可精准灭火的智能机器人设计

成慧翔，马艳娥，张 强，陈宇光，王亦敏

（晋中信息学院，山西 太谷 030800）

近年来，春耕农事生产用火增多，火情呈多发频发态势，农业农村防灭火形势严峻。火灾是威胁人类财产安全、人身安全和社会各类场所安全的重要灾害之一。随着新技术、新工艺的发展，机器人技术的不断发展使得机器人的应用领域不断扩展，从以往多应用于工业领域而渐渐融入人们的生活。灭火机器人在保护消防人员生命安全的方面的重要性日益凸显，消防灭火机器人也越来越多地运用到各类消防场合，对提高火灾救援安全性、减少人员伤亡具有重要意义，有广阔的应用前景。

智能灭火机器人主要涉及到各类传感器的应用、自动化控制、数据采集与处理、人工智能等领域，需要很强的综合信息技术整合能力，其运动控制主要依托传感器和视觉技术。基于多传感器技术的智能灭火机器人主要利用红外传感器、障碍物传感器、火焰传感器等实现反馈控制，基于视觉技术的智能灭火机器人主要利用摄像头及图像处理技术锁定目标位置。

为了解决传统灭火方式危险性高、无法保障灭火人员的安全等问题，本文提出了可精准灭火的智能灭火机器人的设计方案，融合多传感器技术与视觉技术，旨在规定的区域内自主搜索火源并通过消防机器人的自主灭火或消防人员的远程控制实施灭火，体现探测火源、避障、自动灭火的高性能。

1 智能灭火机器人控制系统设计思路

本设计中的智能灭火机器人是以古代投石机装置投掷灭火为参考模型，基于各类传感器识别并定位火源，同时测量与火源的距离，经微处理器加工处理传感器、摄像头等各硬件反馈的信息，然后采用自由度高的云台来进行多角度的精准抛射来迅速完成灭火的任务。由机器人本体、灭火弹、遥控终端等组成的应急救援灭火机器人。

2 智能灭火机器人的硬件设计

该系统硬件结构包括控制核心、传感器模块、电源模块、底盘驱动模块、灭火装置和机械手等消防机制的必要组成，其结构见图1，原型见图2。其中，控制核心是STM32F407 ZET6 最小系统；传感器模块包括摄像头、激光测距（精准定位火源）、陀螺仪（确定机器人本体姿态）；电源模块采用双电源供电，控制核心与电源电机隔离；行走机构底盘驱动模块选用可全方位移动的八自由度舵轮全向底盘，采用CAN总线通信技术和FOC 矢量控制输出稳定扭矩实现三相无刷电机的高效控制；灭火模块主要包括灭火弹补给支架和灭火弹发射机构等；机械手装置部分包括机械爪和机械臂，机械爪通过系统从机控制其张开、闭合和转动等动作，机械臂通过传感器模块回传数据确定其动作位置以获取最佳抛射角度与力度。

图1 智能灭火机器人的结构图Fig.1 Structure drawing of intelligent fire extinguishing robot

图2 智能灭火机器人实物图Fig.2 Physical picture of intelligent fire extinguishing robot

3 智能灭火机器人的软件设计

系统软件主程序采用速度位置双闭环控制算法，基于CAN 总线通信对摄像头获取的火源位置信息与激光测距仪获取的距离信息进行回传并经卡尔曼滤波处理，通过线性公式拟合获得最佳抛射角度与力度，以此控制灭火机器人无障碍行进并控制抛射电机精准投放灭火弹。从而完成灭火机器人避障、自动探测并定位火源、灭火的任务。程序控制流程见图3。

图3 系统控制流程Fig.3 System control flow

其中电机使用三环控制法，即电流环、速度环、位置环；控制机器人的位置，首先要控制电机速度，控制速度，就必须控制电流，位置环输出速度值，速度环输出电流值，输入的都是电机实时数据：实时速度、实时位置，最末端的电机反馈三个值，依次给最外面的位置，中间的速度，里面的电流。

4 测试

为了测试智能灭火机器人面对不同时间和不同距离做出反应的速度，在不同的位置上放置蜡烛进行测试，得出在距火源约1 m处，灭火机器人可以得到最佳的动作反应，距离超过1 m，则响应迟缓。进一步测试距离1 m 时，机器人在一天内针对有无火源做出的反应。选择白天8 时—18 时有光照影响（见图4a）和夜间20 时—次日6 时无光照影响（见图4b）情况下对比分析，结果显示，白天响应曲线呈“浴盆”状，夜间响应曲线趋近于直线，夜间响应比白天更丝滑，响应更平稳；若有火源，则智能灭火机器人趋向火源行动并间隔10 cm记录一次数据。智能灭火机器人随距离响应曲线见图5 所示，距离越近，电压越低，距离越远，电压越高。不难看出，智能灭火机器人在不同的时间、不同的距离都能及时做出响应，效率较高，鲁棒性较强。

图4 智能机器人随时间的响应曲线Fig.4 Response curve of intelligent robot over time

图5 智能机器人随距离的响应曲线Fig.5 Response curve of intelligent robot with distance

5 结语

当前应用于农村农业消防的方法效果并不理想，采用智能机器人代替人工灭火逐渐成为现代流行趋势。目前消防灭火机器人的研发和应用已经有了很大进步，但仍然面临很多技术瓶颈。

本文设计开发了一种可精准灭火的智能机器人，通过使用微控制器实现的自动过程来缓解紧急灭火的问题。其创新点包括：合理配置激光测距传感器避障，实现了自动巡航探测火源；采用摄像头图像识别精准快速定位火源，提高了灭火的快速性和可靠性；采用了八自由度舵轮全向底盘，可实现机器人高效全向移动；采用速度位置双闭环控制，提高了灭火精度和灭火效率。该灭火机器人能够在农村农业消防过程中起到重要的辅助作用，极大地保障了消防人员在火灾救援过程中的人身安全，具备一定的实用价值和推广价值。