消防機(jī)器人在滅火救援中的運(yùn)用

■ 汪志明 張家口市消防救援支隊(duì)

目前消防機(jī)器人的作用顯著，可以有效解決滅火救援中的各類難題，因此相關(guān)的研發(fā)工作也逐步地開展起來。目前，消防機(jī)器人正在向智能化、自動化的方向發(fā)展，我國也在積極引進(jìn)國外先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，并根據(jù)國內(nèi)的具體情況和技術(shù)水平進(jìn)行本土化研究，目前救援機(jī)器人研發(fā)工作已經(jīng)逐漸邁向新的階段。不僅如此，我國消防事業(yè)也在不斷的發(fā)展中，新的消防格局已經(jīng)逐漸形成。在實(shí)踐應(yīng)用的過程中，應(yīng)該不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，為機(jī)器人的研發(fā)提供更多參考依據(jù)。

一、消防機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

消防機(jī)器人的種類有很多，隨著研究的深入，機(jī)器人也在不斷更新?lián)Q代。目前來看，消防機(jī)器人根據(jù)發(fā)展的情況可以分為三代，分別是：簡易遙控消防機(jī)器人、計算機(jī)輔助遙控消防機(jī)器人、智能化消防機(jī)器人。但在實(shí)際設(shè)計的過程中，需要根據(jù)消防機(jī)器人的應(yīng)用范圍進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體設(shè)計方式如下：

（一）規(guī)劃路徑設(shè)計

消防機(jī)器人主要從事救援和滅火兩項(xiàng)工作，因此需要具備偵查災(zāi)情的能力，且在巡視偵查目標(biāo)時，要確保在巡視的過程中可以自主、安全的行走活動。所以，要對消防機(jī)器人的行動路徑進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計[1]。首先，需要堅(jiān)持全局性的原則，從整體性的角度設(shè)計偵查路線，確保規(guī)劃的合理性。在設(shè)計的過程中，要對多項(xiàng)因素進(jìn)行考慮和分析，偵查的目標(biāo)不同，規(guī)劃路徑也會存在一定的差異，因此還需要提升消防機(jī)器人的區(qū)分能力、掃描能力。其次，為了協(xié)助救援任務(wù)或者獨(dú)立完成救援任務(wù)，消防機(jī)器人還必須完善智能化功能，不僅要具備掌握周圍環(huán)境的能力，還要根據(jù)環(huán)境條件做出清晰準(zhǔn)確地判斷，從而為下一步操作做出規(guī)劃。在行動的過程中，為了解決障礙問題，需要安裝傳感器，利用傳感器對周圍障礙物、臺階、墻壁等進(jìn)行感應(yīng)。災(zāi)害會造成環(huán)境混亂，地面會出現(xiàn)凹凸、物品散落等各種障礙，因此還必須要求傳感器可以對各類障礙進(jìn)行分類，進(jìn)而做出合理的行動方案。最后，在遇到障礙的情況下，要根據(jù)傳感器的分析采取有效的規(guī)避方案，越過或繞過障礙，從而確保機(jī)器人可以正常運(yùn)作。

（二）起火點(diǎn)識別定位

消防機(jī)器人需要具備識別火源的功能，在遇到火災(zāi)事故時，可以準(zhǔn)確地對周圍環(huán)境作出分析，在安全位置對信息、數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，并通過分析判斷確定火源位置和起火原因等信息[2]。消防機(jī)器人的主要任務(wù)就是救援和滅火，所以在對火源距離進(jìn)行準(zhǔn)確的計算后，要第一時間攜帶滅火裝置進(jìn)行滅火救援。

（三）傳感器設(shè)計

在消防機(jī)器人設(shè)計的過程中，傳感器設(shè)計是十分重要的一項(xiàng)內(nèi)容，傳感器可以檢測周圍環(huán)境，具有測量距離的功能，但會受到場地、環(huán)境等因素的影響。目前，普遍采用超聲波測距、激光測距、紅外測距等多種類型的傳感器。在滅火作業(yè)完成后，需要利用傳感器對火源進(jìn)行檢測，分析潛在的危險隱患，然后采取有效的解決方案，所以傳感器是十分重要的構(gòu)成部分。

二、消防機(jī)器人滅火救援的硬件設(shè)計

（一）電機(jī)驅(qū)動模塊

消防機(jī)器人的主要硬件包括單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動、火源檢測等多個模塊。在機(jī)器人設(shè)計的過程中，硬件組合是十分重要的環(huán)節(jié)，要確保各個硬件都能夠充分發(fā)揮作用，因此需要采用TWI 總線對硬件進(jìn)行規(guī)范協(xié)調(diào)。例如，AVR 單片機(jī)ATmega 128 是系統(tǒng)中的主要模塊，ATmega 8系統(tǒng)則是底層控制模塊，可以滿足前進(jìn)、后退等移動功能的要求。在電機(jī)驅(qū)動模塊方面，采用直流電機(jī)進(jìn)行控制，通常選擇L298，該電機(jī)利用芯片對兩個直流減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，然后利用EA/EB 與PWM 進(jìn)行連接，P1-P4 與單片機(jī)進(jìn)行連接，改變EA、EB 和PWM 的占空比就可以實(shí)現(xiàn)啟動、停止、加速、減速等操作，滿足控制電動機(jī)的要求。

（二）火源檢測模塊

對于消防機(jī)器人來說，火源檢測模塊尤為重要，模塊主要包括光敏電阻、光電三極管兩種設(shè)計形式。前者利用各種光強(qiáng)下的阻值差異確定小車轉(zhuǎn)向，具有原理簡單、應(yīng)用便捷的特點(diǎn)。但在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些缺陷，一方面是檢測距離受限制，另一方面是受到外界因素的影響較大，難以有效保障測定值的準(zhǔn)確性。所以一般采用光電三極管的設(shè)計方式將其排列成半圓狀，根據(jù)適量合成的原理進(jìn)行設(shè)計，由于傳感器測光強(qiáng)有所不同，因此可以將各個值作為測定中心，明確小車的具體位置。這種方式比光敏檢測更具優(yōu)勢，因?yàn)槠洳粫艿酵饨缫蛩睾途嚯x的限制影響。

（三）障礙規(guī)避模塊

為了確保消防機(jī)器人可以正常運(yùn)行，需要設(shè)計合理的障礙規(guī)避模塊。第一，可以采用光電開關(guān)的設(shè)計方式，其具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、設(shè)計成本較低的特點(diǎn)，但這種設(shè)計對距離要求較高，只能檢測范圍內(nèi)的障礙物。第二，可以采用超聲波測距的設(shè)計方式，這種方式更具智能化，主要是利用超聲波傳感器進(jìn)行測量并計算超聲波與物體之間的準(zhǔn)確距離，具有科學(xué)、準(zhǔn)確、智能的特點(diǎn)，但應(yīng)用成本較高。因此光電開關(guān)經(jīng)過算法優(yōu)化可以滿足設(shè)計需求，應(yīng)用更加廣泛。

三、消防機(jī)器人滅火救援的軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計上，主要針對火源尋找進(jìn)行設(shè)計。因?yàn)榛馂?zāi)環(huán)境比較復(fù)雜，所以可以從搜索、滅火、檢測三個方面入手。尋光算法是一種合理的尋光計算和障礙規(guī)避的計算方式，要根據(jù)傳感器環(huán)路結(jié)構(gòu)來確定和應(yīng)用[3]。例如，ATmega 128 控制的輪式移動機(jī)器人，采用直流伺服系統(tǒng)對機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動。將小車的左右設(shè)為X 軸，從0°、45°、90°等8 個比較特殊的角度進(jìn)行光敏三極管位置的確定。計算信號幅度最大的三極管與90°位置的三極管之間的夾角，小車應(yīng)該位于夾角內(nèi)，可以接受較大幅度的信號，滿足條件后向前運(yùn)行；在障礙算法方面，依舊設(shè)為X 軸，光電開關(guān)放置在0°、45°、90°、135°、180°五個位置，輸出TTL 電平，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制分量。如果傳感器為高電平，則說明有障礙物被探測到。

目前來看，消防事業(yè)還在不斷地完善中，且消防工作的范圍也不斷擴(kuò)大，包括偵查、洪水、救援、通信等方面，這些都需要技術(shù)創(chuàng)新的支持。所以，消防機(jī)器人需要進(jìn)一步向智能化、先進(jìn)化的方向發(fā)展，且要增加移動式消防水炮、消防車載水炮，實(shí)現(xiàn)各個設(shè)施的聯(lián)合作業(yè)，提升救援滅火的效率。

四、結(jié)語

綜上所述，消防機(jī)器人在消防滅火和救援工作中發(fā)揮著十分重要的作用，所以要積極開展消防機(jī)器人的設(shè)計和研究工作。不僅要明確消防機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還要做好硬件和軟件上的設(shè)計，提升消防機(jī)器人的智能化水平，使其可以在更復(fù)雜的環(huán)境和條件下發(fā)揮作用。