一種多功能半自主遙操作的履帶式消防機器人控制系統設計

趙 琪，張 華，熊鵬文，尚志軍

（南昌大學江西省機器人與焊接自動化重點實驗室，江西 南昌 330031）

1 引言

近年來，火災、爆炸等安全事故頻發于工廠、倉庫、樓宇等地，給人們帶來巨大危害與損失。目前國內外已研制出用于核工業檢測，煤礦廠等有毒、易燃氣體場所探測，火場消防的移動機器人，但上述用于特定環境的機器人通常功能單一，控制策略陳舊，自動化程度低。隨著計算機科學以及智能控制技術的發展，智能機器人的實現已成為可能，各國都加快將智能控制技術應用于移動機器人的研制上[1]。由此設計了一種集火場氣體探測、無線遙控、自主避障、自我保護、消防等功能為一體的智能消防機器人。

消防機器人的工作環境往往存在很多障礙物，也可能存在有毒、易燃、腐蝕性的氣體、液體，而過去設計的消防機器人較多依靠可靠的機械結構，和人工遙控來實現機器人的避障、噴水和保護機器人[2]。針對此，本設計改進了傳統控制策略，設計思路是：將模糊控制應用于機器人的移動避障，在無人干預的情況下機器人自主移動并探測，還能根據環境情況，自動選擇噴灑水、干冰或泡沫等不同滅火劑，在環境過于復雜或其他必要情況時，又可切換成人工遙控模式。

2 控制系統組成

2.1 功能介紹

機器人主要功能：（1）實現移動平臺運動控制、水炮仰俯及橫擺控制，保證各部分電機的協同工作；（2）能夠實現溫度、超聲和氣體檢測等傳感器的信號采集與處理。探測火場內輻射熱、有毒及易燃氣體種類和濃度；（3）根據探測出的環境情況，選擇不同滅火劑進行滅火、冷卻、稀釋、隔離等消防操作；（4）通過無線圖傳將實時檢測到的圖像傳回控制臺，再通過無線數傳實現檢測數據的回傳，以及控制命令的發送；（5）本體具備安全保護功能，在易燃易爆環境中防火防爆，在高溫情況下本體灑水冷卻。

2.2 系統總體方案結構

整體的控制系統，如圖1所示.主要包括上位機和機器人本體，其中機器人本體包含：移動平臺、感測系統、水炮云臺、無線通訊模塊、保護機構等[3]。

圖1 總體系統方案結構圖Fig.1 Overall Scheme Structure Diagram of the System

3 機器人本體控制系統設計

機器人本體控制系統設計分為硬件設計、軟件與算法設計。嵌入式系統具有體積小、靈活性高、可靠性好的特點，便于多種接口通信，使其成為本設計首選。

3.1 硬件設計

機器人本體的控制器主板選用以STM32F407芯片為核心，通過I2C、SPI、USART、普通IO口等接口讀取各類傳感器，來獲得內外溫度、障礙物距離、氣體濃度、水炮水壓等信息；通過IO口發送控制信號給驅動器，以控制移動電機以及云臺、水炮的電機；通過USART與無線傳輸模塊相接，實現無線傳輸。電源部分，選用CH340G 芯片，將USB 接口轉換為異步串口，同時提供5V 電源，再通過線性穩壓芯片SPX5205M5-3.3，將5V電源降為紋波小于40uV的3.3V電壓，為單片機、傳感器和無線傳輸模塊供電[4]。無線傳輸部分，數傳模塊選用高性能LoRa擴頻芯片SX1276，采用高效的循環交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，LoRa擴頻技術配合吸盤式天線，能夠帶來更遠的通訊距離；圖傳模塊選用AOMWAY 5.8G 1W無線圖傳，32頻點接收帶DVR功能，與其相配合采用700線高清鏡頭，150°廣角。

為方便后續實驗驗證，我們制造了樣機，樣機內部硬件結構的俯視圖，如圖2所示。

圖2 樣機內部俯視圖Fig.2 Vertical View of the Prototype

3.2 軟件與算法設計

控制器主板的軟件編寫在Keil 5環境下，使用C語言編寫控制程序。系統控制程序的流程，如圖3所示。

圖3 系統控制流程圖Fig.3 Control Flow Chart of the System

系統在上電后，會根據指令選擇人工控制模式或者自動控制模式。人工控制模式就是把上位機作為操作臺，手動輸入各種指令，下發給本體控制器來控制各外部設備，上位機界面用Lab?view軟件編程，具有界面顯示和串口數據發送功能。自動控制模式是機器人本體自主前進、探測、避障、決策等，即傳感器采集各類信息，經過數據處理、參數計算后，得出控制指令，控制本體移動、水炮轉向或噴水、云臺升降，或實施保護措施、預警措施等[5]。其中數據處理采用了最小二乘法進行濾波和補償，避障采用模糊控制算法。

3.2.1 各部分軟件設計

包括傳感器讀取、數傳圖傳、電機控制、保護預警等。采用輪詢法依次讀取傳感器檢測的數據，依次讀取溫度值、車體各方向距離值、氣體濃度值、轉動角度值等，數據經過處理后，以數組形式保存在下位機內存中。傳感器數據與CCD相機采集的圖像分別用兩路通道進行無線傳輸。前方有障礙物時控制移動電機避障或者越障，車體溫度過高時控制水炮噴水冷卻。

3.2.2 數據處理

傳感器采集的數據總會與真實值存在誤差，這里采用了最小二乘法進行濾波和補償。為方便計算，本設計采用基于實際測量值的相對誤差最小進行處理，可以表示為：

測量值和實際值常為線性關系，其之間可以表示為：

相對誤差最小二乘法可以表示為：

式中：n—測量的次數。

3.2.3 參數計算

本體移動是設計的重點，下面主要介紹測距參數的計算。測距傳感器在探測障礙物距離時，若障礙物較大，可能會被多個傳感器檢測到，導致得出多個距離值，為確定所需的距離值，這里采用信息融合技術。選測得距離值最大的相鄰的兩個傳感器，設為A、B，假設這兩個模塊的超聲波被同一點O反射，建立坐標系，如圖4所示。

圖4 兩個超聲波模塊確定障礙物的位置Fig.4 Two Ultrasonic Modules Determine the Location of Obstacles

其中O點的坐標為（x，y），AO長為L1，BO長為L2，AB長為2a，通過數學關系可解得：

3.2.4 避障算法

模糊推理控制方法將人類思維融入系統控制之中，可以較好地滿足系統自適應性、魯棒性和實時性的要求，選擇模糊避障方式[6]。

模糊控制系統結構，如圖5所示。其中模糊控制器的建立是模糊控制算法的核心。

圖5 模糊控制系統結構圖Fig.5 Structure Diagram of Fuzzy Control System

其中輸入量主要是下位機處理后的每個超聲波采集到的距離信息，以及相應方位角度信息，輸出量為機器人轉動角度。將障礙物距離有效值設為0m到3m，定義障礙物的距離為近，中，遠三個等級，則模糊子集為{NEA，MID，FAR}，論域范圍為（0，3）。每兩個相鄰的超聲波模塊的質心垂直延長線相交成30°角，角度有效值為（-60～60）°，負數代表左，正數代表右，可將方向信息用模糊語言描述為{“左”，“偏左”，“中”，“偏右”，“右”}={LI，LL，ON，RR，RI}，論域為（-60，60）。輸出量用模糊語言描述為{“左大”，“左小”，“零”，“右小”，“右大”}={TLB，TLS，TZ，TRS，TRB}，論域為（-90，90）。綜合考慮論域的覆蓋程度、靈敏度、穩定性，以上模糊子集均選用三角形隸屬函數。模糊控制規則的建立是設計模糊控制的技術關鍵，其核心是把專家經驗或實驗數據加以總結，得出相應的控制規則，得到的控制規則，如表1所示。

表1 模糊控制規則表Tab.1 Fuzzy Control-Rule Table

4 上位機控制軟件設計

本控制系統使用LabVIEW作為上位機開發軟件，進行模塊化編程，編寫與現實儀器十分相似的用戶操作界面。利用該軟件實現遠程操作臺的功能，具備命令的發送，采集數據的顯示等，協助操作員進行控制與決策[7]。一個完整的LabVIEW 工程由前面板和后面板組成。前面板為主界面，類似于現實儀表的用戶操作界面，如圖6所示。

圖6 顯示界面設計Fig.6 Design of the Display Interface

命令欄中可以輸入多種控制指令，包括機器人工作模式的切換，切換到人工模式下，可以對各電機的發送控制指令，控制車體移動和轉向、水炮轉向和噴射，切換到自動模式下，可以不再輸入指令，車體將自動決策，兩種模式下都會顯示實時的溫度值、氣體濃度值和歷史變化曲線。后面板為程序圖，LabVIEW 采用圖形化編程語言—G語言，程序以框圖形式編寫，如圖7所示。

圖7 程序圖Fig.7 Program Map

程序首先是對數據傳送格式的選擇，然后經過數據的分析處理，得出輸出值，再判斷該值為指令或是采集的數據，最后發送至相應的端口。

5 實驗與結論

為驗證消防機器人的性能，我們在已制造的樣機上做了一系列的實驗，得出實驗數據，如下為樣機整體圖，如圖8所示。

圖8 樣機整體圖Fig.8 Diagram of the overall Prototype

（1）移動檢測：機器人在平地上直線行走時，最大速度可達1m/s，可原地轉向，當障礙物高度小于300mm時，可直接越過去，大于此高度，則選擇避障，最大爬坡角為30°，還可以越過深200mm，長400mm的溝壑。

（2）數傳與圖傳：室外圖像無線傳輸距離可達150m，且此距離范圍內信號波動很小，而數傳距離可以更遠；在模擬火場環境下，做了CO2、CO、H2S、CH4四種氣體的檢測，可以得到氣體濃度和變化趨勢，還測得溫度值及變化趨勢。

（3）水炮檢測：可人工遙控水炮噴射以及噴射方向，無人干預下會根據高溫情況自動噴射，也會自淋給車體降溫。

設計了一款新式的多功能半自主遙操作消防機器人，在傳統人工遙控機器人方式的基礎上，增加了自動模式，可以人工遙控機器人前進、水炮噴射，也可以讓其自主避障、自動噴灑滅火，同時具備環境檢測并上位機顯示功能。實驗證明整個系統方案切實可行，方便可靠易于維護，為制造智能消防機器人提供了設計思路和設計方法。