智能灭火机器人的设计及制作研究

王 瑞

(宁波大学，浙江 宁波 315000）

0 引言

近年来，随着建筑物的高度以及复杂程度的不断提高，对高层建筑内的消防工作提出了巨大的挑战，一旦发生火情就会迅速蔓延，并且很难快速实施有效的救助措施。例如在高层建筑物发生火情时，消防官兵无法在极短的时间内达到火灾现场进行处置，加之高层建筑的环境极其复杂，处于地下的建筑物同样会由于潮湿的环境影响浓烟的扩散，给消防救援带来巨大的困难；在处置化学物品的火情时更是给消防人员的生命安全带来了巨大的安全隐患，极易导致消防人员的中毒。因此，为了更好的解决目前消防救援中面临的问题，需要更多的研制具有较高智能程度的机器人，以更好的协助消防人员对火情进行控制，并且为被困人员的救治提供良好的导向。作为人工智能的一种，机器智能主要是通过计算机模拟的方式实现机器对人类动作的模拟，智能机器人的研究大大的降低了一线工作人员的劳动强度和生产中的危险性，在很大程度上推动了人类经济社会的发展和进步。作为智能化的机器人，需要满足以下基本的功能：一是机器人的动作机构与人类的某些器官在功能上具有较高的相似性，同时机器人的需要具有较高的通用性，即程序具有较高的灵活性；二是机器人还需要具备一定的记忆、感知以及学习的能力，真正的体现出人类智能化的特点；三是机器人在进行工作时需要具有较强的独立性，即无需人员的跟进就可以完成预先设置的功能。实现以上这些功能首先要解决以下几个方面的问题。

首先，对智能机器人路径的规划和具体实施。在对火情的侦查过程中，机器人需要对发生火灾附近的路径进行巡视，并且能够保证在整个巡视的过程中机器人的安全性。因此机器人首先需要解决的就是行走的问题，即侦查路线的选择。主要有以下三个方面的要求：一是路线的设计需要具有全局观念。在对机器人侦查路线的指定过程中，需要根据实际的情况制定不同的路径策略，以供机器人更好的对路径周边的信息进行侦查；二是机器人要能够确定自身的位置，并且通过原先设置的路径对周围的环境进行侦查，以及相关指令的执行；三是机器人必须能够对行进过程中的障碍物进行识别。在智能灭火机器人上会安装传感器对机器人周围的物体进行探测机器人必须能够根据传感器的信息对障碍物进行准确的判断，并且根据障碍物的实际判断信息确定翻越障碍物的策略。

其次，对火源位置的判断的准确定位。智能机器人在消防中的主要应用是对火灾现场进行准确的侦查，并且发回准确的数据信息以供消防人员制定火灾处置的具体方案，因此确定火源的位置成为一个关键性的因素。智能机器人需要根据行进过程中传感器的数据信息对火源的位置做出准确的判断，并且进一步采集更多的详细信息，为火灾的处置提供重要的参考。

三是智能灭火机器人能够实现灭火的功能。在机器人准确的判断和定位火源以后，需要机器人启动相关的灭火装置，并且在将火源熄灭后撤离火灾现场。

1 灭火机器人的系统结构设计

智能灭火机器人的系统结构设计主要包括传感器、控制器、驱动电路以及电源的设计。

（1）传感器设计。传感器是智能灭火机器人设计中一个至关重要的环节，它通过对周围的环境进行感知，可以获取到周围环境中的数据信息，其功能的实现类似人类的感知器官，智能灭火机器人中主要包括红外测距传感器、火焰传感器。第一，红外测距传感器是智能灭火机器人中的关键部件，是智能灭火机器人的“眼睛”，它能够帮助智能灭火机器人顺利的通过障碍物，并且能够通过超声波测距等手段对具体的距离信息进行感知，从而进一步提升智能灭火机器人的智能化水平。在该设计中，利用夏普公司的GP2D12测距传感器实现对于机器人周围物体距离的探测，并且将数据转化为电压信号，通过发送一定电压值的脉冲信号，并且获得反射回来的脉冲信息对周围的障碍物信息进行判断，然后通过预先设置的计算方式得到传感器与障碍物之间的距离。第二，红外火焰传感器。红外火焰传感器主要是对火灾现场的火源进行判断和定位，然后通过距离传感器确定智能灭火机器人达到火源的路径，并且在达到以后对火源展开灭火操作。然后进一步通过红外火焰传感器确定火源是否已经被成功熄灭，因此火焰传感器的选取是智能机器人设计中的关键环节，直接影响着智能机器人的灭火效果。在该设计中采用是的红外式的火焰传感器，其每个单元都有两个并行的红外接收管实现，工作原理是接收到的光线越强其读取的数值越大，并且具有较高的精度，可以实现对于火灾附近火源位置的精确定位。在实际设计过程中，通过7个红外传感器组成一个传感器组，以实现对于火灾现象的全方位探测。

（2）控制器设计。在该设计中主要通过ARM9实现对于智能灭火机器人的复杂控制，与传统的处理器相比，ARM9具有更快的代码执行速度和体积小、成本低、稳定性好等特点。所涉及的嵌入式系统采用的是28路的模拟信号通道，以更好的实现与各个传感器的连接。其中的8路可以实现对于采集信息的50万次/秒的采集，同时可以很好的完成数据的后期处理任务，其他的20路通道则可以实现10000次/秒的采集速率。

（3）驱动电路部分。在智能灭火机器人的设计中，还包括用于机器人行走的直流电机以及用于灭火的相关驱动电机。在智能灭火机器人的设计中，考虑到实际应用中的场景，需要使得机器人在能够准确避开障碍物的前提下尽量提高其移动的速度，因此就需要增大直流电机的功率。与普通的异步电机相比，直流电机具有更大的转矩和运行范围，并且没有自转现象。因此在实际应用中需要采用具有较大功率和灵敏度的直流电机。在该设计中选取的是16.8V的直流电源，其电流为20A，具有较大的扭力，可以满足智能灭火机器人快速行进的需要。同时由于选择的电机具有较大的功率，而且需要实现双臂的变速可调运动，因此通过一种半桥组合式电力管来实现对于直流电机的控制。在智能灭火机器人的直流电机设计中，还需要设计专门的灭火用直流电机，其主要通过主板上的端口实现驱动。

（4）电源设计。在智能灭火机器人的电源设计中，需要充分考虑到对机器人的移动性能的影响，选取机器人自身独立的双电源供电方式。

2 灭火机器人的软件设计

软件的设计主要是实现对于智能灭火机器人的智能化控制，并且根据具体的情况对机器人的探测信息进行优化，以更好的提高智能灭火机器人的探测精度和移动速度，通常选择沿墙行走的规则，这主要是考虑到机器人在行走过程中需要对周围的环境进行实时的探测，并且完成灭火操作。在具体的智能灭火机器人程序设计中主要包括机器人启动模块、火源搜索模块、灭火模块以及机器人返回模块。

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