聶然

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232000）

立體化倉庫智能滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作

聶然

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232000）

隨著社會的進(jìn)步，越來越多的儲存?zhèn)}庫朝著大型化、立體化發(fā)展，但是隨之而來的是消防安全隱患的存在。本文設(shè)計(jì)一種以ARM9為控制核心的立體化倉庫滅火機(jī)器人，包括硬件、軟件設(shè)計(jì)?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)滅火機(jī)器人上傳感器發(fā)出報(bào)警，在消防人員的遠(yuǎn)程操控下查看火情并及時(shí)撲滅。

機(jī)器人；火災(zāi)檢測；滅火

0 前言

機(jī)器人技術(shù)的產(chǎn)生，是多門科學(xué)技術(shù)共同發(fā)展的一個(gè)綜合性的結(jié)果[1]，它對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展產(chǎn)生了重大影響，展望21世紀(jì)，機(jī)器人將會像上世紀(jì)的計(jì)算機(jī)一樣普及，會深入地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。滅火機(jī)器人可以代替人進(jìn)入危險(xiǎn)場合，并有著更高的效率，因此，有著廣闊的應(yīng)用前景。

國際上通常把消防機(jī)器人分為三代，第一代程序控制消防機(jī)器人已經(jīng)逐漸淘汰，目前發(fā)達(dá)國家正著力從第二代消防機(jī)器人向著第三代智能消防機(jī)器人發(fā)展。我國消防機(jī)器人研制工作同樣有著可喜的成果，這對減少國家財(cái)產(chǎn)損失和解救受災(zāi)人員起到了至關(guān)重要的作用，同時(shí)消防機(jī)器人的發(fā)展對我國機(jī)器人技術(shù)、信息通信控制技術(shù)、軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動作用和深遠(yuǎn)的影響[2]。

本文是針對現(xiàn)代立體化倉庫而設(shè)計(jì)的一款消防機(jī)器人，機(jī)器人通過自身高精度的火焰檢測裝置和靈活的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)從火災(zāi)檢測預(yù)報(bào)到偵查滅火。本文將分別從機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)、滅火機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)和如何提高機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性來詳細(xì)闡述整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)過程。

1 立體化倉庫滅火機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

立體化倉庫滅火機(jī)器人在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上包括以下幾個(gè)部分：控制部分、車體結(jié)構(gòu)部分、火災(zāi)監(jiān)測傳感器部分、圖像傳輸與滅火部分。

1.2 控制部分

由于要實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人復(fù)雜的運(yùn)動控制和對外圍數(shù)據(jù)的采集，因此，需要一款性能較高的主控制器。本設(shè)計(jì)采用以ARM9為CPU的主控制器，該控制器最高運(yùn)行速度可達(dá)180MHZ，具有4路USART、以太網(wǎng)MAC、USB2.0、此外，還有28路模擬轉(zhuǎn)換通道，可以滿足機(jī)器人的控制要求。

1.3 車體結(jié)構(gòu)部分

滅火機(jī)器人在惡劣的環(huán)境必須有可靠的車體，滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)有以下特性。1）底盤和模塊連接后重心穩(wěn)定，在啟動和剎車的時(shí)候沒有頓挫的現(xiàn)象，若發(fā)生碰撞車子還會保持平衡。2）底盤所使用材料強(qiáng)度要合理在生撞擊時(shí)候不會過度損壞。3）通過對車體優(yōu)化設(shè)計(jì)來達(dá)到充分利用空間的目的，同時(shí)要使安裝盡可能簡化。4）車體具有很好的操控性，移動迅速，加減速快，轉(zhuǎn)向精確，并且能按照指令準(zhǔn)確行走。因此車體選擇高強(qiáng)度的鋁合金，在合理布局后再安裝各個(gè)部分。

此外，滅火機(jī)器人要安裝視頻模塊、煙霧傳感器和滅火裝置，這些都需要機(jī)器人在工作時(shí)候改變方向與角度。因此，在機(jī)器人車體上安裝了可升降的云臺。

1.4 火災(zāi)監(jiān)測傳感器部分

傳感器是決定機(jī)器人是否智能的關(guān)鍵，傳感器使機(jī)器人可以感知外界。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)倉庫溫度會升高并伴有煙霧，因此，本設(shè)計(jì)中采用火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器。

火焰檢測傳感器是利用物體燃燒時(shí)相對于自然光不同波長的的輻射來進(jìn)行判斷的，溫度越高波長越短。本設(shè)計(jì)采用R2868火焰?zhèn)鞲衅?，極高的探測精度使它可以探測 185到 260個(gè)不同的狹窄光譜敏感源，當(dāng)波長達(dá)到事先設(shè)定的閾值時(shí)候便會發(fā)出警報(bào)。當(dāng)倉庫中發(fā)生火災(zāi)時(shí)溫度變化致使輻射的波長改變，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定閾值便會發(fā)出報(bào)警。本設(shè)計(jì)在車體前后各安裝一個(gè)火焰?zhèn)鞲衅?，在機(jī)器人巡檢過程中同一時(shí)刻可對五十立方米空間進(jìn)行監(jiān)測。

為了進(jìn)一步提升滅火機(jī)器人的監(jiān)測能力，本次設(shè)計(jì)還采用了煙霧傳感器。在火災(zāi)發(fā)生初期，可燃物燃燒不徹底會產(chǎn)生大量煙霧并且漂浮在空氣中。在本次設(shè)計(jì)將煙霧傳感器安裝在云臺上，工作時(shí)使其可以實(shí)時(shí)監(jiān)測空氣是否有煙霧產(chǎn)生。

1.5 圖像傳輸與滅火部分

視頻傳輸模塊是該機(jī)器人的“眼睛”，當(dāng)控制中心得到機(jī)器人的火災(zāi)發(fā)警報(bào)后打開視頻模塊。此時(shí)的視頻要把現(xiàn)場情況傳回控制中心，控制中心要根據(jù)現(xiàn)場情況規(guī)劃機(jī)器人行進(jìn)策略。視頻模塊由FPV圖傳攝像頭采集視頻信號，通過1.2G 400mW無線發(fā)射機(jī)發(fā)射信號，通過無線接收機(jī)接收信號，最后通過視頻采集卡把模擬信號轉(zhuǎn)化成視頻信號在PC端顯示。

滅火部分是機(jī)器人的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了應(yīng)對不同程度的火災(zāi)本次設(shè)計(jì)采取滅火器和高壓水槍兩種不同的滅火裝置。在火災(zāi)發(fā)生的初期和小規(guī)?；馂?zāi)時(shí)利用滅火器來滅火，當(dāng)火勢較大時(shí)候采用高壓水槍滅火。

此外，要充分利用云臺對滅火機(jī)器人滅火角度和視頻拍攝角度進(jìn)行改變，達(dá)到精準(zhǔn)滅火和精準(zhǔn)拍攝的目的。

2 立體化倉庫滅火機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 滅火機(jī)器人軟件總體設(shè)計(jì)

滅火機(jī)器人軟件系統(tǒng)主要包括機(jī)器人運(yùn)動策略部分和PC端上位機(jī)設(shè)計(jì)。運(yùn)動策略主要是對運(yùn)動算法優(yōu)化，上位機(jī)則有著友好的人機(jī)交互。

2.2 運(yùn)動策略控制

滅火機(jī)器人采用智能PID運(yùn)動算法，與一般普通PID閉環(huán)算法不同的是智能PID算法通過遺傳算法[3]對PID中的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過實(shí)踐得到KP、KI、KD超調(diào)量明顯減少，對于外界干擾的魯棒性更強(qiáng)且實(shí)際控制更加精準(zhǔn)。其傳遞函為：

2.3 上位機(jī)制作

滅火機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制采要采用上位機(jī)來發(fā)送指令，本文在上位機(jī)的編寫上采用的是Labview。

Labview是由美國國家儀器公司開發(fā)的編程環(huán)境[4]。最具特點(diǎn)的是其不是用匯編、c語言等基礎(chǔ)語言，它采用的是圖形化的編程語言。與傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境相比，Labview具有，功能強(qiáng)大、高效、操作界面簡潔、開發(fā)簡便等優(yōu)勢。實(shí)際使用表明上位機(jī)能很好的實(shí)現(xiàn)控制人員和滅火機(jī)器人交互。

3 結(jié)束語

本文對立體化倉庫機(jī)器人的硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)做了較為詳實(shí)的介紹，硬件方面云臺和多傳感器的使用是一大特色。軟件方面利用遺傳算法對PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了很好的控制效果。利用Labview編寫的上位機(jī)程序能夠?qū)崿F(xiàn)友好的人機(jī)交互。

隨著社會的發(fā)展和科技的長足進(jìn)步越來越多的工作將由機(jī)器人來完成，同樣對于滅火這種高危工作機(jī)器人肯定會得到更多的應(yīng)用。

［1］李曉寧，李曉峰.互動機(jī)器人的研究[J].長春師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（3）:36-37.

［2］寧再望．消防機(jī)器人技術(shù)在滅火救援中的設(shè)計(jì)分析[J]．?dāng)?shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（5）．

［3］陳敏，譚思云，黃玉清．遺傳算法在PID參數(shù)整定中的應(yīng)用[J]．儀表技術(shù)，2010（5）:49-52．

［4］孫麗萍．虛擬儀器在動平衡測試中的應(yīng)用[J]．科技風(fēng)，2010（6）:267-268．

［責(zé)任編輯：田吉捷］