成慧翔，馬艷娥，張 強，陳宇光，王亦敏

（晉中信息學院，山西 太谷 030800）

近年來，春耕農(nóng)事生產(chǎn)用火增多，火情呈多發(fā)頻發(fā)態(tài)勢，農(nóng)業(yè)農(nóng)村防滅火形勢嚴峻?；馂?zāi)是威脅人類財產(chǎn)安全、人身安全和社會各類場所安全的重要災(zāi)害之一。隨著新技術(shù)、新工藝的發(fā)展，機器人技術(shù)的不斷發(fā)展使得機器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，從以往多應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域而漸漸融入人們的生活。滅火機器人在保護消防人員生命安全的方面的重要性日益凸顯，消防滅火機器人也越來越多地運用到各類消防場合，對提高火災(zāi)救援安全性、減少人員傷亡具有重要意義，有廣闊的應(yīng)用前景。

智能滅火機器人主要涉及到各類傳感器的應(yīng)用、自動化控制、數(shù)據(jù)采集與處理、人工智能等領(lǐng)域，需要很強的綜合信息技術(shù)整合能力，其運動控制主要依托傳感器和視覺技術(shù)?；诙鄠鞲衅骷夹g(shù)的智能滅火機器人主要利用紅外傳感器、障礙物傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯葘崿F(xiàn)反饋控制，基于視覺技術(shù)的智能滅火機器人主要利用攝像頭及圖像處理技術(shù)鎖定目標位置。

為了解決傳統(tǒng)滅火方式危險性高、無法保障滅火人員的安全等問題，本文提出了可精準滅火的智能滅火機器人的設(shè)計方案，融合多傳感器技術(shù)與視覺技術(shù)，旨在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)自主搜索火源并通過消防機器人的自主滅火或消防人員的遠程控制實施滅火，體現(xiàn)探測火源、避障、自動滅火的高性能。

1 智能滅火機器人控制系統(tǒng)設(shè)計思路

本設(shè)計中的智能滅火機器人是以古代投石機裝置投擲滅火為參考模型，基于各類傳感器識別并定位火源，同時測量與火源的距離，經(jīng)微處理器加工處理傳感器、攝像頭等各硬件反饋的信息，然后采用自由度高的云臺來進行多角度的精準拋射來迅速完成滅火的任務(wù)。由機器人本體、滅火彈、遙控終端等組成的應(yīng)急救援滅火機器人。

2 智能滅火機器人的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括控制核心、傳感器模塊、電源模塊、底盤驅(qū)動模塊、滅火裝置和機械手等消防機制的必要組成，其結(jié)構(gòu)見圖1，原型見圖2。其中，控制核心是STM32F407 ZET6 最小系統(tǒng)；傳感器模塊包括攝像頭、激光測距（精準定位火源）、陀螺儀（確定機器人本體姿態(tài)）；電源模塊采用雙電源供電，控制核心與電源電機隔離；行走機構(gòu)底盤驅(qū)動模塊選用可全方位移動的八自由度舵輪全向底盤，采用CAN總線通信技術(shù)和FOC 矢量控制輸出穩(wěn)定扭矩實現(xiàn)三相無刷電機的高效控制；滅火模塊主要包括滅火彈補給支架和滅火彈發(fā)射機構(gòu)等；機械手裝置部分包括機械爪和機械臂，機械爪通過系統(tǒng)從機控制其張開、閉合和轉(zhuǎn)動等動作，機械臂通過傳感器模塊回傳數(shù)據(jù)確定其動作位置以獲取最佳拋射角度與力度。

圖1 智能滅火機器人的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of intelligent fire extinguishing robot

圖2 智能滅火機器人實物圖Fig.2 Physical picture of intelligent fire extinguishing robot

3 智能滅火機器人的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主程序采用速度位置雙閉環(huán)控制算法，基于CAN 總線通信對攝像頭獲取的火源位置信息與激光測距儀獲取的距離信息進行回傳并經(jīng)卡爾曼濾波處理，通過線性公式擬合獲得最佳拋射角度與力度，以此控制滅火機器人無障礙行進并控制拋射電機精準投放滅火彈。從而完成滅火機器人避障、自動探測并定位火源、滅火的任務(wù)。程序控制流程見圖3。

圖3 系統(tǒng)控制流程Fig.3 System control flow

其中電機使用三環(huán)控制法，即電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)；控制機器人的位置，首先要控制電機速度，控制速度，就必須控制電流，位置環(huán)輸出速度值，速度環(huán)輸出電流值，輸入的都是電機實時數(shù)據(jù)：實時速度、實時位置，最末端的電機反饋三個值，依次給最外面的位置，中間的速度，里面的電流。

4 測試

為了測試智能滅火機器人面對不同時間和不同距離做出反應(yīng)的速度，在不同的位置上放置蠟燭進行測試，得出在距火源約1 m處，滅火機器人可以得到最佳的動作反應(yīng)，距離超過1 m，則響應(yīng)遲緩。進一步測試距離1 m 時，機器人在一天內(nèi)針對有無火源做出的反應(yīng)。選擇白天8 時—18 時有光照影響（見圖4a）和夜間20 時—次日6 時無光照影響（見圖4b）情況下對比分析，結(jié)果顯示，白天響應(yīng)曲線呈“浴盆”狀，夜間響應(yīng)曲線趨近于直線，夜間響應(yīng)比白天更絲滑，響應(yīng)更平穩(wěn)；若有火源，則智能滅火機器人趨向火源行動并間隔10 cm記錄一次數(shù)據(jù)。智能滅火機器人隨距離響應(yīng)曲線見圖5 所示，距離越近，電壓越低，距離越遠，電壓越高。不難看出，智能滅火機器人在不同的時間、不同的距離都能及時做出響應(yīng)，效率較高，魯棒性較強。

圖4 智能機器人隨時間的響應(yīng)曲線Fig.4 Response curve of intelligent robot over time

圖5 智能機器人隨距離的響應(yīng)曲線Fig.5 Response curve of intelligent robot with distance

5 結(jié)語

當前應(yīng)用于農(nóng)村農(nóng)業(yè)消防的方法效果并不理想，采用智能機器人代替人工滅火逐漸成為現(xiàn)代流行趨勢。目前消防滅火機器人的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)有了很大進步，但仍然面臨很多技術(shù)瓶頸。

本文設(shè)計開發(fā)了一種可精準滅火的智能機器人，通過使用微控制器實現(xiàn)的自動過程來緩解緊急滅火的問題。其創(chuàng)新點包括：合理配置激光測距傳感器避障，實現(xiàn)了自動巡航探測火源；采用攝像頭圖像識別精準快速定位火源，提高了滅火的快速性和可靠性；采用了八自由度舵輪全向底盤，可實現(xiàn)機器人高效全向移動；采用速度位置雙閉環(huán)控制，提高了滅火精度和滅火效率。該滅火機器人能夠在農(nóng)村農(nóng)業(yè)消防過程中起到重要的輔助作用，極大地保障了消防人員在火災(zāi)救援過程中的人身安全，具備一定的實用價值和推廣價值。