面向高樓火災(zāi)輔助救援機(jī)器人的機(jī)車分離設(shè)計(jì)

王宇迪，周麗紅，袁崢，榮謝天，張丁，余秋月

（1.武漢科技大學(xué)城市學(xué)院機(jī)電工程學(xué)部，武漢430083；2.華中師范大學(xué)美術(shù)學(xué)院，武漢430079）

0 引言

復(fù)雜多變的高樓火災(zāi)現(xiàn)場，讓傳統(tǒng)救援困難重重。隨著無人機(jī)技術(shù)的日趨成熟，無人機(jī)不僅在航拍、農(nóng)業(yè)植保、電力巡檢等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，還在各類災(zāi)害事故的輔助救援上慢慢發(fā)揮其巨大作用[1]。目前無人機(jī)可借助其搭載的高清攝像機(jī)、紅外熱成像儀等裝置模塊進(jìn)行現(xiàn)場情況圖的測繪，為救援了解現(xiàn)場情況、制定處置方案、部署處置力量提供依據(jù)[1]；機(jī)載滅火裝備進(jìn)行滅火[2]；裝載生命檢測儀，通過精準(zhǔn)定位自主感知和獲取到被困人員的詳細(xì)位置，并將繩索、濕手帕和燒傷藥品等輕型物資投送到指定地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)被困人員使用物資來進(jìn)行自救并尋找機(jī)會(huì)迅速逃離火災(zāi)現(xiàn)場[3]。由于火場環(huán)境復(fù)雜，氣流紊亂，很容易使投放物資偏離目標(biāo)地點(diǎn)。本文針對無人機(jī)投放形式限于定點(diǎn)投放的局限性，在保證無人機(jī)偵查和定位功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)將裝載了自救物資的載重箱體小車實(shí)行自動(dòng)分離的結(jié)構(gòu)，箱體小車搭載燈光警示模塊、發(fā)聲模塊、收聲模塊和勘探結(jié)構(gòu)單元，實(shí)現(xiàn)救援物資精準(zhǔn)投放并將準(zhǔn)確數(shù)據(jù)上傳到指揮終端，提高搜救效率，減少人員傷亡。

1 整體結(jié)構(gòu)

由于四旋翼無人機(jī)具有起降場地要求小，能懸停，自由度高，能全面把控救援場面等優(yōu)勢，本文基于該機(jī)型設(shè)計(jì)了一種面向高層火災(zāi)輔助救援的機(jī)器人設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與載重箱體小車的自動(dòng)分離。本設(shè)備由無人機(jī)部分、勘探部分、連接部分和載重箱體小車四部分組成，圖1和圖2分別為產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)三維圖和實(shí)物模型圖。

本文主要討論該設(shè)備的機(jī)車分離結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由具有連接和分離功能的電磁吸盤和裝載救援物質(zhì)的載重箱體小車兩部分構(gòu)成。載重箱體小車具有感知系統(tǒng)模塊、電機(jī)模塊、圖像處理模塊、路徑規(guī)劃模塊以及通信系統(tǒng)模塊，這五大模塊構(gòu)成了箱體小車的勘探結(jié)構(gòu)單元，主要用于感知外界環(huán)境，收集信息并處理，并自動(dòng)規(guī)劃救援路徑。另外搭載燈光警示模塊、發(fā)聲模塊、收聲模塊。警示燈光和聲音讓被困人員在能見度低的火災(zāi)現(xiàn)場主動(dòng)發(fā)現(xiàn)箱體小車并靠近；收聲模塊探測被困人員的聲音，并精準(zhǔn)無誤定位把自救物資和通訊工具送達(dá)被困人員；同時(shí)將周圍環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至指揮終端，指揮員獲得數(shù)據(jù)后可以根據(jù)現(xiàn)場情況迅速安排救援。圖2中用紅色線圈圈出的是電磁吸盤和載重箱體小車。

圖1 產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)三維圖

圖2 實(shí)物模型圖

2 機(jī)車分離結(jié)構(gòu)

2.1 機(jī)車分離設(shè)計(jì)原理

本分離設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要利用電磁吸盤來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與箱體小車的連接和分離目的。電磁吸盤是采用電磁原理，通電使內(nèi)部線圈產(chǎn)生磁力，經(jīng)過導(dǎo)磁面板將接觸在面板表面的Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼片（A3鋼）緊緊吸住，通過線圈斷電，磁力消失退磁，從而分離和鋼片為一整體的箱體小車。通過螺栓將電磁吸盤固定在無人機(jī)支架上，在箱體上方加裝接觸表面大于等于電磁吸盤導(dǎo)磁面的A3鋼片與電磁吸盤配合，完成無人機(jī)與箱體分離功能。由于電磁吸盤具有磁力分布均勻，工作穩(wěn)定、吸附力強(qiáng)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在面對高層火災(zāi)的緊急情況下，電磁吸盤控制更為方便快捷，并能遠(yuǎn)程遙控，使得救援效率大大提高。

2.2 電磁吸盤參數(shù)選取

本模型設(shè)備采用圓形電磁吸盤，實(shí)物如圖3所示。具體參數(shù)如表1所示。圖2所示的四個(gè)支架位置上分別安裝電磁吸盤，總吸合力為32kg。

圖3 電磁吸盤

表1 電磁吸盤參數(shù)

2.3 載重箱體尺寸設(shè)計(jì)

箱體進(jìn)入高層救援時(shí)，考慮常規(guī)的高層窗框?qū)挾龋ㄒ话銥?00mm、800mm、950mm）有限，因此無人機(jī)式火災(zāi)勘探機(jī)器人載重箱體小車總體寬度不得超過600mm。結(jié)合無人機(jī)和載重箱體小車之間的連接結(jié)構(gòu)，本文所設(shè)計(jì)的箱體小車為345×345×280mm。詳細(xì)參數(shù)如表2所示。電磁吸盤的總吸合力大于箱體承重約10kg（箱體和小車重量不到1kg），可保證空中運(yùn)行安全。

表2 設(shè)備參數(shù)表

3 機(jī)車分離路徑模擬

為了保證箱體小車能夠準(zhǔn)確投放，下面對箱體小車的投放方式和投放運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析。實(shí)現(xiàn)機(jī)車分離的整個(gè)步驟是無人機(jī)靜止觀察，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，俯沖加速，最后拋射。綜合考慮無人機(jī)有效偵查范圍（火災(zāi)濃煙環(huán)境可視范圍為半徑3-7m，熱感系統(tǒng)范圍為半徑15-35m）和墻體對無人機(jī)拋投過程的影響，預(yù)定位置為距離墻體5m左右，高于窗口5-10m的高度位置進(jìn)行拋投運(yùn)動(dòng)。采用DJI云行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行模擬器模塊對小車投放和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬，模擬路徑如圖4所示。模擬初始條件為：室外溫度26℃；火場類型為常規(guī)爆燃；窗口周圍最高溫度220℃；無人機(jī)俯沖角度（與水平方向夾角）為40°；俯沖最大速度為6m/s。箱體小車在b點(diǎn)位置開始俯沖，到達(dá)B點(diǎn)后電磁斷電，拋投載重箱體小車。拋投以后，無人機(jī)立刻減速回拉，返回指揮中心；與此同時(shí)，箱體小車穿過窗戶，在B'(c)點(diǎn)著陸。從模擬結(jié)果可以看出，小車落地位置距離墻體10米開外比較安全。根據(jù)濃煙環(huán)境下小車搭載的可視系統(tǒng)的可視范圍（同無人機(jī)），設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)投放合格范圍為以預(yù)定完美試驗(yàn)點(diǎn)c點(diǎn)為圓心，半徑七米（E點(diǎn)）的范圍內(nèi)。當(dāng)小車安全著陸后，指揮中心通過通信模塊與小車建立聯(lián)系，并根據(jù)三米內(nèi)較為清晰的圖像檢測信息、接收的聲音等信息規(guī)劃出合理的小車行走軌跡，確保小車將救援物資送達(dá)被困人員身邊。

4 結(jié)語

本文主要采用電磁分離技術(shù)，設(shè)計(jì)了面向高層火災(zāi)輔助救援機(jī)器人的機(jī)車分離結(jié)構(gòu)，并對無人機(jī)與箱體小車分離過程進(jìn)行了模擬。通過模擬實(shí)驗(yàn)得出了無人機(jī)與箱體小車分離的合適參數(shù)，以及箱體小車拋投的合理路徑，使得箱體能夠既準(zhǔn)確又迅速地尋找到被困人員，大大提高被困人員的生存幾率。

圖4 DJI云行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行模擬器模塊對小車投放和運(yùn)動(dòng)軌跡模擬圖