消防机器人控制系统设计

林土淦++刘学军++刘存香

摘 要：针对救援、破障、逃生、避难的目的，采用了大功率电动机驱动控制技术、视频信号采集技术、无线通讯技术、无线视频信号传输与处理技术、传感器数据采集技术以及多自由度机械运动控制设计，火源搜寻与灭火等技术，实现了在出现严重危害公共安全的险情或重大灾难事故时，在无线遥控和自动控制下代替救援人员亲临险情或灾难现场，实时回传恶劣环境的视频图像，并可以实行灭火，以及帮助救援人员获取准确的现场信息，最大限度的减少人民生命财产损失的目的。试验证明：所研制系统的设计方案切实可行，为重大灾难状况发生时的营救工作提供了一种可行的解决措施，系统产品化后将具有广阔的市场前景

关键词：机器人；救助系统；智能消防；电机控制；视频回传

0 引言

将机器人应用于军事、扫雷、排爆和消防等危险作业中是当今世界机器人研制的热点。救灾机器人具有危险作业机器人的特点，属于危险作业机器人的一个分支，是机器人的一个新兴发展领域。扫雷、排爆和消防等工作存在极大的危险性，越来越多的国家考虑用机器人代替人去进行危险操作。救灾机器人是一类能在危险环境中实施救援的机器人，其研究前景广阔。

此外，中国煤矿大多数采用人工进行开采，存在诸多不安全因素，瓦斯、煤尘爆炸和火灾等灾害事故频繁发生，此类灾害事故危害严重，伤害人员多。然而，在发生煤矿事故时，我们无法第一时间进入危险区域了解现场环境状况，只能凭借有限的信息及事故类型确定救援方案。往往要使用机械设备将井道垃圾清除，并向井道下通风后才能进入危险区域搜救。这种救灾方式存在危险性高、救援周期长、效率低、伤亡人数多的缺点。未来在煤矿救灾这样的危险领域，将越来越多的用到机器人。

综合比较了机器人的性能后发现，现有的机器人的功能比较单一，市场上缺少一种多功能的机器人，因此设计了一款智能消防机器人，实现了在出现严重危害公共安全的险情或重大灾难事故时，在无线遥控和自动控制下代替救援人员亲临险情或灾难现场，实时回传恶劣环境的视频图像，并可以实行灭火，以及帮助救援人员获取准确的现场信息，最大限度的减少人民的生命财产损失。

1 消防机器人的工作原理

机器人装配有能够360°自由旋转的灭火器，能够扫描四周环境并实时回传的无线视频采集系统。在工作过程中，当机器人检测到火源时，机器人停止移动并利用灭火器灭火，在扑灭火源后继续前进寻找新的火源；当机器人遇到紧急情况时，消防人员可根据无线视频采集系统回传的现场视频信号遥控机器人做出前进、后退、转弯、灭火等动作；当机器人遇到障碍物时，其能够360°自由活动的机械手可将障碍物移开，使机器人顺利通行。机器人在无线遥控下行走的同时可以灭火和救人。机器人上安装的机械手能够在消防员无线遥控下将事故现场昏迷的人员转移到安全区域。摄像头实时回传的视频便于消防人员了解现场环境、开展救援。

智能消防机器人救助系统功能如下：

（1）在公共安全存在火灾险情或发生重大火险事故时，通过人工控制或自动控制到达险情或灾难现场，实时回传现场视频图像的同时实施灭火，并搜寻幸存者，最大限度地降低人民生命财产损失；

（2）自动搜寻火源并灭火；

（3）远程控制系统运行；

（4）具有超声波测距功能，成功避障；

（5）清理障碍物；

（6）视频数据采集回传。

2 机器人的驱动与调速原理及其实现方式

2.1 消防机器人系统机身设计

消防机器人系统机身采用铝型材，如图1所示，框体由底盘、支撑立柱及四周的围板构成，在框体的基础上安装了摄像头、照明灯、机械手、灭火器、控制电脑版等装置。为避免智能消防机器人行走中出现卡阻的现象，使其运行更加平稳、顺畅，本设计将机器人底盘设计为与地面平行的矩形。四个轮子在机身下方四角起到支撑作用，两个大轮在前做为驱动轮，由带有减速器的两台直流电机分别驱动；两个小轮在后为转向轮，可自由转动。机器人机身尺寸设计为：底盘35cm*25cm， 底盘高度10cm，该尺寸具有良好的通过性，有足够的空间容纳灭火器、电源、电机、控制电脑板等装置。

2.2 视频信号的采集

图2为视频信号的采集机构，摄像头受三个电机控制进行抬头、低头、左看、右看、上升及下降运动，实现360°无死角视频信号采集。三个电机的转动由单片机的输出信号控制。

2.3 控制系统设计

图3为消防机器人控制系统，主要由无线发射控制模块、无线接收控制模块、小车行走控制模块、摄像头电机驱动模块、机械手驱动模块及传感器模块构成。

无线发射控制模块是通过按钮操作来控制智能消防机器人的各类动作，控制距离可达500米。

如图4所示为小车行走控制电路。电路中，超声波传感器用来检测障碍物，通过超声波感应是否有障碍物以及障碍物的方向，把得到的信号传送给单片机，单片机输出信号至H桥驱动控制电路控制驱动电机的通断电，控制驱动轮的转向及转速，实现机器人前进、后退、左转、右转操作。

图5为自动寻找火源电路。通过五个火焰传感器感应火源的存在，通过A/D转换把感应的信号转换成电压信号，信号传给控制灭火器的单片机后，使灭火器单片机控制灭火器转向火源并灭火。

3 试验结果及分析

图6为系统实物图。试验中在火险现场设置了5个火源，使用无线遥控器控制机器人进入火险现场后，将机器人切换至自动行走模式。在距离火源1m处，本设计能够发现火源，停在火源附近，并立即将灭火器对准火焰进行灭火。机器人在行进过程中发现障碍物后，实验人员通过回传的视频看到现场情况，能够使用无线遥控器控制机器人靠近障碍物，并准确移开障碍物，障碍清除后继续行走。试验过程中，数据采集系统采集现场的温度、有害气体、烟雾数据并将数据回传到电脑上。

此外，试验证明系统具备以下功能：

（1）行走稳定可靠，通过性良好，能够成功避障；

（2）自动搜寻火源并灭火；

（3）无线遥控下机器人反应准确灵敏；

（4）机械手动作灵活，能够清理障碍物；

（5）有足够的空间装配器材，如数据采集装置、蓄电池、灭火器等；

（6）采集并回传现场的视频数据及各种环境数据。

4 结语

本消防机器人救助辅助系统的研制成功，使信息传送的远程控制变得可能。与同类产品相比，除具备无线遥控功能外，还具备视频实时传送、摄像头6自由度控制、自动寻找火源灭火、机械手破障救援等功能。利用虚拟仪器LabVIEW8.5 图形编程语言编制的可视化程序，能将灾难现场信息发送现场，消防人员通过视频便可灵活操纵机器人运动。

基金项目：广西交通职业技术学院科研团队资金资助项目。