智能滅火防爆機器人控制技術的研究

西安思源學院 楊 燕 晏 成 屈曉昱

智能滅火防爆機器人控制技術的研究

西安思源學院 楊 燕 晏 成 屈曉昱

隨著機器人在各領域的發展，滅火防爆機器人在消防領域應用優勢也逐漸顯現。本文對滅火防爆機器人的工作原理進行了研究，提出了使用熱成像儀精確定位對火源點。并采用步進電機、齒輪傳動、履帶等實現機器人的避障和越障功能。提出了對燃燒物取樣和分析的解決方案。

機器人；滅火；防爆

二十一世紀以來，隨著智能化在國民經濟各領域的發展，智能機器人的發展也隨之取得了長足的進步。其發展趨勢主要顯現在兩個方面，一方面機器人在制造業應用的范圍越來越廣闊，其標準化、模塊化、網絡化和智能化的程度越來越高，功能也越來越強，并向著技術和裝備成套化的方向發展；另一方面，機器人向著非制造業應用以及微小型方向發展，如表演型機器人，服務型機器人，機器人玩具等。國內外研究機構正試圖將機器人應用于人類活動的各個領域。

在我國機器人主要應用于工業制造領域，我國工業機器人現在的總裝機量約為12萬臺，其中國產機器人占有量約為 1/3，即4萬多臺。與世界機器人總裝機臺數7500萬臺相比，中國總裝機量僅占萬分之十六。對中國這樣一個擁有13億人口的大國來說，僅在機器人數量上就和發達國家有著很明顯的差距。因此大力發展我國的機器人事業刻不容緩。

滅火防爆機器人作為特種機器人的一種，隨著社會經濟的迅猛發展而出現的。目前主要用于化學危險品和放射性物質泄漏以及燃燒、爆炸、坍塌的事故現場。這些現場一旦發生災害事故，消防員面對高溫、黑暗、有毒和濃煙等危害環境時，若沒有相應的設備貿然沖進現場，不僅不能完成任務，還會徒增人員傷亡。滅火防爆機器人能代替消防救援人員進入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險災害事故現場進行數據采集、處理、反饋。滅火防爆機器人的出現無疑可以輔助消防員及時獲得現場信息，甚至實現自動滅火。其在滅火和搶險救援中發揮了舉足輕重的作用。

一、滅火防爆機器人的總體設計方案

滅火防爆機器人由七大部分構成，包括熱成像儀、紅外攝像儀、3D激光掃描儀、燃燒物分析儀、傳動機構、主控機構和GPS定位系統。實物見圖1。

圖1　滅火防爆機器人

滅火防爆機器人，采用多參數分析系統。利用熱成像儀對火災現場進行分析，確定火源位置，發送指令控制給滅火機器人，機器人選擇相應的滅火工具進行滅火。紅外攝像儀還可以實時傳輸現場圖像，3D空間掃描儀能夠及時查看火災現場的空間地形情況。由于火災現場情況復雜，機器人還配備了氣體、固體、液體的取樣設備，可以及時進行燃燒物的取樣和分析。該系統可以實時反饋現場的數據，對現場的數據進行采集、處理和響應，現場指揮人員可以根據其反饋結果，及時對火災作出科學判斷，并對火災事故現場工作做出正確、合理的決策。機器人配備了液體滅火裝置，可以進行高壓和水霧的多種滅火方式。

二、機器人各部分功能介紹

紅外熱成像儀是一門使用光電設備來檢測和測量輻射并在輻射與表面溫度之間建立相互聯系的科學。輻射是指輻射能（電磁波）在沒有直接傳導媒體的情況下移動時發生的熱量移動。通過熱成像圖分析，可以判斷出物體的物體等情況，從而確定出，火災現場的火勢情況，確定出火源位置，滅火機器人對指定方位進行滅火。

紅外攝像儀實時傳輸現場圖像，3D激光掃描儀采用三維數據，提供火災現場的地形，使得消防員更好的了解現場情況。

熱成像儀，紅外攝像儀，3D激光掃描儀的結合更好的成為機器人的眼睛，取得火災現場的實時情況。設備將安裝在電動云臺上，遠程可以控制其轉動以及移動的方向。

燃燒物分析儀可以對氣態、液態和固態燃燒物進行分析，在復雜的火災現場，確定燃燒物類型，以及了解燃燒物情況，才能更好的采取滅火措施，并有針對性的選擇滅火材料和滅火方式。滅火方式有高壓和水霧等多種選擇方式。

傳動機構采用步進電機、齒輪傳動、履帶、液壓等實現機器人的工作。機器人具有蔽障和越障功能。配有機械臂實現簡單清理障礙。運動方式使用履帶，具備良好的通過性。運動方式使用履帶可以實現上樓梯，越障等功能，更好的適應在復雜情況下的使用。

主控機構采用人機合作實現半智能（自主運行）/操控（遠程圖傳遙控）的功能。

機器人的信息傳輸使用2.4G、GPS定位。現場進行數據采集、處理、反饋，有效地解決消防人員在上述場所面臨的人身安全、數據信息采集不足等問題。現場指揮人員可以根據其反饋結果，及時對災情作出科學判斷，并對災害事故現場工作作出正確、合理的決策。

三、硬件設計方案

系統采用STC89C52單片機作為核心控制單元用于系統的控制,小車車頭裝有2個紅外光電傳感器用來避障。熱成像儀將火源轉化成電信號，用于尋找火源。系統總體的設計方框圖如圖2所示。

圖2　系統硬件設計方框圖

系統硬件原理圖如圖3所示，分為電源模塊、單片機CPU、滅火模塊、電機驅動模塊、顯示模塊、避障模塊和接口電路等。

圖3　系統硬件設計原理圖

四、結論

通過對滅火、防爆機器人的研究，可以使機器人到達一些人類不宜到達的場合，來進行火災燃燒物的分析，和精確定位火源。機器人的避障，清障功能能更有力的解決目前消防中的難題。

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2015年國家級大學生創新創業訓練項目編號：201513121814。

楊燕（1971-），女，陜西人，碩士，高級工程師，西安思源學院工學院教學副院長。