基于北斗定位的智能山地防火機器人設計與分析

劉文昊

（青島黃海學院，山東 青島 266427）

火災是自然界三大災害之一，會給人們日常生產及生活帶來嚴重損失與傷害。2019年澳洲森林大火足足燃燒了4個月才得以撲滅，嚴重影響整個生態環境。及時發現火災并進行有效控制是緩解火災危害的有效辦法。因此，設計基于北斗定位的智能山地防火機器人，及時發現火災并進行滅火具有重要意義。基于北斗定位的智能山地防火機器人由電力及動力源、行走裝置、檢測裝置和滅火裝置組成。采用太陽能板及鋰電池結合的方式為機器人提供電力，并通過舵機轉換為動力；運用仿生學，設計六足行走器，可以快速在復雜的山地里行走、翻越障礙物、避險等；機器人搭載著對火源極其敏感的紅外復合型火焰傳感器，能夠在半徑25m 內及時發現火源，并調動滅火裝置，噴灑最適合撲滅森林火災的干粉進行有效滅火。機器人配置北斗衛星定位系統，通過程序控制進行巡邏，并實時反饋位置信息，便于監測。基于北斗定位的智能山地防火機器人能夠及時發現火災并進行有效控制，可以使火災消滅在萌芽中，降低火災損失、保護自然。

1 六足機械設計分析

山地防火機器人行走裝置運用仿生學技術設計六足行走裝置，正向對稱分布機械腿，可以實現快速有效地行走、攀爬、避障等功能。仿生六足運動行走常見的行走方式是三角步態，使三對機械腿分為兩組，用三角形結構支架交替往前行進。六條機械腿均勻分布在機器人軀體的兩側，使軀體左側的前、后機械腿及右側的中間機械腿為一組，使右側的前、后機械腿和左側的中間機械腿分為另一組，使之組成兩個三角形支架，依靠大腿前后劃動分別實現支撐和行走過程。機械腿的執行機構需要滿足山地防火機器人全地形、全方位空間的操作要求。山地消防機器人運動機構必要在保證山地防火機器人運動行走的過程中，在平穩的前提下，需要具有較好的承載力和較快移動速度。山地防火機器人各個腿的關節和膝節采用的是弧形結構。山地消防機器人六條機械腿均勻的分布在軀體周圍，這種設計可以減少運動過程中各個機械腿之間的互相干涉，使山地防火機器人行走運動過程中穩定性和安全性得到進一步提升。

1.1 機械腿運動學分析

驗證更好的機構設計的合理性，要通過對運動平臺進行運動學與動力學的分析。山地防火機器人行走過程中根據運動狀態的不同分為擺動腿和站立腿，擺動腿通過從山地防火消防機器人自有重量、構件強度以及負載能力的方向出發，山地消防機器人的材料為鋁合金，機器人總體重量大約為15kg，每條腿的重量大約為1.75kg。根據仿生機器人實際運動情況下設定每個關節的約束，山地防火機器人的機械腿與軀體和各個機械腿關節之間添加轉動副，并通過舵機驅動，根據在現實中遇到的不一樣地形條件來添加更合適的驅動函數。

1.2 運動仿真分析

山地防火機器人在消防作業過程中根據不同的地況來靈活運用相對的前進方式。在山地消防作業過程中，上坡、躲障、緊急避險是機器人應具備的基本功能。在行走過程中平穩性是檢驗機器人結構設計合理性的重要標準。在平整的路面前進時，山地防火機器人的腿部可以實現快速的移動。當遇到石塊時能穩定的抬升機體，從而越過石塊等物體。運動過程中根據機械腿部的變化從而產生不同的行走運動姿態和爬坡運動過程的仿真，此時機器人運動過程的穩定性最高。山地防火機器人在運動速度最快時的運動形態，山地防火機器人通過調節腿部關節，關節位置放低使軀干最低端距離地面最高，山地防火機器人的腿部機構最大程度得到伸展，身體軀干靠近地面，能在平坦路面快速移動。山地防火機器人在翻越隨機地形時的斜坡和陡坡運動過程中，根據相應的地形情況自動尋找合適的著力點，從而使山地防火機器人能更平穩、安全地地通過斜坡和陡坡。

山地防火機器人運動整體比較平穩，但在行走過程中的開始行走階段和上坡時每個腿關節所受力矩比較大，主要是在機體與腿相連的關節處。山地消防機器人在行走過程中關節力矩較大會對舵機造成一定的傷害。山地消防機器人的運動結構設計還需要進一步加強優化，從而為以后山地消防機器人火災的巡邏檢查、提前預警、積極撲救等工作研究奠定非常良好的前提基礎。

2 系統硬件設計

2.1 火焰傳感器

紅外復合型火焰傳感器是機器人專門用于搜尋火源的傳感器，利用紅紫外線對火焰非常敏感的特點，使用特制的紅紫外線接收管來檢測火焰，然后把火焰的亮度轉化電平信號進行反饋，因此，設計使用紅外復合型火焰傳感器對山地火源進行準確檢測。火焰傳感器識別與火焰燃燒中產生的紫外線和紅外線。

2.2 北斗定位系統

該項目機器人配置北斗衛星定位系統，通過定位及地形圖規劃巡邏路徑，設定控制程序進行運動路徑規劃，并實時反饋監測及位置信息。可實現全天候自動巡邏，提高監測效果，及時發現火源并進行有效控制。

3 機器人創新方式

3.1 復雜地形行走效率化

運用仿生學技術，使機器人的運動方式模仿蜘蛛類型的六條機械腿，可以快速行走方便發現火源，可以跨過障礙物，在山地里復雜地形穿梭。如果遇到坑洼地形，可以通過爪子翻轉實現機器人正常行走。

3.2 火源搜尋精確化

采取紅外復合型火焰傳感器，裝載在山地防火機器人兩端，通過傳感器里的紅紫外線準確監測火源，在檢測到火源后及時觸發滅火裝置，并反饋位置信息，通知消防局。

3.3 滅火方式多元化

以最適合森林滅火的干粉為主進行滅火，并采用水基滅火輔助干粉滅火。水基滅火器可以撲滅小型火源，干粉滅火器不僅能更好的撲滅中小型火災還便于攜帶，遇到大型火災則將水基和干粉進行結合滅火，并自動定位報警。

3.4 自動巡航智能化

利用北斗導航定位系統，獲得山體地形圖規劃巡邏路徑。通過人工設定程序行走路線，并實時反饋檢測和位置信息，可實現全天候自動巡邏，提高監測效果，及時發現火源并進行有效控制。

4 技術路線

山地防火機器人分四個路線。第一由六足機器人山地行走控制，基于六足機器人設計山地行走模塊，實現山地行走測試實地觀察效果。第二由于復雜的環境火源的尋找，選用紅紫外線等復合傳感器進行工作，能在戶外林地等復雜情況下觀察使用情況。第三判斷火源確定滅火方式，采用干粉為主，水基為輔的滅火方式。并人工模擬火災場景觀察滅火能力。第四可以野外復雜地形巡邏控制，實現山地無線信號傳輸，遠程導航山地地形圖，規劃巡邏路徑。通過人工設定程序行走路線。

5 結語

在全球變暖的今天，防火意識必須增強。隨著智能制造技術的發展，研究者們需要創造可以解決此類問題的智能機器人。人們也越來越需要機器人在人類到達不了的地方進行工作。智能機器人不僅可以發揮出他們的特點和能力，也可以減少各種損失。尤其在森林山地救火方面，必須第一時間考慮消防隊員生命安全的保護。據報道，近10年來森林火災人為原因占到97%，及時有效的發現火源是有效控制火災的關鍵。所以，發明能及時消防救火的智能機器人刻不容緩。對比世界消防機器人技術，我國這兩年突飛猛進，運用各種新材料、新技術，引領著消防智能機器人的發展方向。同時對我國通訊信息技術，大數據研究技術等學科領域的發展起到了積極的推動作用。