立體化倉庫智能滅火機(jī)器人的設(shè)計與制作

聶然

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232000）

立體化倉庫智能滅火機(jī)器人的設(shè)計與制作

聶然

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232000）

隨著社會的進(jìn)步，越來越多的儲存?zhèn)}庫朝著大型化、立體化發(fā)展，但是隨之而來的是消防安全隱患的存在。本文設(shè)計一種以ARM9為控制核心的立體化倉庫滅火機(jī)器人，包括硬件、軟件設(shè)計。火災(zāi)發(fā)生時滅火機(jī)器人上傳感器發(fā)出報警，在消防人員的遠(yuǎn)程操控下查看火情并及時撲滅。

機(jī)器人；火災(zāi)檢測；滅火

0 前言

機(jī)器人技術(shù)的產(chǎn)生，是多門科學(xué)技術(shù)共同發(fā)展的一個綜合性的結(jié)果[1]，它對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展產(chǎn)生了重大影響，展望21世紀(jì)，機(jī)器人將會像上世紀(jì)的計算機(jī)一樣普及，會深入地應(yīng)用到各個領(lǐng)域。滅火機(jī)器人可以代替人進(jìn)入危險場合，并有著更高的效率，因此，有著廣闊的應(yīng)用前景。

國際上通常把消防機(jī)器人分為三代，第一代程序控制消防機(jī)器人已經(jīng)逐漸淘汰，目前發(fā)達(dá)國家正著力從第二代消防機(jī)器人向著第三代智能消防機(jī)器人發(fā)展。我國消防機(jī)器人研制工作同樣有著可喜的成果，這對減少國家財產(chǎn)損失和解救受災(zāi)人員起到了至關(guān)重要的作用，同時消防機(jī)器人的發(fā)展對我國機(jī)器人技術(shù)、信息通信控制技術(shù)、軟件技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動作用和深遠(yuǎn)的影響[2]。

本文是針對現(xiàn)代立體化倉庫而設(shè)計的一款消防機(jī)器人，機(jī)器人通過自身高精度的火焰檢測裝置和靈活的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以實現(xiàn)從火災(zāi)檢測預(yù)報到偵查滅火。本文將分別從機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)、滅火機(jī)器人的軟硬件設(shè)計和如何提高機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性來詳細(xì)闡述整個機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計思路和設(shè)計過程。

1 立體化倉庫滅火機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

立體化倉庫滅火機(jī)器人在硬件系統(tǒng)設(shè)計上包括以下幾個部分：控制部分、車體結(jié)構(gòu)部分、火災(zāi)監(jiān)測傳感器部分、圖像傳輸與滅火部分。

1.2 控制部分

由于要實現(xiàn)對機(jī)器人復(fù)雜的運動控制和對外圍數(shù)據(jù)的采集，因此，需要一款性能較高的主控制器。本設(shè)計采用以ARM9為CPU的主控制器，該控制器最高運行速度可達(dá)180MHZ，具有4路USART、以太網(wǎng)MAC、USB2.0、此外，還有28路模擬轉(zhuǎn)換通道，可以滿足機(jī)器人的控制要求。

1.3 車體結(jié)構(gòu)部分

滅火機(jī)器人在惡劣的環(huán)境必須有可靠的車體，滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)有以下特性。1）底盤和模塊連接后重心穩(wěn)定，在啟動和剎車的時候沒有頓挫的現(xiàn)象，若發(fā)生碰撞車子還會保持平衡。2）底盤所使用材料強(qiáng)度要合理在生撞擊時候不會過度損壞。3）通過對車體優(yōu)化設(shè)計來達(dá)到充分利用空間的目的，同時要使安裝盡可能簡化。4）車體具有很好的操控性，移動迅速，加減速快，轉(zhuǎn)向精確，并且能按照指令準(zhǔn)確行走。因此車體選擇高強(qiáng)度的鋁合金，在合理布局后再安裝各個部分。

此外，滅火機(jī)器人要安裝視頻模塊、煙霧傳感器和滅火裝置，這些都需要機(jī)器人在工作時候改變方向與角度。因此，在機(jī)器人車體上安裝了可升降的云臺。

1.4 火災(zāi)監(jiān)測傳感器部分

傳感器是決定機(jī)器人是否智能的關(guān)鍵，傳感器使機(jī)器人可以感知外界。在火災(zāi)發(fā)生時倉庫溫度會升高并伴有煙霧，因此，本設(shè)計中采用火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器。

火焰檢測傳感器是利用物體燃燒時相對于自然光不同波長的的輻射來進(jìn)行判斷的，溫度越高波長越短。本設(shè)計采用R2868火焰?zhèn)鞲衅?，極高的探測精度使它可以探測 185到 260個不同的狹窄光譜敏感源，當(dāng)波長達(dá)到事先設(shè)定的閾值時候便會發(fā)出警報。當(dāng)倉庫中發(fā)生火災(zāi)時溫度變化致使輻射的波長改變，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定閾值便會發(fā)出報警。本設(shè)計在車體前后各安裝一個火焰?zhèn)鞲衅?，在機(jī)器人巡檢過程中同一時刻可對五十立方米空間進(jìn)行監(jiān)測。

為了進(jìn)一步提升滅火機(jī)器人的監(jiān)測能力，本次設(shè)計還采用了煙霧傳感器。在火災(zāi)發(fā)生初期，可燃物燃燒不徹底會產(chǎn)生大量煙霧并且漂浮在空氣中。在本次設(shè)計將煙霧傳感器安裝在云臺上，工作時使其可以實時監(jiān)測空氣是否有煙霧產(chǎn)生。

1.5 圖像傳輸與滅火部分

視頻傳輸模塊是該機(jī)器人的“眼睛”，當(dāng)控制中心得到機(jī)器人的火災(zāi)發(fā)警報后打開視頻模塊。此時的視頻要把現(xiàn)場情況傳回控制中心，控制中心要根據(jù)現(xiàn)場情況規(guī)劃機(jī)器人行進(jìn)策略。視頻模塊由FPV圖傳攝像頭采集視頻信號，通過1.2G 400mW無線發(fā)射機(jī)發(fā)射信號，通過無線接收機(jī)接收信號，最后通過視頻采集卡把模擬信號轉(zhuǎn)化成視頻信號在PC端顯示。

滅火部分是機(jī)器人的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了應(yīng)對不同程度的火災(zāi)本次設(shè)計采取滅火器和高壓水槍兩種不同的滅火裝置。在火災(zāi)發(fā)生的初期和小規(guī)模火災(zāi)時利用滅火器來滅火，當(dāng)火勢較大時候采用高壓水槍滅火。

此外，要充分利用云臺對滅火機(jī)器人滅火角度和視頻拍攝角度進(jìn)行改變，達(dá)到精準(zhǔn)滅火和精準(zhǔn)拍攝的目的。

2 立體化倉庫滅火機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 滅火機(jī)器人軟件總體設(shè)計

滅火機(jī)器人軟件系統(tǒng)主要包括機(jī)器人運動策略部分和PC端上位機(jī)設(shè)計。運動策略主要是對運動算法優(yōu)化，上位機(jī)則有著友好的人機(jī)交互。

2.2 運動策略控制

滅火機(jī)器人采用智能PID運動算法，與一般普通PID閉環(huán)算法不同的是智能PID算法通過遺傳算法[3]對PID中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過實踐得到KP、KI、KD超調(diào)量明顯減少，對于外界干擾的魯棒性更強(qiáng)且實際控制更加精準(zhǔn)。其傳遞函為：

2.3 上位機(jī)制作

滅火機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制采要采用上位機(jī)來發(fā)送指令，本文在上位機(jī)的編寫上采用的是Labview。

Labview是由美國國家儀器公司開發(fā)的編程環(huán)境[4]。最具特點的是其不是用匯編、c語言等基礎(chǔ)語言，它采用的是圖形化的編程語言。與傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境相比，Labview具有，功能強(qiáng)大、高效、操作界面簡潔、開發(fā)簡便等優(yōu)勢。實際使用表明上位機(jī)能很好的實現(xiàn)控制人員和滅火機(jī)器人交互。

3 結(jié)束語

本文對立體化倉庫機(jī)器人的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)設(shè)計做了較為詳實的介紹，硬件方面云臺和多傳感器的使用是一大特色。軟件方面利用遺傳算法對PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化實現(xiàn)了很好的控制效果。利用Labview編寫的上位機(jī)程序能夠?qū)崿F(xiàn)友好的人機(jī)交互。

隨著社會的發(fā)展和科技的長足進(jìn)步越來越多的工作將由機(jī)器人來完成，同樣對于滅火這種高危工作機(jī)器人肯定會得到更多的應(yīng)用。

［1］李曉寧，李曉峰.互動機(jī)器人的研究[J].長春師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2010（3）:36-37.

［2］寧再望．消防機(jī)器人技術(shù)在滅火救援中的設(shè)計分析[J]．?dāng)?shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（5）．

［3］陳敏，譚思云，黃玉清．遺傳算法在PID參數(shù)整定中的應(yīng)用[J]．儀表技術(shù)，2010（5）:49-52．

［4］孫麗萍．虛擬儀器在動平衡測試中的應(yīng)用[J]．科技風(fēng)，2010（6）:267-268．

［責(zé)任編輯：田吉捷］