针对复杂地形的小型耐高温火情侦测机器人

魏居琦 王颢然 刘卉萱

（沈阳理工大学 辽宁·沈阳 110000）

1 技术背景

眼下，国民的经济发展水平日益提高，城市里高楼林立，居民人口密度在一步步提高，不同的危险区域的火灾爆发时有发生，由火灾造成的各种问题也是甚嚣尘上，给我们的国家以及全体的人民群众都带来了生命以及财产上的威胁，让他们蒙受了损失。

一方面,由于从外部往往无法及时了解到火场内部的具体情况，侦查人员进入灾害现场要面临极大的风险和挑战，人身安全也无法保证。另一方面，由于灾害现场内部情况复杂、环境恶劣，侦查人员进行现场信息采集存在较大困难，往往无法实现信息的及时反馈。

鉴于以上局限，能够代替救援侦察人员进入易燃易爆、有毒有害、浓烟缺氧以及高温灾害现场进行探测及信息实时反馈的消防侦察机器人已成为维护社会安全的迫切需要。

2 设计内容

本项目为一种针对复杂地形的耐高温火情侦测机器人，系统组成如下：

（1）主控单元：STM32F407ZGT6；

（2）机械结构：三段式履带机构、云台；

（3）通信单元：SX1278；

（4）信息采集单元：红外热成像模块、拓展传感器、CCD摄像机；

（5）避障单元：激光雷达；

（6）耐高温实现：隔热纤维材料(无石棉硅酸铝针刺保温毡)。

3 技术方案

3.1 主控单元设计

STM32F407：该主要控制模块是通过机器人的中枢系统来选择的，使用的是用于工业上的一款嵌入式可编程的控制器，即STM32F407型号的可以进行编程的控制器。该控制器时钟频率达到84MHz，是同类产品中性能最高的产品，主控制模块采用STM32F407单片机的32位超低功耗的混合信息处理器进行设计。STM32F407单片机实际运用很方便，可以满足系统速度的设定及各种定时需求，丰富的IO口资源有效的降低了硬件的设计的难度。

3.2 机械结构设计

底盘机械结构呈履带状，是两条可以变换形状的履带，分别通过各自的主电动机进行驱动。当主臂杆需绕履带架上的一款轴系列做F型旋转的时候，会连带着行星轮转动，以使履带呈现出不一样的、随时可变的构形，因此可以做到对不同运动以及各种作业环境的普适，从而完成攀爬楼梯的动作。

3.2.1 三段式履带结构

履带可以大幅减少路况对载重车辆的限制，从而提高机器人在恶劣路况下的机动。通过驱动履带的底盘来跟地面互相接触，从而使得驱动轮跟地面之间相互隔离。履带配置的底盘能够拥有很强劲的爬坡能力，一般情况下能达到50%至80%的爬坡能力，最大的时候能够达到100%的爬坡能力。

三段式履带结构，支承面积大，接地比小，牵引附着性好，有利于发挥较大的牵引力，爬坡、越障能力强,有很好的地面适应性和通行能力，可以方便在复杂火场中自由活动，对于楼梯等普通履带难以前进的地方也能自如通过。该结构中前置履带段可向后转动，在平地行驶时亦可保持高速稳定。前段履带为三角形履带结构，便于上下楼梯及通过一定高度的障碍;中段履带采用水平履带，提供小车的主要牵引力;后段履带为可折叠结构，起到平衡与增大接触面积的作用，当通过坡角较大的路段及下楼梯时可展开履带以维持重心高度，防止整体重心变化幅度过大发生倾倒，在正常路段行驶时也可提供部分牵引力，也可折叠减少触地面积减少摩擦力。

3.2.2 云台结构

云台用来安装摄像机，并把摄像机固定住。电动云台可以用来对一些较大的区域来做扫描跟监视的功能，它能够将摄像机可以监视到的范围进行扩大。电动云台之所以能够高效运转，是因为它有两台可以用来运转的电动机来支撑完成的，电动机能够接受从控制器发射出来的信号，从而实现定位的精确性。有了能够对信号进行控制的功能，位于云台上的摄像机就能够自发地对所监视的所有区域范围进行扫描。能够变动速度的云台，它在水平方向上的旋转速率处在每秒0°到每秒32°之间，它在垂直方向上的旋转速率处在每秒0°到每秒16°之间。某些更高速的摄像系统配备的云台，它们在水平方向的旋转速率能比每秒480°还要高，在垂直方向上的旋转速率能比每秒120°还要高。云台的水平方向上有一个电机做驱动，在垂直方向上有另一个不一样的电机完成驱动，所以造成对评估云台旋转速率的时候要从水平转率以及垂直转率都做评估。因为载重的因素，垂直方向的电机在启动时候的扭矩以及在维持运转的时候的扭矩都要比水平方向对应的扭矩要大，还有在实际进行监控的时候，要求的水平方向上的转速标准要比垂直方向上的转速标准高，所以云台在垂直方向上的转速要比水平方向上的转速低出一些来。一些用来控制的系统以及对应的解码器，他们在性能上能够影响云台变速的效果，从而影响到云台上的电机能够依照不同的输入值来实现不同速度的转动。

3.3 通信单元设计

3.3.1 SX1278

SX1278是一种通过半双工来进行传输的属于低中频率的收发器，它接收进来的射频信号们需要先通过一款低噪声型号的放大器（即LNA），而且LNA的输入是一种单端的形式。之后将此信号转变为一种差分的信号，借此来将二级的谐波做一个完善，再然后要将信号转变为中频信号（即IF），借此来输出同相的一种正交态型号（I&Q信号），之后还要将ADC信号做一个数据上的转换，使得之后传输过来的所有的信号都能够在该数字的领域内实现解调功能，不过其中的数字型的状态机还可以将频率进行自动校正（即AFC）、对接收过来的信号的强度做一个指示说明（RSSI）、对增益与否实现自动的控制（即AGC）等一系列功能进行控制。

3.3.2 SX1278特性

SPI通信时钟10兆赫兹，引脚做出变化的时间将达到纳米级别。这种可以扩频的因子越来越大的时候，进行传播的时间也会越来越长。在一种睡眠的状态下，对寄存器RegOp-Mode进行对应的配置，把FSK型号的调制解调器对应地变换成为 LoRa型号的调制解调器。SX1278包含两个定时基准、一个RC振荡器以及一个32M晶振。一个普通的SPI型号的接口能够配置射频的前端中全部的重要的参数，还能够控制数字型号的状态机中全部的重要参数，凭借这个SPI的接口，能够访问1278型号的配置用的寄存器。

3.4 信息采集单元设计

3.4.1 红外热成像模块

在完全浓烟的状况下,可用红外热像仪发现房间内部走廊、门窗及各种通道孔洞热气流的流动方向,确定高热的危险区域,发现火源的具体位置及整个火势的蔓延方向。石油化工等特殊灾害现场,在正常可见光的情况下,不能够直接看见石油化工的产品及原料的储罐内部液体及物料的具体高度,但液态的石油化工材料在罐内储存时,罐壁在液位处存在温度梯度。通过对红外热像的仪器的使用，是可以迅速地测量出在现场进行燃烧的罐体中和周边的罐体中的剩下来的液体大概有多少的量，从而评估所有的罐体具备的威胁指数，这样可以很方便地确定一些对应的措施。通过对一些特性以及原理的运用，可以让消防队的所有救援人员们即使面对浓烟环境，也可以很清楚地察觉到陷入困境的人员们的位置，这些特性和原理有：红外光线能够将热烟雾进行穿透；火灾现场中陷入困境的人员们的体温跟身边的环境的温度是有一些差别的，与这个温度差距相对应的一些热分现场是能够做成像显示的。这款红外热像的仪器能够辅助于火灾发生后的一些打理工作。比如在一些建筑物发生的火灾中，可以通过这款红外热像的仪器来寻找是否存在一些有引燃隐患的高热点，亦或是扑救结束后仍然存在的未被察觉到的余火等，这样能够对高温环境下的一些危险目标可以持续进行降低温度的工作，可以提升灭火工作的保障性、完全性，从而降低火灾后又重新自燃的隐患，甚至是直接消除这种事故产生的一些可能性。

3.4.2 CCD摄像机及拓展传感器

CCD摄像机及拓展传感器包含对图像进行采集并进行传输的模块、能够检测出是否存在有害的各种气体的模块、能够检测出各种温度值的模块等。通过对红外热像的仪器的应用，和 CCD型号的摄像机的辅助来采集所形成的红外图像以及产生的CCD型号的视频的数据，以此来完成对外部环境的温度的实时监测，并能够监测到设备在当下的一种运行情况，在一种通信单元的帮助下从而完成对数据的传输。

3.5 避障单元设计

激光雷达。激光雷达运作时，只需进行非接触扫描可以在短时间内获取物体和环境空间点的三维数据和信息，由于收集的数据是以点的形式组成，所以这些数据被称作点云数据，其最大的特点是可以进行后期的处理，依靠获取的数据便能够建立完整的三维立体模型。通过激光雷达，能够拥有非常高的照射角度、照射距离以及精准的对速度的分辨能力。激光雷达的一个很明显的好处就是分辨率很高，在很多的应用案例中都是基于这一点来实现的。激光能够做直线上的传播、它在方向上的控制良好、有着窄度极低的光束，当激光在特定的传播路径上的时候是能够被收到的，所以对激光进行拦截获取是很有难度的，另外发射激光的雷达系统，也就是用于发射的望远镜，它有着很窄的口径，而且可以进行接收的范围也是很窄的，所以对于故意发射出来的对激光进行干扰的信号是不太容易进入到接收机的范围的。在自然界的范围中，可以影响到激光雷达的信号源是很少的，所以激光雷达能够很强烈地抵抗有信号源的一系列干扰，能够在复杂的环境中被广泛使用。激光雷达只能反射出经过照射过的一些目标，完全不被地物回波干扰着，所以它能够在“零高度”的环境里工作。激光雷达型号的发射望远镜具备厘米级别的口径大小，而且这一套的系统质重差别还是挺大的，最小的质重仅仅几十公斤，对一些架设工作、拆收工作都很容易开展。另外激光雷达有着非常简单的构造，维护修理起来都非常的便易，操作起来很容易上手，而且单价也是很低的。