防爆型消防偵察機器人的研發(fā)與應用

郭亭亭　劉文濤　李希彬　池榮虎

摘要：當前每年火災及化學品等物質(zhì)的泄漏、燃燒、爆炸等事故給人民群眾的生命安全和財產(chǎn)造成了巨大損失。針對常規(guī)室內(nèi)結(jié)構(gòu)的機器人無法進入高危災害場所偵察現(xiàn)場的情況，設計了一種可替代工作人員進入復雜惡劣環(huán)境，并可對高危事故現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)實時偵察的防爆型消防偵察機器人，并對機器人進行了綜合試驗和典型應用場景驗證，證明了防爆型消防偵察機器人的有效性。

關(guān)鍵詞：特種機器人;消防偵察;履帶式移動平臺

1 防爆型消防偵察機器人研發(fā)背景

在發(fā)生火災、爆炸等事故后，消防人員在高危事故現(xiàn)場的救援和勘察過程中存在很多困難。比如，在面臨易燃易爆氣體、有毒有害氣體、高溫濃煙等災害情況時，由于缺少有效裝備及設施，救援人員若貿(mào)然采取行動必將給消防人員帶來很大危險。消防人員雖然可著防護設備進入火場，但需攜帶諸多探測設備對火場參數(shù)進行測量，給消防員造成沉重的體力負擔，甚至會阻礙消防人員在爆炸等緊急情況下的逃生[1]。

目前國內(nèi)偵察機器人主要針對室內(nèi)結(jié)構(gòu)性環(huán)境而設計，普通的輪式機器人無法適用于復雜的地面環(huán)境;常規(guī)的機器人因自身防護性能不足，極易在充滿易燃易爆氣體的場所點燃危險源，從而發(fā)生二次災害[2-3]。

2 防爆型消防偵察機器人的整體結(jié)構(gòu)設計與組成

針對上述需求，本文設計了適用于高危事故現(xiàn)場的防爆型消防偵察機器人，其機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該偵察機器人主要包括：履帶式移動底盤（本體、懸掛系統(tǒng)）、偵察組件（回轉(zhuǎn)云臺、攝像系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、環(huán)境探測傳感器組）、無線通信組件、避障測距組件、運動驅(qū)動組件。

電氣方面，該消防偵察機器人包括控制模塊、運動驅(qū)動模塊、參數(shù)采集模塊、避障導航模塊、通信模塊、電源管理模塊以及故障診斷模塊，電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

偵察機器人通過無線通信模塊與地面控制站進行實時通信并將機器人自身狀態(tài)參數(shù)、采集的環(huán)境參數(shù)信息實時回傳顯示，另外操縱人員還可通過地面控制站實時控制指揮機器人偵察作業(yè)。

3 防爆型消防偵察機器人核心關(guān)鍵技術(shù)研究

為使偵察機器人適用于復雜的惡劣環(huán)境中，機器人的技術(shù)指標如下：防爆等級為Exd（ib）Ⅱb+H2T6Gb，防水等級為IP67，整機重量≤500 kg，運行速度≥1.5 m/s，爬坡角度≥40°（可爬樓梯），攀爬臺階高度≥280 mm，續(xù)航能力≥4 h。

針對上述指標，本文對偵察機器人的動力學性能以及控制技術(shù)進行了研究。

3.1? ? 研究機器人動力學優(yōu)化技術(shù)，提高移動平臺爬坡越障性能

本文建立了復雜地面環(huán)境下防爆型消防偵察機器人的動力學模型，對消防偵察機器人的各類組件開展理論、受力仿真等研究，論證防爆型消防偵察機器人尤其是運動機械組件的結(jié)構(gòu)、位置等合理性，為消防偵察機器人在復雜地面環(huán)境下實現(xiàn)高性能爬坡越障提供機械組件力學的理論和設計依據(jù)。

通過建立復雜地面環(huán)境下防爆型消防偵察機器人的動力學模型的運動學模型，對消防偵察機器人的各類運動模式（如直行、轉(zhuǎn)彎等）開展理論、仿真研究，研究驅(qū)動組件和外部行走部件與地面交互作用等之間的作用力，為機器人在復雜地面環(huán)境下的高性能爬坡越障提供依據(jù)，也為目標驅(qū)動型防爆型消防偵察機器人算法研究提供平臺基礎(chǔ)。

3.2? ? 研究機器人自抗擾控制算法，提高機器人控制抗擾性能和控制精度

本文開展了基于目標驅(qū)動原則的控制算法研究，引入反饋機制，偵察機器人中的控制器首先進行地圖構(gòu)建，并確定機器人行走路線和目標點坐標位置。在該過程中，控制器實時通過避障及測距模塊等實現(xiàn)多傳感器融合并提取相關(guān)信息，將處理后的有效數(shù)據(jù)與慣性導航模塊融合，實現(xiàn)對消防偵察機器人的驅(qū)動，降低機器人對控制器實時驅(qū)動策略的依賴性。在目標驅(qū)動策略下，控制器通過自抗擾控制算法實現(xiàn)對左右兩個伺服驅(qū)動器的控制，將外部由于復雜地形變化導致的驅(qū)動器負載變化所引起的速度或位置擾動視為外繞進行實時補償控制，提高了消防偵察機器人目標驅(qū)動算法的抗干擾性、高效性和運動精準性，使消防偵察機器人不僅適用于復雜的非結(jié)構(gòu)地面環(huán)境，更適合需要對機器人位置或速度進行精準控制的場合。

4 防爆型消防偵察機器人樣機試驗驗證

偵察機器人設計主要經(jīng)過系統(tǒng)設計、各模塊研制和調(diào)試、算法研究，后經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)形成機器人試驗樣機。目前，機器人工作狀態(tài)和性能指標良好，已被部署于煙臺、威海消防中隊、萬華化學品廠等單位。防爆型消防偵察機器人實物圖如圖3所示。

5 結(jié)語

本文設計了一種適用于易燃易爆等高危場所的防爆型消防偵察機器人，可代替消防人員進入高危災害現(xiàn)場，并對機器人的高性能爬坡越障技術(shù)以及高精度抗擾動技術(shù)進行了深入研究，提高了非結(jié)構(gòu)復雜環(huán)境下機器人的全地形通過性、機動性、高可靠性。未來，防爆型消防偵察機器人將顯著提高消防偵察救援效率，可極大地降低人身和財產(chǎn)的損失。

[參考文獻]

[1] 劉琪.基層火災事故調(diào)查工作現(xiàn)狀與策略[J].消防界（電子版），2019（8）：35-36.

[2] 陳建斌.消防機器人在我國滅火救援中的應用現(xiàn)狀和前景分析[J].地球，2017（10）：98.

[3] 倪銀堂，呂迪洋，王振豪.消防機器人的研究現(xiàn)狀綜述與展望[J].自動化應用，2017（2）：28-29.

收稿日期：2020-03-06

作者簡介：郭亭亭（1990—），男，山東濟寧人，工程師，研究方向：機器人設計與智能控制。