探究消防滅火機(jī)器人及配套裝備技術(shù)

陳杰

（江蘇省鹽城市射陽縣消防救援大隊(duì)，江蘇 鹽城 224313）

面對日益復(fù)雜化、多樣化的火災(zāi)事故，單純依靠人力開展消防救援工作需現(xiàn)場調(diào)配大量人員、裝備等，難以達(dá)到高效處置火災(zāi)險(xiǎn)情的目標(biāo)，同時(shí)也將給救援人員帶來了較大的生命安全威脅。采用消防滅火機(jī)器人作業(yè)，代替人員進(jìn)入高溫、爆炸、有毒等危害環(huán)境中完成滅火任務(wù)的同時(shí)，能夠加強(qiáng)事故現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和反饋，輔助指揮員制定科學(xué)滅火救援決策，最大限度降低火災(zāi)帶來的損失。因此，應(yīng)加強(qiáng)消防滅火機(jī)器人研究，推動消防裝備向著精細(xì)、智能等方向發(fā)展，充分發(fā)揮現(xiàn)代消防裝備優(yōu)勢，為人民生命財(cái)產(chǎn)安全提供有力的保障。

1 消防滅火機(jī)器人研究

1.1 設(shè)計(jì)要求

消防滅火機(jī)器人應(yīng)兼具監(jiān)測和滅火功能，可以沿著既定路徑運(yùn)動，到達(dá)指定位置滅火，也可以根據(jù)指令實(shí)時(shí)修正運(yùn)動路徑，靈活開展滅火工作。作為由傳感器、執(zhí)行器和控制器等組成的特種消防裝備，滅火機(jī)器人在火災(zāi)發(fā)生后應(yīng)做出快速反應(yīng)，能夠根據(jù)周圍環(huán)境判斷是否存在火源，并根據(jù)具體情況做出自動噴水、啟動消火栓等處置，避免火勢迅速蔓延，確?？梢杂行?yīng)對火災(zāi)現(xiàn)場的突發(fā)事件。在監(jiān)測到火災(zāi)后，機(jī)器人應(yīng)將報(bào)警信號傳至消防控制中心，并發(fā)出警告聲，提醒周圍人員撤離。此外，滅火機(jī)器人應(yīng)適用于高溫的工作環(huán)境，具有防水、防輻射、遠(yuǎn)程遙控、行走爬坡等功能，可以通過控制消防水炮姿態(tài)等方式精確滅火和清障，降低消防救援難度，保護(hù)消防人員安全。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

從滅火機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)來看，多由機(jī)器人本體、攝像機(jī)、傳感器、遙控終端、滅火裝置等構(gòu)成，通過搭載高精度定位裝置、激光雷達(dá)、火源探測器等采集和傳輸位置、火源等數(shù)據(jù)信息，并利用無線模塊、數(shù)傳模塊等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，代替消防人員進(jìn)入現(xiàn)場搜集信息和開展滅火救援工作。滅火機(jī)器人本體作為各種裝備的主要載體，由行走驅(qū)動機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。

1.2.1 行走機(jī)構(gòu)

由于消防場地較為復(fù)雜，目前，主流滅火機(jī)器人均采用雙履帶驅(qū)動機(jī)構(gòu)，如圖1所示，機(jī)器人履帶為特制的阻燃橡膠，強(qiáng)度和韌度較高，內(nèi)部采用鋼骨架和多層簾布。機(jī)器人在火災(zāi)現(xiàn)場行走和滅火，不僅將遭遇復(fù)雜路面，同時(shí)也將承受消防水炮等裝備工作產(chǎn)生的大后坐力，容易發(fā)生行走不穩(wěn)的情況。因此，在行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上，多采用懸掛系統(tǒng)減震，由承重輪、彈簧減震裝置、驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、張緊輪等多個(gè)部件構(gòu)成。承重輪沿著履帶輪廓保持均勻分布，為主要承重結(jié)構(gòu)。各承重輪均安裝獨(dú)立彈簧懸掛緩沖行走產(chǎn)生的載荷波動，確保機(jī)器人獲得較強(qiáng)的機(jī)動性，維持較快的移動速度，增強(qiáng)機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性。導(dǎo)向輪前沿超出主體不穩(wěn)，避免機(jī)器人行走過程中主體受到直接撞擊。驅(qū)動輪依靠電機(jī)驅(qū)動，并使用減速裝置帶動履帶傳動系統(tǒng)，在機(jī)器人即將發(fā)生碰撞時(shí)能夠減速。張緊輪連接位置安裝彈簧，確保機(jī)器人行走過程中履帶保持一定的張緊度。

圖1 消防滅火機(jī)器人

1.2.2 控制機(jī)構(gòu)

滅火機(jī)器人控制機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)本體運(yùn)動控制的同時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)水炮等消防裝備姿態(tài)控制。根據(jù)滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)需求可知，需通過環(huán)境分析生成最佳消防路徑，確保機(jī)器人盡快到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場。因此，機(jī)器人需選用高性能控制器，多采用嵌入式工控機(jī)，生成多路PWM脈沖信號，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)控制，并采用CAN總線實(shí)現(xiàn)水炮轉(zhuǎn)臺控制。在控制機(jī)器人行走過程中，控制機(jī)構(gòu)通過天線和GPS裝置構(gòu)成RTK定位系統(tǒng)，獲取當(dāng)前位置和航向信息，然后通過激光雷達(dá)采集周圍障礙物信息。通過搭載火源探測、溫濕度傳感器、氣體傳感器、攝像頭等裝置，滅火機(jī)器人能夠識別火源和判斷周圍是否存在危險(xiǎn)性氣體?？刂破鲉纹瑱C(jī)通過讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)火情，完成火源定位和最佳滅火路線計(jì)算，在機(jī)器人到達(dá)指定位置后，評估周圍障礙物分布情況，生成滅火裝置姿態(tài)調(diào)整指令，做到對準(zhǔn)火源自動開展滅火作業(yè)。

2 消防滅火機(jī)器人配套裝備技術(shù)

2.1 導(dǎo)航裝備

從配套裝備技術(shù)運(yùn)用來看，首先，應(yīng)加強(qiáng)滅火機(jī)器人自主導(dǎo)航裝置的開發(fā)，確保機(jī)器人可以自主尋找火源。根據(jù)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求可知，消防機(jī)器人火源尋找成功率應(yīng)達(dá)到90%以上，定向誤差應(yīng)不超過5°，導(dǎo)航定位誤差不超過40cm?，F(xiàn)階段，消防機(jī)器人導(dǎo)航方式包括固定導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等。采用固定導(dǎo)航裝備，包括坐標(biāo)導(dǎo)航、磁導(dǎo)航等，使機(jī)器人沿著固定路徑運(yùn)動，影響了機(jī)器人的機(jī)動性。激光導(dǎo)航是在機(jī)器人定位火源后，通過點(diǎn)射方式發(fā)射雷達(dá)激光，遇到障礙物反彈后，根據(jù)激光反射時(shí)間確定機(jī)器人與障礙物間的距離。通過多次測量修正導(dǎo)航地圖，實(shí)時(shí)更新機(jī)器人位置，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)定位，但無法用于場所反射率較高的環(huán)境。慣性導(dǎo)航使用陀螺儀等設(shè)備獲取機(jī)器人三軸角速度和加速度，換算為坐標(biāo)和方向，與規(guī)定路線比較，完成速度值和設(shè)定值矢量差計(jì)算，從而糾正機(jī)器人航向。但長時(shí)間使用后，陀螺儀會產(chǎn)生積累誤差，影響導(dǎo)航定位的精準(zhǔn)性。采用視覺導(dǎo)航裝備，能夠根據(jù)機(jī)器人實(shí)時(shí)采集的影像進(jìn)行火源定位，根據(jù)圖像角度預(yù)留導(dǎo)向標(biāo)記，與現(xiàn)有位置不斷比較引導(dǎo)機(jī)器人行走，直至到達(dá)火源附近，靈活性較高，但定位精度不高。在新型智能消防滅火機(jī)器人研發(fā)中，為了獲得較高定位精度和靈活性，通常采用融合導(dǎo)航技術(shù)，使視覺導(dǎo)航、激光導(dǎo)航等裝備相互配合，有效減少導(dǎo)航建圖累計(jì)誤差，并通過RTK定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度定位。將激光雷達(dá)、視覺導(dǎo)航觀測數(shù)據(jù)加入分布函數(shù)，采用粒子濾波器算法實(shí)現(xiàn)全局地圖更新和修正，能夠分析得到最優(yōu)局部路徑和全局路徑，確保機(jī)器人迅速到達(dá)導(dǎo)航目標(biāo)點(diǎn)。

2.2 探測裝備

消防滅火機(jī)器人在開展滅火作業(yè)前，需通過探測裝置完成火源精準(zhǔn)探測，在精準(zhǔn)判斷火情的基礎(chǔ)上自動選擇適合的滅火方法。為加強(qiáng)火場環(huán)境監(jiān)測，需在機(jī)器人前后護(hù)罩位置安裝廣角攝像機(jī)，自動探測環(huán)境光強(qiáng)度。判斷強(qiáng)度足夠，攝像機(jī)啟動標(biāo)準(zhǔn)模式，關(guān)閉紅外線燈，拍攝彩色畫面。判斷光強(qiáng)度不足，開啟夜視模式，使用紅外線燈拍攝黑白畫面。在消防水炮上方，通常搭載復(fù)合火源探測器，配備紅外熱成像、可見光和紅外光攝像頭，采用加權(quán)平均值法、閾值分割法等方法完成紅外觀和可見光圖像識別后，完成同區(qū)域溫度值分析處理，根據(jù)熱成像溫度特征識別火源。在火源探測的過程中，機(jī)器人將控制水炮來回?fù)u擺，使安裝在其上的攝像機(jī)轉(zhuǎn)動完成180°范圍內(nèi)的圖像拍攝。在探測到圖像中存在火源后，機(jī)器人將發(fā)出報(bào)警，同時(shí)生成火源區(qū)域平均溫度、像素點(diǎn)面積、中心位置等信息，回傳給消防指揮中心，輔助人員制定科學(xué)滅火決策，合理操控機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)場滅火作業(yè)。在機(jī)器人前護(hù)罩中間位置，多配備避障傳感器，能對2m范圍內(nèi)障礙物進(jìn)行檢測，確保機(jī)器人做好停止準(zhǔn)備，以免與障礙物發(fā)生碰撞。此外，火災(zāi)現(xiàn)場火情變化迅速，滅火機(jī)器人需配備溫度傳感器精準(zhǔn)監(jiān)測周圍環(huán)境溫度變化，判斷是否可以繼續(xù)執(zhí)行滅火任務(wù)。傳感器可在-25～125℃范圍內(nèi)工作，檢測精度達(dá)到0.1℃。

2.3 滅火裝備

從滅火機(jī)器人配備的滅火裝備來看，多選用移動消防水炮和水幕噴淋裝置。水炮作為主要滅火裝置，將根據(jù)機(jī)器人類型選擇不同型號。通常滅火機(jī)器人配備120°消防水炮，能在0～70°靈活切換角度，并根據(jù)滅火需要調(diào)節(jié)流量大小。在水炮關(guān)節(jié)位置，安裝射流電機(jī)、水柱電機(jī)和水霧電機(jī)，做到連續(xù)調(diào)節(jié)射流狀態(tài)。通過配備上、下電機(jī)，能夠在垂直方向上完成水炮俯仰角調(diào)節(jié)，并利用左、右電機(jī)在水平方向調(diào)節(jié)水炮噴射方向。獨(dú)立滅火機(jī)器人無須外接供水帶，可以通過自帶滅火劑滅火，同時(shí)也可以連接DN40以下水帶或3～4L/s水槍滅火，保持較高的機(jī)動作業(yè)能力。而消防炮流量通常在20～40L/s，需要使用DN80水帶公式，有效撲滅中小型火災(zāi)。此外，消防滅火機(jī)器人進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場后，周圍環(huán)境溫度迅速上升將給機(jī)器人正常運(yùn)行帶來不利影響，因此，需配備水幕噴淋裝置完成周圍環(huán)境降溫。該裝置由底座、主軸、流量調(diào)節(jié)手輪和溫流裝置構(gòu)成，多使用雙層水幕噴灑方式，一級維持固定噴射角度，二級可調(diào)節(jié)水幕角度。水源壓進(jìn)噴頭過程中，需經(jīng)歷一級和二級噴灑口，為防止出現(xiàn)壓力損失，在軸心安裝穩(wěn)流裝置固定主軸，防止水流旋轉(zhuǎn)。水流進(jìn)入二級噴霧時(shí)，可通過首輪調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)流量，細(xì)化水顆粒，取得理想的噴霧降溫效果（如圖2）。

圖2 水幕噴淋裝置

3 結(jié)語

研究消防滅火機(jī)器人，應(yīng)確認(rèn)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)火源自主探測和定位的基礎(chǔ)上，可以移動至火災(zāi)現(xiàn)場利用配套滅火裝置開展滅火作業(yè)。在明確機(jī)器人設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，完成由行走機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)構(gòu)成的消防滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)，并通過配備導(dǎo)航、滅火等裝備為消防滅火機(jī)器人配備有效消防器材，高效配合消防人員開展滅火救援活動，從而實(shí)現(xiàn)人與裝備的完美結(jié)合，降低滅火作戰(zhàn)難度，確保順利完成救援任務(wù)。