基于北斗定位的智能山地防火機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析

劉文昊

（青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427）

火災(zāi)是自然界三大災(zāi)害之一，會(huì)給人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)及生活帶來嚴(yán)重?fù)p失與傷害。2019年澳洲森林大火足足燃燒了4個(gè)月才得以撲滅，嚴(yán)重影響整個(gè)生態(tài)環(huán)境。及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并進(jìn)行有效控制是緩解火災(zāi)危害的有效辦法。因此，設(shè)計(jì)基于北斗定位的智能山地防火機(jī)器人，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并進(jìn)行滅火具有重要意義。基于北斗定位的智能山地防火機(jī)器人由電力及動(dòng)力源、行走裝置、檢測(cè)裝置和滅火裝置組成。采用太陽能板及鋰電池結(jié)合的方式為機(jī)器人提供電力，并通過舵機(jī)轉(zhuǎn)換為動(dòng)力；運(yùn)用仿生學(xué)，設(shè)計(jì)六足行走器，可以快速在復(fù)雜的山地里行走、翻越障礙物、避險(xiǎn)等；機(jī)器人搭載著對(duì)火源極其敏感的紅外復(fù)合型火焰?zhèn)鞲衅?，能夠在半?5m 內(nèi)及時(shí)發(fā)現(xiàn)火源，并調(diào)動(dòng)滅火裝置，噴灑最適合撲滅森林火災(zāi)的干粉進(jìn)行有效滅火。機(jī)器人配置北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，通過程序控制進(jìn)行巡邏，并實(shí)時(shí)反饋位置信息，便于監(jiān)測(cè)?；诒倍范ㄎ坏闹悄苌降胤阑饳C(jī)器人能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并進(jìn)行有效控制，可以使火災(zāi)消滅在萌芽中，降低火災(zāi)損失、保護(hù)自然。

1 六足機(jī)械設(shè)計(jì)分析

山地防火機(jī)器人行走裝置運(yùn)用仿生學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)六足行走裝置，正向?qū)ΨQ分布機(jī)械腿，可以實(shí)現(xiàn)快速有效地行走、攀爬、避障等功能。仿生六足運(yùn)動(dòng)行走常見的行走方式是三角步態(tài)，使三對(duì)機(jī)械腿分為兩組，用三角形結(jié)構(gòu)支架交替往前行進(jìn)。六條機(jī)械腿均勻分布在機(jī)器人軀體的兩側(cè)，使軀體左側(cè)的前、后機(jī)械腿及右側(cè)的中間機(jī)械腿為一組，使右側(cè)的前、后機(jī)械腿和左側(cè)的中間機(jī)械腿分為另一組，使之組成兩個(gè)三角形支架，依靠大腿前后劃動(dòng)分別實(shí)現(xiàn)支撐和行走過程。機(jī)械腿的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要滿足山地防火機(jī)器人全地形、全方位空間的操作要求。山地消防機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)必要在保證山地防火機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行走的過程中，在平穩(wěn)的前提下，需要具有較好的承載力和較快移動(dòng)速度。山地防火機(jī)器人各個(gè)腿的關(guān)節(jié)和膝節(jié)采用的是弧形結(jié)構(gòu)。山地消防機(jī)器人六條機(jī)械腿均勻的分布在軀體周圍，這種設(shè)計(jì)可以減少運(yùn)動(dòng)過程中各個(gè)機(jī)械腿之間的互相干涉，使山地防火機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)過程中穩(wěn)定性和安全性得到進(jìn)一步提升。

1.1 機(jī)械腿運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

驗(yàn)證更好的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，要通過對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)的分析。山地防火機(jī)器人行走過程中根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同分為擺動(dòng)腿和站立腿，擺動(dòng)腿通過從山地防火消防機(jī)器人自有重量、構(gòu)件強(qiáng)度以及負(fù)載能力的方向出發(fā)，山地消防機(jī)器人的材料為鋁合金，機(jī)器人總體重量大約為15kg，每條腿的重量大約為1.75kg。根據(jù)仿生機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況下設(shè)定每個(gè)關(guān)節(jié)的約束，山地防火機(jī)器人的機(jī)械腿與軀體和各個(gè)機(jī)械腿關(guān)節(jié)之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，并通過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)在現(xiàn)實(shí)中遇到的不一樣地形條件來添加更合適的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。

1.2 運(yùn)動(dòng)仿真分析

山地防火機(jī)器人在消防作業(yè)過程中根據(jù)不同的地況來靈活運(yùn)用相對(duì)的前進(jìn)方式。在山地消防作業(yè)過程中，上坡、躲障、緊急避險(xiǎn)是機(jī)器人應(yīng)具備的基本功能。在行走過程中平穩(wěn)性是檢驗(yàn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性的重要標(biāo)準(zhǔn)。在平整的路面前進(jìn)時(shí)，山地防火機(jī)器人的腿部可以實(shí)現(xiàn)快速的移動(dòng)。當(dāng)遇到石塊時(shí)能穩(wěn)定的抬升機(jī)體，從而越過石塊等物體。運(yùn)動(dòng)過程中根據(jù)機(jī)械腿部的變化從而產(chǎn)生不同的行走運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和爬坡運(yùn)動(dòng)過程的仿真，此時(shí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程的穩(wěn)定性最高。山地防火機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)速度最快時(shí)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，山地防火機(jī)器人通過調(diào)節(jié)腿部關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)位置放低使軀干最低端距離地面最高，山地防火機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)最大程度得到伸展，身體軀干靠近地面，能在平坦路面快速移動(dòng)。山地防火機(jī)器人在翻越隨機(jī)地形時(shí)的斜坡和陡坡運(yùn)動(dòng)過程中，根據(jù)相應(yīng)的地形情況自動(dòng)尋找合適的著力點(diǎn)，從而使山地防火機(jī)器人能更平穩(wěn)、安全地地通過斜坡和陡坡。

山地防火機(jī)器人運(yùn)動(dòng)整體比較平穩(wěn)，但在行走過程中的開始行走階段和上坡時(shí)每個(gè)腿關(guān)節(jié)所受力矩比較大，主要是在機(jī)體與腿相連的關(guān)節(jié)處。山地消防機(jī)器人在行走過程中關(guān)節(jié)力矩較大會(huì)對(duì)舵機(jī)造成一定的傷害。山地消防機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步加強(qiáng)優(yōu)化，從而為以后山地消防機(jī)器人火災(zāi)的巡邏檢查、提前預(yù)警、積極撲救等工作研究奠定非常良好的前提基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

紅外復(fù)合型火焰?zhèn)鞲衅魇菣C(jī)器人專門用于搜尋火源的傳感器，利用紅紫外線對(duì)火焰非常敏感的特點(diǎn)，使用特制的紅紫外線接收管來檢測(cè)火焰，然后把火焰的亮度轉(zhuǎn)化電平信號(hào)進(jìn)行反饋，因此，設(shè)計(jì)使用紅外復(fù)合型火焰?zhèn)鞲衅鲗?duì)山地火源進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)?；鹧?zhèn)鞲衅髯R(shí)別與火焰燃燒中產(chǎn)生的紫外線和紅外線。

2.2 北斗定位系統(tǒng)

該項(xiàng)目機(jī)器人配置北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，通過定位及地形圖規(guī)劃巡邏路徑，設(shè)定控制程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃，并實(shí)時(shí)反饋監(jiān)測(cè)及位置信息。可實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)巡邏，提高監(jiān)測(cè)效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火源并進(jìn)行有效控制。

3 機(jī)器人創(chuàng)新方式

3.1 復(fù)雜地形行走效率化

運(yùn)用仿生學(xué)技術(shù)，使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式模仿蜘蛛類型的六條機(jī)械腿，可以快速行走方便發(fā)現(xiàn)火源，可以跨過障礙物，在山地里復(fù)雜地形穿梭。如果遇到坑洼地形，可以通過爪子翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人正常行走。

3.2 火源搜尋精確化

采取紅外復(fù)合型火焰?zhèn)鞲衅?，裝載在山地防火機(jī)器人兩端，通過傳感器里的紅紫外線準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)火源，在檢測(cè)到火源后及時(shí)觸發(fā)滅火裝置，并反饋位置信息，通知消防局。

3.3 滅火方式多元化

以最適合森林滅火的干粉為主進(jìn)行滅火，并采用水基滅火輔助干粉滅火。水基滅火器可以撲滅小型火源，干粉滅火器不僅能更好的撲滅中小型火災(zāi)還便于攜帶，遇到大型火災(zāi)則將水基和干粉進(jìn)行結(jié)合滅火，并自動(dòng)定位報(bào)警。

3.4 自動(dòng)巡航智能化

利用北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，獲得山體地形圖規(guī)劃巡邏路徑。通過人工設(shè)定程序行走路線，并實(shí)時(shí)反饋檢測(cè)和位置信息，可實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)巡邏，提高監(jiān)測(cè)效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火源并進(jìn)行有效控制。

4 技術(shù)路線

山地防火機(jī)器人分四個(gè)路線。第一由六足機(jī)器人山地行走控制，基于六足機(jī)器人設(shè)計(jì)山地行走模塊，實(shí)現(xiàn)山地行走測(cè)試實(shí)地觀察效果。第二由于復(fù)雜的環(huán)境火源的尋找，選用紅紫外線等復(fù)合傳感器進(jìn)行工作，能在戶外林地等復(fù)雜情況下觀察使用情況。第三判斷火源確定滅火方式，采用干粉為主，水基為輔的滅火方式。并人工模擬火災(zāi)場(chǎng)景觀察滅火能力。第四可以野外復(fù)雜地形巡邏控制，實(shí)現(xiàn)山地?zé)o線信號(hào)傳輸，遠(yuǎn)程導(dǎo)航山地地形圖，規(guī)劃巡邏路徑。通過人工設(shè)定程序行走路線。

5 結(jié)語

在全球變暖的今天，防火意識(shí)必須增強(qiáng)。隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，研究者們需要?jiǎng)?chuàng)造可以解決此類問題的智能機(jī)器人。人們也越來越需要機(jī)器人在人類到達(dá)不了的地方進(jìn)行工作。智能機(jī)器人不僅可以發(fā)揮出他們的特點(diǎn)和能力，也可以減少各種損失。尤其在森林山地救火方面，必須第一時(shí)間考慮消防隊(duì)員生命安全的保護(hù)。據(jù)報(bào)道，近10年來森林火災(zāi)人為原因占到97%，及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)火源是有效控制火災(zāi)的關(guān)鍵。所以，發(fā)明能及時(shí)消防救火的智能機(jī)器人刻不容緩。對(duì)比世界消防機(jī)器人技術(shù)，我國(guó)這兩年突飛猛進(jìn)，運(yùn)用各種新材料、新技術(shù)，引領(lǐng)著消防智能機(jī)器人的發(fā)展方向。同時(shí)對(duì)我國(guó)通訊信息技術(shù)，大數(shù)據(jù)研究技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。