智能消防偵查機器人控制系統(tǒng)設計＊

甘劍冰，韋家成，匡 文

（江西理工大學電氣工程與自動化學院，江西 贛州341000）

當今世界科技不斷發(fā)展，各種建筑、石化企業(yè)、倉庫不斷增多，可燃性有毒性化學物質(zhì)引起的火災事故逐年增加。此類火災的內(nèi)部情況也及其復雜，如果消防員貿(mào)然進入現(xiàn)場，這對消防員戰(zhàn)士的生命安全埋下了很大的隱患[1]。消防員對火場情況一無所知，也無法向上級反應火災的情況[2]。為了減少此類悲劇發(fā)生，設計一款可以輔助消防員進入火災現(xiàn)場內(nèi)部，提前勘測現(xiàn)場的情況并將現(xiàn)場情況反饋給指揮中心的智能消防偵查機器人[3]，對保障消防員的生命安全以及有針對性的科學的滅火有著重要的意義。

1 系統(tǒng)概述

本文設計并制作了一套消防偵查機器人控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集現(xiàn)場溫度、氣體濃度和現(xiàn)場圖像，機器人能夠完成前進、后退、轉(zhuǎn)彎、停止、避障等基本運動，還能夠順利完成越障、爬坡等復雜運動[4]。整個系統(tǒng)主要由機器人車載系統(tǒng)、后方指揮系統(tǒng)以及系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡三部分組成。車載系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、運動機構系統(tǒng)、傳感檢測系統(tǒng)和嵌入式網(wǎng)關平臺系統(tǒng)組成。機器人可以通過移動通信網(wǎng)絡與后方指揮系統(tǒng)通信。后方指揮系統(tǒng)可以遠程控制機器人及相關設備，對事故現(xiàn)場進行移動偵查[5]。系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

機器人硬件系統(tǒng)采用STM32F407 為主控芯片。硬件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、最小系統(tǒng)、報警指路模塊、運動模塊構成[6]。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由以下三部分組成：①火災現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集通過氣體濃度傳感器、溫度傳感器以及網(wǎng)絡攝像頭實現(xiàn)[8]。單片機通過A/D 通道采集電壓計算得到氣體濃度。溫度傳感器通過總線向單片機發(fā)送實時溫度值。網(wǎng)絡攝像頭與PC 端處于同一局域網(wǎng)，可以通過攝像頭ⅠP 地址實時獲取現(xiàn)場圖像。②測速部分通過霍爾編碼器器來實現(xiàn)。將編碼器與車輪的轉(zhuǎn)軸相連，當車輪轉(zhuǎn)動時，編碼器會輸出A、B 兩相脈沖，通過計算脈沖數(shù)量與相位關系便可以得到電機的轉(zhuǎn)速，并計算機器人行動路程。③姿態(tài)解算部分通過MPU6050陀螺儀來實現(xiàn)。通過原始數(shù)據(jù)計算出機器人的姿態(tài)角。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.2 最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)由供電電路與STM32 最小系統(tǒng)板組成。供電電路主要為控制板與電機供電，STM32 是整個系統(tǒng)的核心。

2.3 運動模塊

運動模塊主要由以下兩部分組成：①電機與電機驅(qū)動完成機器人的運動；②接近傳感器主要實現(xiàn)機器人行走的避障功能。

2.4 報警指路模塊

報警指路模塊由以下兩部分組成：①LCD 液晶顯示屏利用STM32 內(nèi)部的FSMC 控制驅(qū)動，它由液晶屏以及驅(qū)動電路組成；②指路部分由機器人手臂和蜂鳴器組成，手臂由舵機控制。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)上電開始運行主程序，然后初始化各模塊。連接上位機，等待上位機控制指令。然后啟動溫度和一氧化碳濃度傳感器，并將獲得的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到上位機。同時運動系統(tǒng)開始控制機器人向前運動進一步偵察內(nèi)部的情況。如果遇到道路不通或者前方火勢過大不能前進，則按照記憶的路線原路返回。系統(tǒng)整體程序設計流程如圖2 所示。

3.1 旋轉(zhuǎn)指定角度算法設計

在準備轉(zhuǎn)向之前先記錄下當前的角度，然后根據(jù)設定的轉(zhuǎn)動方向和角度，控制兩側(cè)電機一側(cè)正轉(zhuǎn)一側(cè)反轉(zhuǎn)實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，在轉(zhuǎn)彎的同時時刻查詢當前的角度，當?shù)竭_指定角度的時候就控制電機剎車。機器人旋轉(zhuǎn)流程如圖3 所示。

圖2 系統(tǒng)整體程序設計流程圖

圖3 機器人旋轉(zhuǎn)流程圖

3.2 機器人行動路線記憶算法設計

機器人進入現(xiàn)場后記錄其初始位置和初始姿態(tài)角度（以車身對稱軸為0°參考），隨后記錄下每次行動時車頭的角度和運動的距離便可以得到機器人行動的路線圖。定義一個二元數(shù)組，將機器人每段運動的車頭角度存進第一個位置、行走距離存入第二個位置。以機器人每兩次旋轉(zhuǎn)位置為端點的線段為一段路。

4 上位機管理軟件設計

后方指揮系統(tǒng)是對整個機器人狀態(tài)監(jiān)控的中心也是機器人的指揮中心。最重要的是機器人偵察到的環(huán)境的信息將通過上位機顯示，完成人機交互。上位機與下位機采用SⅠM800C 無線傳輸模塊通信，該模塊采用2G 網(wǎng)絡通信受距離影響小[7]。采用LabVⅠEW 軟件編寫上位機，整個上位機軟件包括TPC 通道、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)存儲和圖像顯示等部分。上位機整體設計如圖4 所示。

5 實際測試與應用

智能消防偵查機器人已經(jīng)制作成功。對機器人的功能進行實際應用測試分析。

5.1 行走路線記憶測試

機器人調(diào)速平滑，最快速度可達2 m/s，可以爬上比較陡峭的坡。在直行與旋轉(zhuǎn)的時候偏差較小，但是將兩數(shù)據(jù)結合成運動路線時由于存在累計誤差，當行動達到100 m 時路線會出現(xiàn)偏差。

圖4 上位機整體設計框圖

5.2 上位機管理軟件測試

通過測試上位機可以與下位機成功進行通信，并且可以將檢測到的現(xiàn)場溫度和氣體情況顯示在電腦上，如圖5 所示。電腦也可以給機器人發(fā)送指令，控制機器人的運動。

圖5 上位機監(jiān)控界面

6 結論

本文基于STM32F407 平臺開發(fā)出一款智能消防偵查機器人。經(jīng)過測試其功能達到設計要求，實用性強。該機器可以成功地進入火災現(xiàn)場進行偵查，并將數(shù)據(jù)返回給上位機，大大地降低了火災現(xiàn)場的未知性，保證了消防員的安全。