智能消防偵查機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

甘劍冰，韋家成，匡 文

（江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州341000）

當(dāng)今世界科技不斷發(fā)展，各種建筑、石化企業(yè)、倉(cāng)庫(kù)不斷增多，可燃性有毒性化學(xué)物質(zhì)引起的火災(zāi)事故逐年增加。此類火災(zāi)的內(nèi)部情況也及其復(fù)雜，如果消防員貿(mào)然進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，這對(duì)消防員戰(zhàn)士的生命安全埋下了很大的隱患[1]。消防員對(duì)火場(chǎng)情況一無所知，也無法向上級(jí)反應(yīng)火災(zāi)的情況[2]。為了減少此類悲劇發(fā)生，設(shè)計(jì)一款可以輔助消防員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部，提前勘測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的情況并將現(xiàn)場(chǎng)情況反饋給指揮中心的智能消防偵查機(jī)器人[3]，對(duì)保障消防員的生命安全以及有針對(duì)性的科學(xué)的滅火有著重要的意義。

1 系統(tǒng)概述

本文設(shè)計(jì)并制作了一套消防偵查機(jī)器人控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)溫度、氣體濃度和現(xiàn)場(chǎng)圖像，機(jī)器人能夠完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、停止、避障等基本運(yùn)動(dòng)，還能夠順利完成越障、爬坡等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)[4]。整個(gè)系統(tǒng)主要由機(jī)器人車載系統(tǒng)、后方指揮系統(tǒng)以及系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)三部分組成。車載系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、傳感檢測(cè)系統(tǒng)和嵌入式網(wǎng)關(guān)平臺(tái)系統(tǒng)組成。機(jī)器人可以通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與后方指揮系統(tǒng)通信。后方指揮系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程控制機(jī)器人及相關(guān)設(shè)備，對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行移動(dòng)偵查[5]。系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人硬件系統(tǒng)采用STM32F407 為主控芯片。硬件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、最小系統(tǒng)、報(bào)警指路模塊、運(yùn)動(dòng)模塊構(gòu)成[6]。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由以下三部分組成：①火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集通過氣體濃度傳感器、溫度傳感器以及網(wǎng)絡(luò)攝像頭實(shí)現(xiàn)[8]。單片機(jī)通過A/D 通道采集電壓計(jì)算得到氣體濃度。溫度傳感器通過總線向單片機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)溫度值。網(wǎng)絡(luò)攝像頭與PC 端處于同一局域網(wǎng)，可以通過攝像頭ⅠP 地址實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)圖像。②測(cè)速部分通過霍爾編碼器器來實(shí)現(xiàn)。將編碼器與車輪的轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器會(huì)輸出A、B 兩相脈沖，通過計(jì)算脈沖數(shù)量與相位關(guān)系便可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并計(jì)算機(jī)器人行動(dòng)路程。③姿態(tài)解算部分通過MPU6050陀螺儀來實(shí)現(xiàn)。通過原始數(shù)據(jù)計(jì)算出機(jī)器人的姿態(tài)角。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.2 最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)由供電電路與STM32 最小系統(tǒng)板組成。供電電路主要為控制板與電機(jī)供電，STM32 是整個(gè)系統(tǒng)的核心。

2.3 運(yùn)動(dòng)模塊

運(yùn)動(dòng)模塊主要由以下兩部分組成：①電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；②接近傳感器主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走的避障功能。

2.4 報(bào)警指路模塊

報(bào)警指路模塊由以下兩部分組成：①LCD 液晶顯示屏利用STM32 內(nèi)部的FSMC 控制驅(qū)動(dòng)，它由液晶屏以及驅(qū)動(dòng)電路組成；②指路部分由機(jī)器人手臂和蜂鳴器組成，手臂由舵機(jī)控制。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電開始運(yùn)行主程序，然后初始化各模塊。連接上位機(jī)，等待上位機(jī)控制指令。然后啟動(dòng)溫度和一氧化碳濃度傳感器，并將獲得的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到上位機(jī)。同時(shí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)開始控制機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步偵察內(nèi)部的情況。如果遇到道路不通或者前方火勢(shì)過大不能前進(jìn)，則按照記憶的路線原路返回。系統(tǒng)整體程序設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

3.1 旋轉(zhuǎn)指定角度算法設(shè)計(jì)

在準(zhǔn)備轉(zhuǎn)向之前先記錄下當(dāng)前的角度，然后根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度，控制兩側(cè)電機(jī)一側(cè)正轉(zhuǎn)一側(cè)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，在轉(zhuǎn)彎的同時(shí)時(shí)刻查詢當(dāng)前的角度，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定角度的時(shí)候就控制電機(jī)剎車。機(jī)器人旋轉(zhuǎn)流程如圖3 所示。

圖2 系統(tǒng)整體程序設(shè)計(jì)流程圖

圖3 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)流程圖

3.2 機(jī)器人行動(dòng)路線記憶算法設(shè)計(jì)

機(jī)器人進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)后記錄其初始位置和初始姿態(tài)角度（以車身對(duì)稱軸為0°參考），隨后記錄下每次行動(dòng)時(shí)車頭的角度和運(yùn)動(dòng)的距離便可以得到機(jī)器人行動(dòng)的路線圖。定義一個(gè)二元數(shù)組，將機(jī)器人每段運(yùn)動(dòng)的車頭角度存進(jìn)第一個(gè)位置、行走距離存入第二個(gè)位置。以機(jī)器人每?jī)纱涡D(zhuǎn)位置為端點(diǎn)的線段為一段路。

4 上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)

后方指揮系統(tǒng)是對(duì)整個(gè)機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)控的中心也是機(jī)器人的指揮中心。最重要的是機(jī)器人偵察到的環(huán)境的信息將通過上位機(jī)顯示，完成人機(jī)交互。上位機(jī)與下位機(jī)采用SⅠM800C 無線傳輸模塊通信，該模塊采用2G 網(wǎng)絡(luò)通信受距離影響小[7]。采用LabVⅠEW 軟件編寫上位機(jī)，整個(gè)上位機(jī)軟件包括TPC 通道、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和圖像顯示等部分。上位機(jī)整體設(shè)計(jì)如圖4 所示。

5 實(shí)際測(cè)試與應(yīng)用

智能消防偵查機(jī)器人已經(jīng)制作成功。對(duì)機(jī)器人的功能進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測(cè)試分析。

5.1 行走路線記憶測(cè)試

機(jī)器人調(diào)速平滑，最快速度可達(dá)2 m/s，可以爬上比較陡峭的坡。在直行與旋轉(zhuǎn)的時(shí)候偏差較小，但是將兩數(shù)據(jù)結(jié)合成運(yùn)動(dòng)路線時(shí)由于存在累計(jì)誤差，當(dāng)行動(dòng)達(dá)到100 m 時(shí)路線會(huì)出現(xiàn)偏差。

圖4 上位機(jī)整體設(shè)計(jì)框圖

5.2 上位機(jī)管理軟件測(cè)試

通過測(cè)試上位機(jī)可以與下位機(jī)成功進(jìn)行通信，并且可以將檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)溫度和氣體情況顯示在電腦上，如圖5 所示。電腦也可以給機(jī)器人發(fā)送指令，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

圖5 上位機(jī)監(jiān)控界面

6 結(jié)論

本文基于STM32F407 平臺(tái)開發(fā)出一款智能消防偵查機(jī)器人。經(jīng)過測(cè)試其功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)用性強(qiáng)。該機(jī)器可以成功地進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行偵查，并將數(shù)據(jù)返回給上位機(jī)，大大地降低了火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的未知性，保證了消防員的安全。