一種用于高層建筑火災(zāi)的消防機(jī)械臂系統(tǒng)研究

摘要：本文旨在研究和開發(fā)一種新型機(jī)械臂，專門用于高層建筑的火災(zāi)救援。考慮到高層建筑火災(zāi)的特殊性和救援難度，該機(jī)械臂設(shè)計(jì)致力于提高滅火效率和確保人員安全。研究團(tuán)隊(duì)采用了多學(xué)科交叉的研究方法，結(jié)合機(jī)械工程、火災(zāi)動(dòng)力學(xué)與控制理論，開發(fā)出符合高層建筑需求的機(jī)械臂。該機(jī)械臂設(shè)計(jì)包括靈活的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)以及先進(jìn)的控制系統(tǒng)。此外，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)地測(cè)試，驗(yàn)證了機(jī)械臂的操作性能和滅火效果。

關(guān)鍵詞：高層建筑；火災(zāi)消防；機(jī)械臂；控制系統(tǒng)

引言

隨著城市化進(jìn)程加速，高層建筑增多，帶來(lái)了火災(zāi)安全隱患。傳統(tǒng)的消防手段如消防車和梯子受限于高度和建筑結(jié)構(gòu)，難以有效救援，因此需創(chuàng)新技術(shù)[1]。近年來(lái)，機(jī)械臂憑借高精度、靈活性和耐熱性，在工業(yè)、醫(yī)療和服務(wù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，顯示出在復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的潛力。將機(jī)械臂用于高層建筑火災(zāi)救援可彌補(bǔ)傳統(tǒng)手段不足，提高效率和安全性[2]。本文探討一種用于高層建筑火災(zāi)救援的機(jī)械臂設(shè)計(jì)與應(yīng)用，分析火災(zāi)特點(diǎn)及現(xiàn)有救援手段的局限性，提出創(chuàng)新機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合先進(jìn)傳感器技術(shù)和智能控制算法，實(shí)現(xiàn)高效救援。

一、機(jī)械臂模型的建立

本文提出的機(jī)械臂包含五個(gè)模塊、九個(gè)零件，主要分為底座、大臂、小臂、執(zhí)行臂和機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊。底座是由兩個(gè)連接片組成，下部分與墻體相連，上部分作為底座與大臂相連的關(guān)節(jié)，兩部分上下連接，形成機(jī)械臂底座平臺(tái)，見(jiàn)圖1。

底座是消防機(jī)械臂與高層建筑的連接模塊，設(shè)計(jì)為大面積四邊形以保證穩(wěn)固性。關(guān)節(jié)1連接底座和大臂，配有轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。大臂中空設(shè)計(jì)，減輕重量并可用做電氣走線通道。小臂控制水槍方向和噴水角度，通過(guò)電機(jī)或液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。小臂彎曲和伸直可移動(dòng)執(zhí)行臂至不同位置，執(zhí)行臂配有噴嘴和紅外火源檢測(cè)，用于噴射滅火劑。機(jī)械臂的靈活控制，確保在復(fù)雜環(huán)境中高效滅火。

二、機(jī)械臂工作空間求解

（一）機(jī)械臂仿真模型的建立

在MATLAB的仿真環(huán)境中，可以使用Robotics Toolbox構(gòu)建機(jī)械臂模型，構(gòu)建模型前需要先確定相關(guān)的D-H參數(shù)和連桿尺寸參數(shù)等數(shù)據(jù)[3]。通過(guò)代碼生成隨機(jī)機(jī)器人位姿，并將其繪制在三維空間中。通過(guò)這種方法確定了機(jī)器臂的工作空間，確定可以被覆蓋的區(qū)域以及無(wú)法被覆蓋的區(qū)域，有助于后期對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理規(guī)劃其路徑[4]，見(jiàn)圖2。

（二）機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

利用機(jī)器人工具箱對(duì)機(jī)械臂正向運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行仿真。假設(shè)機(jī)械臂可達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)B，通過(guò)控制系統(tǒng)將末端從初始點(diǎn)A移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)B。創(chuàng)建時(shí)間向量，限定移動(dòng)時(shí)間為2秒，采樣間隔為50ms，使用Robot Toolbox的plot（）函數(shù)模擬機(jī)械臂從初始位置到目標(biāo)位置的過(guò)程，觀察各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，繪制機(jī)械臂各關(guān)節(jié)角位移和末端位移曲線圖[5-6]。

圖3展示了機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)的軌跡，表明該機(jī)械臂能夠完成預(yù)期的動(dòng)作。圖4（b）給出了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)各關(guān)節(jié)的速度曲線。機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的速度曲線呈余弦形狀，表明加速度連續(xù)，沒(méi)有突然變化或運(yùn)動(dòng)沖擊。圖4（c）反映了機(jī)械臂各關(guān)節(jié)加速度隨時(shí)間變化平滑，三個(gè)關(guān)節(jié)的角位移、角速度和角加速度也隨著運(yùn)動(dòng)逐漸平緩。由此得出結(jié)論：在進(jìn)行滅火作業(yè)時(shí)，機(jī)械臂各部件運(yùn)行平穩(wěn)。

三、主控芯片單元及其外圍電路

室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)以STM32F103C8芯片作為主控，控制各外圍電路模塊組成硬件電路板。外圍電路包括無(wú)線通信模塊、煙霧傳感模塊、溫度傳感模塊、OLED顯示模塊和信號(hào)傳輸模式切換按鍵模塊。

（一）主控芯片單元

STM32F103C8芯片是以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的微控制器，其內(nèi)部集成了閃存存儲(chǔ)器、SRAM存儲(chǔ)器、時(shí)鐘和定時(shí)器、通用輸入輸出端口、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器、串口通信接口等功能模塊，支持多種外部設(shè)備的接口，如SPI、I2C和USART等。

（二）ZigBee串口通信電路

DL-20無(wú)線串口模塊基于ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)串口到24G無(wú)線傳輸，用于中遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸[7]。該模塊可將高層建筑中的多個(gè)室內(nèi)監(jiān)控設(shè)備連接，構(gòu)建局域網(wǎng)，便于設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸和通信[8-9]。

（三）傳感器

為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控建筑內(nèi)部可燃?xì)怏w和煙霧濃度，選擇使用MQ-2煙霧傳感器，若室內(nèi)煙霧濃度升高，則傳感器內(nèi)電位器阻值增大，傳感器內(nèi)部電平變化，輸出端輸出高電平，使D1導(dǎo)通變亮，否則D1保持暗。MQ-2煙霧傳感器的GND引腳接電路板GND，VCC引腳接電路板VCC，DO引腳接電路板P00。

本系統(tǒng)使用DHT11溫濕度傳感器，該傳感器在輸出數(shù)字信號(hào)前已進(jìn)行內(nèi)部信號(hào)校準(zhǔn)，確保高可靠性和穩(wěn)定性。DHT11采用單線制串行接口，適合短距離無(wú)線通信，便于信息處理。將DHT11的GND引腳接電路板GND，VCC引腳接電路板VCC，DATA引腳接電路板P01[10]。

（四）顯示模塊

主機(jī)顯示模塊選用096寸128×64OLED屏幕，集成SSD1306驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)SPI接口與ARM主控芯片連接。顯示模塊的整體體積較小、設(shè)備功耗低，適合嵌入式設(shè)備。系統(tǒng)采用33V電壓供電，主控芯片通過(guò)SPI接口連接OLED顯示模塊。

四、紅外熱成像測(cè)溫系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)思路

紅外熱成像模塊包括熱成像傳感器控制、熱成像顯示和報(bào)警蜂鳴器模塊。系統(tǒng)采用MLX90640高精度紅外溫度傳感器獲取物體和環(huán)境溫度信息，通過(guò)有線連接傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)控制中心收到火情警報(bào)后，指令機(jī)械臂控制模塊帶動(dòng)熱成像傳感器進(jìn)行火源檢測(cè)，若檢測(cè)到火情，激活蜂鳴器并執(zhí)行滅火行動(dòng)[11-12]。

（二）控制中心及紅外檢測(cè)模塊電路

為了便于系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，系控制中心及紅外檢測(cè)模塊使用STM32F405RCT6芯片控制各外圍電路模塊接口組成硬件電路板。控制中心及紅外檢測(cè)模塊外圍電路分別搭載ZigBee無(wú)線通信模塊、紅外傳感器檢測(cè)模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊、OLED顯示模塊、機(jī)械臂控制模塊。

主機(jī)采用STM32F030C8T6ARM芯片作為主控芯片，其任務(wù)是采集、傳輸和顯示傳感器的信號(hào)數(shù)據(jù)。此外，它還負(fù)責(zé)向控制中心報(bào)告?zhèn)鞲衅餍畔?shù)據(jù)，并在接收到火情警報(bào)時(shí)控制機(jī)械臂進(jìn)行消防行動(dòng)。此外，該芯片還會(huì)將采集到的傳感器數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的警報(bào)閾值進(jìn)行比較，并執(zhí)行操作來(lái)驅(qū)動(dòng)外圍電路。

本系統(tǒng)選用的是MLX90640紅外溫度傳感器，其工作原理為：內(nèi)置一個(gè)32×24像素的紅外熱電堆陣列，每個(gè)像素點(diǎn)感知物體發(fā)射的紅外輻射強(qiáng)度，并通過(guò)內(nèi)部算法將其轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)。傳感器通過(guò)I2C接口將這些溫度數(shù)據(jù)傳輸給外部設(shè)備，從而生成物體表面的熱成像圖。在接收到紅外溫度信號(hào)后，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大和數(shù)模轉(zhuǎn)換處理，得到放大100倍的十六進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。外部MCU通過(guò)I2C讀取EEPROM中的溫度校準(zhǔn)參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后保存在RAM中，再通過(guò)I2C讀取RAM中的十六進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)。

在MLX90640連接電路中，使用供電端3V3、接地GND、時(shí)鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA。供電電壓為33V，電路采用兩個(gè)15K上拉電阻連接電源，使總線空閑時(shí)SDA和SCL為高電平。MLX90640的SDA和SCL接口與STM32F405RCT6的15和16引腳相連，通過(guò)控制器的SDA和SCL電平變化實(shí)現(xiàn)I2C數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)紅外檢測(cè)模塊探測(cè)到火源時(shí)，蜂鳴器報(bào)警模塊會(huì)被觸發(fā)。該模塊由兩個(gè)10K電阻、S8050三極管和蜂鳴器組成，并使用5V電壓供電。ARM主控芯片通過(guò)IO端口控制三極管的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)蜂鳴器的通斷控制。三極管的基極通過(guò)10K電阻與ARM主控芯片相連。當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，電流通過(guò)蜂鳴器使其發(fā)聲；當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止工作，見(jiàn)圖7。

（三）紅外檢測(cè)模塊硬件電路調(diào)試

MLX90640溫度采集模塊的目的是驗(yàn)證其能否快速、精確地采集溫度數(shù)據(jù)。調(diào)試過(guò)程中，首先需要初始化MLX90640的IO口和IC配置，依次測(cè)試讀寫函數(shù)。通過(guò)HAL_I2C_Mem_Read（）函數(shù)讀取EEPROM數(shù)據(jù)，并與數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行對(duì)比，以確認(rèn)數(shù)據(jù)一致性。在測(cè)試寫函數(shù)時(shí)，首先讀取[0x800D]控制寄存器的值，保存與刷新率相關(guān)的配置位，再使用HAL_I2C_Mem_Write（）函數(shù)將刷新率配置為4Hz（默認(rèn)值為2Hz）。再讀取控制寄存器，確認(rèn)刷新率變?yōu)?Hz。完成讀寫函數(shù)測(cè)試后，運(yùn)行MLX90640子程序，通過(guò)串口接收溫度數(shù)據(jù)驗(yàn)證模塊可靠性。

室外監(jiān)控模塊程序設(shè)計(jì)包括獲取紅外熱成像數(shù)據(jù)、預(yù)處理圖像、計(jì)算并顯示溫度分布。為了確保系統(tǒng)的可靠性和即時(shí)性，引入了結(jié)合環(huán)境參數(shù)的數(shù)值概率算法。主函數(shù)的初始化步驟包括GPIO端口、系統(tǒng)時(shí)鐘、中端系統(tǒng)、I2C總線和USART串口的配置。功能模塊的子程序涵蓋了MLX90640溫度采集、LCD顯示和蜂鳴器報(bào)警功能。

五、系統(tǒng)測(cè)試

（一）驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

基于高層建筑體積大、人流量大、功能復(fù)雜以及撲救和疏散困難的特點(diǎn)，為保證火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和功能實(shí)現(xiàn)，模擬高層建筑環(huán)境，全面測(cè)試系統(tǒng)各模塊功能，包括模塊測(cè)試和整體系統(tǒng)測(cè)試。

系統(tǒng)測(cè)試在模擬環(huán)境內(nèi)進(jìn)行，燃燒盆中放置棉被、木制品、酒精等燃燒物，傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在房間正中上方，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

在環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，傳感器采集到環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)后，根據(jù)已建好的概率判決數(shù)學(xué)模型分析，在達(dá)到發(fā)生火災(zāi)的參數(shù)閾值后進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警。室內(nèi)監(jiān)測(cè)模塊將環(huán)境信息實(shí)時(shí)傳輸至控制中心，同時(shí)將搜集到火災(zāi)報(bào)警信息呈現(xiàn)在監(jiān)控界面上。

（二）系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

將室內(nèi)火災(zāi)監(jiān)測(cè)模塊置于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，并在外部模擬布設(shè)高層建筑機(jī)械臂紅外模塊和控制系統(tǒng)。模擬一個(gè)4m×3m×24m的封閉房間，進(jìn)行木材、廢紙、棉被、酒精的燃燒實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)應(yīng)家具、圖書館、臥室和實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)。通過(guò)模擬火災(zāi)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的整體性能，包括各模塊協(xié)同、優(yōu)先級(jí)順序和ZigBee無(wú)線信息實(shí)時(shí)傳輸能力。

木材燃燒模擬室內(nèi)火災(zāi)，如住房和圖書館。在前期，燃燒產(chǎn)生大量煙霧和一氧化碳，溫度逐漸升高并趨于平穩(wěn)；中期，溫度繼續(xù)升高；后期，燃燒物減少，煙霧增多。

在模擬臥室火災(zāi)的實(shí)驗(yàn)中，使用了由50%棉和50%聚酯纖維組成的材料進(jìn)行燃燒。實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了大量煙霧，溫度在迅速升高后逐漸下降。

在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用了98%的酒精作為燃料。燃燒過(guò)程中迅速釋放大量熱能，溫度上升，并產(chǎn)生淡藍(lán)色火焰。由于酒精火焰的電磁波不在檢測(cè)范圍內(nèi)，紅外火焰?zhèn)鞲衅魑闯霈F(xiàn)明顯波動(dòng)。雖然幾乎沒(méi)有煙霧產(chǎn)生，但在燃燒至20秒時(shí)，MQ-2傳感器檢測(cè)到了酒精不完全燃燒釋放的有毒氣體，導(dǎo)致煙霧值急劇上升。整個(gè)過(guò)程中，CO值無(wú)明顯變化。

記錄各模擬實(shí)驗(yàn)蜂鳴器報(bào)警響應(yīng)時(shí)間，顯示三個(gè)實(shí)驗(yàn)的平均響應(yīng)時(shí)間分別為172秒、168秒、152秒，可以滿足系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

結(jié)語(yǔ)

基于STM32為核心，使用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，搭建了包含溫濕度傳感器、煙霧傳感器等在內(nèi)的多傳感器硬件系統(tǒng)。通過(guò)結(jié)合數(shù)值概率算法與多傳感器融合，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境火災(zāi)因子數(shù)據(jù)的采集。采用D-H方法建立機(jī)械臂的連桿坐標(biāo)系，并使用MATLAB進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和軌跡規(guī)劃，獲得各關(guān)節(jié)及末端的位置、速度、加速度曲線，從而驗(yàn)證機(jī)械臂連桿參數(shù)設(shè)定的合理性和準(zhǔn)確性。

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作者簡(jiǎn)介：唐炯（2000— ），男，漢族，安徽宣城人，碩士研究生，研究方向：應(yīng)急救援裝備及機(jī)構(gòu)學(xué)。