許 瑛，袁 磊，肖 亮

（1.南昌航空大學(xué) 飛行器工程學(xué)院，南昌 330063；2.南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，南昌 330063）

0 引言

近年來，小型地面移動機(jī)器人及其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，已成為移動機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。小型地面移動機(jī)器人能廣泛應(yīng)用于消防救援、反恐防爆、防核化作業(yè)、軍用偵查探測和無人地面武器平臺，在完成特殊作業(yè)任務(wù)的同時，可減少人員傷亡、提高在各種危險場合和環(huán)境中處理突發(fā)事件的能力。

本文提出一種履帶式雙控滅火移動機(jī)器人，在具備運(yùn)動越野性能的同時，利用手動和自動控制兩種模式，搭載連桿式滅火執(zhí)行機(jī)構(gòu)，配置泡沫滅火劑或粉末滅火劑，實(shí)現(xiàn)滅火功能。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙控滅火移動機(jī)器人要求實(shí)現(xiàn)越野越障和作業(yè)裝備搭載功能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上可通過機(jī)器人底盤及其搭載平臺來實(shí)現(xiàn)?？紤]到履帶式移動方式在越野機(jī)動性和越障性能上比輪式移動方式更具優(yōu)勢，雙控滅火移動機(jī)器人的底盤采用履帶式移動方式。其搭載滅火執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)、配備泡沫滅火劑或粉末滅火劑，來實(shí)現(xiàn)滅火功能。機(jī)器人車體的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)器人車體的技術(shù)參數(shù)

其總體布局如圖1所示。

圖1 機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

1.2 滅火執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計

滅火執(zhí)行機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要由四個舵機(jī)及兩套連桿機(jī)構(gòu)組成。舵機(jī)A（圖中13）主要用于滅火器閥門的開閉驅(qū)動，舵機(jī)B（圖中6）用于驅(qū)動噴頭管在水平面內(nèi)左右往復(fù)擺動，舵機(jī)C（圖中4）用于驅(qū)動噴頭管在鉛錘面內(nèi)上下往復(fù)擺動，舵機(jī)D（圖中2）驅(qū)動火焰?zhèn)鞲衅魈綔y板做往復(fù)擺動以探測火焰。通過閥門的開閉來帶動滅火作業(yè)，在閥門處設(shè)計了閥門控制臂，以此來構(gòu)成增益連桿機(jī)構(gòu)杠桿，使整個滅火執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟的過程易于實(shí)現(xiàn)。為了保證閥門開閉時的工作可靠性和安全性，防止在閥門產(chǎn)生振動，設(shè)計了舵機(jī)專用的支架支撐舵機(jī)。 在滅火執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時，為了增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的靈活性，增加了噴頭擺動連桿機(jī)構(gòu)。滅火器自帶的長噴頭管與兩塊連桿機(jī)構(gòu)的搖桿固接在一起，以便實(shí)現(xiàn)操作空間往復(fù)擺動。

圖2 滅火執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件部分由主控制器模塊、運(yùn)動控制模塊、電源模塊、火焰檢測模塊、舵機(jī)控制模塊、直流電機(jī)驅(qū)動模塊、無線射頻收發(fā)模塊和GSM模塊組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

主控制器模塊以飛思卡爾公司的16位微處理器MC9S12DG128為控制核心， 電源模塊由24V/2000mAh的電瓶組直接供電，主控制器模塊采用單獨(dú)的穩(wěn)壓電路進(jìn)行供電，電機(jī)驅(qū)動芯片MC33886直接由電源供電。通過外圍電路將電源分配給各模塊?；鹧鏅z測模塊中主要選用R2868火焰?zhèn)鞲衅骱蚆C145018P煙霧傳感器2868火焰?zhèn)鞲衅魇怯脕硖綔y火焰強(qiáng)弱的，MC145018P煙霧傳感器主要是感受火場的煙霧的大小，結(jié)合火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘枺瑢饒龌饎莸拇笮∽龀鼍_判斷。

2.2 軟件設(shè)計

圖3 控制硬件總體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)滅火過程要求和系統(tǒng)硬件電路組成，采用ATMega單片機(jī)和模塊化設(shè)計方法進(jìn)行軟件編程，通過以上硬件電路對滅火機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動控制。程序開始后首先進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化，然后滅火機(jī)器人根據(jù)三種不同情況執(zhí)行相應(yīng)的動作，若檢測到障礙物，則進(jìn)入避障子程序；若無障礙物，則進(jìn)入尋跡子程序；若找到火源，則選擇控制模式，進(jìn)入噴滅火劑滅火子程序。滅火完成后，整個程序結(jié)束。

3 雙控滅火模式的實(shí)現(xiàn)

履帶式移動滅火機(jī)器人能有手動遙控滅火和自動滅火兩種滅火方式。兩種滅火方式交替使用，當(dāng)近距離的小火情出現(xiàn)時，可以使用手控模式，打開滅火機(jī)器人的電源開關(guān)，通過手中遙控器來控制機(jī)器人前后左右運(yùn)動，機(jī)器人行進(jìn)到滅火點(diǎn)時，根據(jù)火點(diǎn)火勢的大小控制滅火器閥門的開度以及噴頭擺動的角度，實(shí)施滅火作業(yè)。

在遠(yuǎn)距離或強(qiáng)火勢、火場的能見度低，不便于操控者對滅火機(jī)器人實(shí)行遙控的情況下，可以切換到自動滅火模式。自動模式下滅火機(jī)器人可以通過安裝在小車前部的R2868火焰?zhèn)鞲衅鞯奶綔y頭來精確探測火點(diǎn)的位置與感知火勢的大小的信息，把檢測到的火勢信息反饋給主控制器模塊系統(tǒng)，主控制器模塊主動把這信息傳給GSM模塊，通過GSM技術(shù)進(jìn)行人機(jī)交流，同時主控制器模塊啟動自動滅火模式，驅(qū)動機(jī)器人的電機(jī)，使小車行駛到火點(diǎn)，開啟滅火器閥門，噴頭搖臂左右上下擺動，實(shí)施精確滅火，滅火操作結(jié)束后，又把信息發(fā)送給GSM模塊，通過短信的方式通知戶外人員，火已經(jīng)撲滅。

4 功能驗(yàn)證

雙控滅火機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖4（a）、（b）所示。

課題組利用自行研制的雙控滅火機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對機(jī)器人的功能進(jìn)行驗(yàn)證。

1）運(yùn)動能力：該機(jī)器人在手動及自動兩種狀態(tài)下，可以在平地上快速前行、后退，并可在3600范圍內(nèi)進(jìn)行原地正反轉(zhuǎn)，運(yùn)動速度可以調(diào)節(jié)。

圖4 雙控滅火機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

2）定位能力：該機(jī)器人能夠在距離火勢一定位置上停止運(yùn)動，然后滅火機(jī)構(gòu)開始作業(yè)。

3）雙向控制模式的切換：手動遙控滅火和自動滅火兩種滅火方式的切換通過手持式接收站來選擇，試驗(yàn)結(jié)果，兩種控制模式切換可靠，操作簡便。

4）滅火執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作范圍：滅火執(zhí)行機(jī)構(gòu)的擺桿上下擺動范圍為±1350，左右擺動范圍為±2100。

5）煙霧報警功能：利用煙霧傳感器感受火場的煙霧的大小，結(jié)合火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘?，對火場火勢的大小做出精確判斷。

5 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用該滅火機(jī)器人可有效、快速滅火，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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