夠快速的顯示。對于此系統(tǒng)我們選用1602液晶能夠很好的滿足顯示要求。

2.4 單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)是以AT89S52為核心，外接紅外避障傳感器模塊、紅外火焰?zhèn)鞲衅髂K、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、三極管開關(guān)控制繼電器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇滅火模塊、電源模塊等硬件電路。AT89S52工作在12MHz的頻率下，采用+5V的直流電源供電，根據(jù)單片機(jī)各個(gè)引腳功能，P0.0-P0.5為紅外火焰避障傳感器模塊和紅外火焰探測傳感器模塊，P0.6接自動(dòng)和遙控切換模塊的開關(guān)。P2接L298驅(qū)動(dòng)行進(jìn)電動(dòng)機(jī)模塊和繼電器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇滅火模塊。P1.0-P1.3接無線遙控信號模塊。S1為復(fù)位開關(guān)。

2.5 下位機(jī)

下位機(jī)主要由S7-CPU214、三個(gè)數(shù)字量輸出模塊EM222、一個(gè)模擬量輸入模塊EM231（輸入點(diǎn)數(shù)為3，模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間為25us），2個(gè)變頻器、探測傳感器，采樣控制模塊以及電源系統(tǒng)等組成。CPU214作為下位機(jī)的控制核心，主要是存儲(chǔ)和運(yùn)行控制程序、與上位機(jī)以及擴(kuò)展模塊之間的通訊和控制左右驅(qū)動(dòng)輪的速度。我們將變頻器的參數(shù)設(shè)定為4速模式，具有制動(dòng)啟動(dòng)和停車功能，防止在斜面上行進(jìn)時(shí)出現(xiàn)失控現(xiàn)象和頻繁緊急啟、停車對機(jī)械系統(tǒng)造成損壞。利用上位機(jī)發(fā)送的速度信號控制變頻器的頻率設(shè)定選擇實(shí)現(xiàn)移動(dòng)載體的速度控制。DLKG模塊為多輸入三輸出模塊，由采樣控制模塊來控制選通傳感器輸入。因?yàn)镋M231只具有3路A/D轉(zhuǎn)換，而需要采樣的傳感器信號有16路，因此要對這16路信號進(jìn)行循環(huán)采樣。

結(jié)語：消防機(jī)器人的智能尋火，是通過火焰?zhèn)鞲衅鲗鹧娴臋z測，將信號送給單片機(jī)處理，再將信號送給L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使行進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)

[1] 范茂奎，楊千紅，馮時(shí)進(jìn)，等.我國消防員滅火救援中傷亡情況研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2015，（2）：82-85.

[2] 孫勝利.淺談消防機(jī)器人及其運(yùn)用[J].消防論壇，2018，（21）：61-63.

[3] 陳慶暖.消防滅火機(jī)器人及其應(yīng)用[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2018，37（5）：644-646.