基于遙感智能控制的消防機(jī)器人

張薇薇，孫長勇，王學(xué)軍，初津宇，鄭明輝

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引 言

自燃火災(zāi)和生產(chǎn)生活火災(zāi)由于各種原因時(shí)長發(fā)生，其已經(jīng)成為了一種常見的社會(huì)災(zāi)害。通常情況下，火災(zāi)所帶來的損失往往是十分嚴(yán)重的，給公共安全帶來很大威脅。隨著我國經(jīng)濟(jì)水平和人民生活質(zhì)量的不斷提高，人們對(duì)消防安全提出了更高的要求。在這種形勢(shì)下，加強(qiáng)消防建設(shè)勢(shì)在必行。改革開放以來，中國進(jìn)入市場經(jīng)濟(jì)時(shí)代。國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展。為了響應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)體制朝著區(qū)塊化，產(chǎn)業(yè)化和集中化方向發(fā)展的要求，我國石油化工，電力和倉儲(chǔ)物流企業(yè)都開始進(jìn)行集中化布局，但是這也加大了火災(zāi)的危害。消防機(jī)器人的問世能夠在一定范圍內(nèi)代替消防員開展火災(zāi)救援工作，既能保障消防員人身安全又能有效降低消防員人員傷亡。目前，消防機(jī)器人已經(jīng)逐漸成為了消防工作中不可或缺的重要工具之一。它是一種集機(jī)械、電子以及信息技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)物，其功能非常強(qiáng)大。而且操作簡單方便。同時(shí)，應(yīng)用消防機(jī)器人還能提升滅火效率與滅火質(zhì)量。將消防機(jī)器人應(yīng)用于滅火救援工作中，可以很大程度地提高滅火工作效率，搶得滅火時(shí)間并遏制火勢(shì)蔓延，從而為消防員生命安全和財(cái)產(chǎn)安全提供有力保障。消防人員要想在地面上完成入火，滅火和出火都需要大量的人力和物力，大型消防機(jī)器人通過在太空中完成設(shè)備組裝可以打破火災(zāi)規(guī)模的局限性，并且可以節(jié)省成本。隨著科技的發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，對(duì)消防安全要求越來越高。傳統(tǒng)的人工操作方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代消防工作的需求了。因此，自動(dòng)化程度越高的消防系統(tǒng)就越有優(yōu)勢(shì)。如何以低成本和高效率的方式使用消防機(jī)器人來執(zhí)行一系列復(fù)雜滅火任務(wù)已經(jīng)成為當(dāng)前消防技術(shù)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。同時(shí)，消防機(jī)器人的操控方法將成為消防技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)及企事業(yè)單位開發(fā)的遙操作消防機(jī)器人在移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，遙操作控制器及搭載傳感器方面不盡相同，較少進(jìn)入消防人員實(shí)用階段，目前相關(guān)技術(shù)水平與國際發(fā)達(dá)國家能力相比還存在相當(dāng)大的距離，各方面性能還有待提高。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

國際消防機(jī)器人研究可以劃分為3 個(gè)階段（3 代），第1 代程序控制消防機(jī)器人、第2 代感覺功能消防機(jī)器人、第3 代智能化消防機(jī)器人。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)等高新技術(shù)在消防領(lǐng)域中應(yīng)用程度的提高以及消防工作日益復(fù)雜，火災(zāi)探測與報(bào)警系統(tǒng)已從最初的機(jī)械式向數(shù)字化發(fā)展。這就要求消防機(jī)器人具備更高的性能。當(dāng)前，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家都在加速研制功能各異的實(shí)用型第二代消防機(jī)器人及第三代低級(jí)智能化消防機(jī)器人等，并開始了第三代高級(jí)智能機(jī)器人的研制。國外在該領(lǐng)域上實(shí)現(xiàn)的功能較為強(qiáng)大。

2 關(guān)鍵技術(shù)

消防機(jī)器人在執(zhí)行消防任務(wù)時(shí)，涉及到許多關(guān)鍵技術(shù)。首先，該裝置的組成為以下內(nèi)容：

該裝置是由梯形固定履帶行走機(jī)構(gòu)、水霧炮兼用裝置、干粉炮、干冰炮、遠(yuǎn)程遙感操控器、智能降溫噴霧裝置、激光雷達(dá)避障裝置、攝像頭、前后車燈、回轉(zhuǎn)臺(tái)、氣體在線檢測儀、干冰滅火彈填裝管、高壓水管等裝置組成。圖1為消防機(jī)器人設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖。

圖1 消防機(jī)器人設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖

對(duì)于消防機(jī)器人，一般需要經(jīng)歷以下的部分階段或全部階段：整個(gè)系統(tǒng)分為兩部分，人機(jī)互動(dòng)界面和前方車體。當(dāng)前方車體到達(dá)指定部位后，操作員通過操控面板將控制指令輸入傳導(dǎo)給遙感系統(tǒng)的MCU，遙感系統(tǒng)通過數(shù)傳模塊傳導(dǎo)給前方車體的數(shù)傳模塊，由數(shù)傳模塊傳導(dǎo)給前方車體的MCU。前方車體收到指令后，向操作員指定的位置前進(jìn)。當(dāng)進(jìn)入火場后，攝像頭進(jìn)行視頻信息采集，通過車體內(nèi)部的圖傳模塊回傳給操控面板的圖傳模塊，從而使操作員能得到火場內(nèi)部的情況。通過遙感系統(tǒng)將前方車體操控到火源附近。通過氣體在線檢測儀檢測氣體成分，選擇合適的滅火方式。操作員通過控制面板將指令傳導(dǎo)至MCU，再通過數(shù)傳模塊傳至前方車體MCU，從而控制前方車體內(nèi)部的云臺(tái)電機(jī)控制、水霧炮電機(jī)控制、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制、照明控制、蜂鳴器控制、溫度傳感器、氣體傳感器、超聲波傳感器、水壓傳感器、激光測距、電壓檢測、視頻切換等控制，由車體內(nèi)部的電源通電，通過直流電源保證前方車體有條不紊的進(jìn)行滅火，達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體流程如圖2所示。

圖2 設(shè)備工作流程圖

2.1 控制面板技術(shù)

對(duì)于機(jī)器人的操控，控制面板的簡潔非常重要。消防機(jī)器人的控制面板分為電源通信指示、語音控制、泡沫炮控制、干冰炮控制、車體控制、水霧炮切換控制、攝像機(jī)云臺(tái)控制七個(gè)部分。對(duì)控制面板的各部分有明確的了解，才能更好的操控消防機(jī)器人。消防機(jī)器人控制面板如圖3所示。

圖3 消防機(jī)器人控制面板

2.2 控制方式技術(shù)

消防機(jī)器人控制通常采用無線遙控方式和有線控制兩種方法?？蓪?shí)現(xiàn)兩種控制方式的隨意切換，使操控者更加的便捷。

無線遙控，能用車體內(nèi)自帶電源給它提供電能；交流電源與車體后線纜接頭上連接，即可通過有線或無線或方式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行操縱。這種控制模式在一些特殊場合是可行的。無線遙控大多依靠上下位機(jī)間通信來實(shí)現(xiàn)。消防機(jī)器人系統(tǒng)控制方式如圖4所示。

圖4 消防機(jī)器人系統(tǒng)控制方式

在控制的全過程中上位機(jī)對(duì)消防機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，在無線視頻裝置的輔助下進(jìn)行接收并在操控終端的畫面中顯示出來。通過上述方式，消防操作人員可以實(shí)時(shí)地觀察機(jī)器人面臨的作業(yè)環(huán)境以及當(dāng)前的工作狀況，并對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)地調(diào)整，從而更好地執(zhí)行工作任務(wù)。這樣增加消防操作員使人與機(jī)器人各部件形成閉環(huán)操作系統(tǒng)。從整體上看，下位機(jī)既承擔(dān)著對(duì)上位機(jī)所傳遞命令的接收，處理任務(wù)，又承擔(dān)著對(duì)現(xiàn)場信息反饋并精確地帶動(dòng)相應(yīng)動(dòng)作機(jī)構(gòu)動(dòng)作的任務(wù)。如果下位機(jī)發(fā)生故障，則會(huì)直接影響上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場情況的處理能力。一旦出現(xiàn)問題，就可能造成火災(zāi)或設(shè)備損壞等后果。因此，下位機(jī)在控制系統(tǒng)中處于重要的地位，起著決定性作用。系統(tǒng)總體閉環(huán)反饋控制方框圖如圖5所示。

圖5 消防機(jī)器人控制方框圖

2.3 程序控制技術(shù)

基于遙感智能控制的消防機(jī)器人的程序分為三個(gè)階段：程序段1 為除塵故障匯總、程序段2 為除塵控制、程序段3為斗輪機(jī)堆料運(yùn)行狀態(tài)-T0 干霧除塵。每個(gè)程序都控制著不同的部位進(jìn)行操控，互不影響。采用分布式、模塊化的結(jié)構(gòu)來搭建消防機(jī)器人控制系統(tǒng)的方案，分析研究消防機(jī)器人的整體架構(gòu)及其組成。圖6是程序的具體內(nèi)容。

圖6 消防機(jī)器人程序具體內(nèi)容

2.4 實(shí)物展示

裝置最終實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 實(shí)物圖

3 結(jié) 論

本論文通過對(duì)國內(nèi)外消防機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)綜合檢索與收集，通過較詳細(xì)的研究與歸納，針對(duì)消防救援人員處于易燃，易爆，有毒，濃煙及易坍塌建筑物危險(xiǎn)環(huán)境下的偵察與滅火冷卻操作，通過遙感智能控制消防機(jī)器人來解決消防救援人員對(duì)以上環(huán)境下信息獲取量不足及面臨人身安全問題。該系統(tǒng)能夠有效地完成對(duì)各種危險(xiǎn)源的探測與定位，并能及時(shí)準(zhǔn)確地將所發(fā)現(xiàn)的火情信號(hào)傳送給指揮員或指揮中心；同時(shí)也為消防員提供實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺(tái)。采用消防機(jī)器人可以降低消防人員傷亡及國家財(cái)產(chǎn)損失，增強(qiáng)消防部門對(duì)惡性火災(zāi)的撲救及救援能力。因此，對(duì)消防機(jī)器人進(jìn)行研究與開發(fā)，具有實(shí)際意義與價(jià)值。

消防機(jī)器人屬于特種機(jī)器人，不管機(jī)器人技術(shù)如何發(fā)展，一定要從滅火救援實(shí)際情況出發(fā)，適應(yīng)消防部隊(duì)滅火救援特定的現(xiàn)實(shí)需求，深入挖掘消防機(jī)器人的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用潛能，不斷增強(qiáng)消防部隊(duì)撲滅火災(zāi)和搶獲重大災(zāi)害的本領(lǐng)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)火災(zāi)預(yù)防與控制的認(rèn)識(shí)也越來越深刻。目前，我國正處于城市化建設(shè)高速發(fā)展期，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，人口急劇增加。這給消防安全帶來了前所未有的壓力。近期內(nèi)消防人員應(yīng)進(jìn)行消防機(jī)器人知識(shí)訓(xùn)練，爭取早日完成對(duì)消防機(jī)器人的普及，使我國的消防安全顯著提高。