李鐵妮，朱浩然，葛宇航

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

據(jù)公安部有關(guān)調(diào)查資料表明，2016年，全國共有31.2萬起接報(bào)火災(zāi)事故，死亡1 582人，受傷1 065人，直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)37.2億元。近年來，我國火災(zāi)事故頻發(fā)，由于事故災(zāi)難等救助制度和設(shè)備管理等各方面存在不足，導(dǎo)致救援實(shí)施十分困難[1]。然而，針對室內(nèi)消防機(jī)器人的研究仍不夠充分，目前室內(nèi)消防的主要方式是以固定消防噴頭配合覆蓋目標(biāo)區(qū)域的傳感器預(yù)警機(jī)制，此種方式存在滅火設(shè)施指向性不強(qiáng)、實(shí)際效果差等缺點(diǎn)。為解決上述問題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種室內(nèi)搜救型機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)智能搜索被困人員及輔助救援等功能。

1 裝置整體設(shè)計(jì)

該機(jī)器人由支撐結(jié)構(gòu)模塊、動(dòng)力模塊、避障模塊、視覺感應(yīng)模塊和無線傳輸模塊等構(gòu)成。機(jī)器人整體系統(tǒng)工作流程如圖1所示。其中，支撐模塊是承重部分，保證機(jī)器人其他模塊可以正常工作；動(dòng)力模塊為機(jī)器人提供動(dòng)力，內(nèi)含電機(jī)驅(qū)動(dòng)；避障模塊由超聲波測距和紅外避障傳感器構(gòu)成，為機(jī)器人路線優(yōu)化進(jìn)行支持；通訊模塊將機(jī)器人獲得的圖像實(shí)時(shí)傳送至操作人員，輔助救援。

圖1 機(jī)器人整體工作流程示意圖

2 支撐結(jié)構(gòu)模塊

機(jī)器人的支撐結(jié)構(gòu)是機(jī)器人主要受力的載體，要求強(qiáng)度高，不易變形，質(zhì)量輕，易于加工。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求如下：①底盤有一定的離地間隙，方便安裝傳感器；②機(jī)器人平臺(tái)結(jié)構(gòu)長與寬盡量接近正方形，在轉(zhuǎn)彎時(shí)能減少撞墻的可能；③上部盡量平整，方便上部傳感器的安裝；④考慮經(jīng)濟(jì)性，在保證使用要求的前提下，盡量選用較為常見易得的材料。

通常機(jī)器人的底盤是由鋁板折彎或者是用高強(qiáng)度的塑料板制作。鋁合金材料熔點(diǎn)為550～700℃，可以抵抗火災(zāi)現(xiàn)場的高溫環(huán)境，并且物理性質(zhì)優(yōu)秀，塑性高，易彎曲，經(jīng)折邊后強(qiáng)度有很大提高，且便于其他零部件的安裝。因此，機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)選用高強(qiáng)度鋁合金材料制作，用于適應(yīng)火災(zāi)現(xiàn)場高溫的惡劣環(huán)境。

3 動(dòng)力模塊

機(jī)器人的移動(dòng)方式主要分為三種：輪式、履帶式、足式。輪式其結(jié)構(gòu)組成簡單，摩擦阻力小，機(jī)械效率高，但是輪式行進(jìn)方式具有不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，且輪胎材料不耐高溫，無法適應(yīng)火災(zāi)的高溫環(huán)境。

足式機(jī)器人可以適應(yīng)復(fù)雜的地形，能耗較低且速度較快，但是實(shí)現(xiàn)難度大，行走狀態(tài)不穩(wěn)定。履帶式行走機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)支撐面積大，接地比壓小，對不同的路況都具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，且履帶材質(zhì)采用耐高溫的金屬材料，可以適應(yīng)復(fù)雜的室內(nèi)火災(zāi)場所。

因此，本項(xiàng)目選用履帶式移動(dòng)方式。對火場高溫環(huán)境特點(diǎn)，消防機(jī)器人輪胎選用耐高溫橡膠材料，同時(shí)車身配有自噴淋系統(tǒng)對機(jī)器人附近環(huán)境進(jìn)行降溫，防止輪胎出現(xiàn)高溫?fù)p壞而發(fā)生故障。其兩側(cè)履帶通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)使小車移動(dòng)，依靠其速度差實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。

4 避障模塊

機(jī)器人避障模塊的主要作用是在機(jī)器人的行走路徑過程中，識(shí)別障礙物并發(fā)出警報(bào)避免碰觸。避障模塊主要由紅外檢測傳感器和超聲波測距傳感器構(gòu)成。

紅外避障傳感器采用目前較為先進(jìn)的由夏普公司生產(chǎn)的GP2Y0A02YK0F紅外測距傳感器。它由PSD（位置敏感探測器）、紅外發(fā)光二極管和信號處理電路組成。該元件采用三角測量法，使輸出電壓與探測距離成反比。紅外線發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外線光束，當(dāng)遇到物體時(shí)，光束會(huì)反射回來。反射回來的紅外光線通過濾鏡被CCD檢測器檢測到，得到一個(gè)偏移值L.應(yīng)用三角關(guān)系，已知偏移距L，中心矩x和濾鏡的焦距f，可以根據(jù)式（1）計(jì)算出傳感器到物體的距離y：

超聲波測距傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波，而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號。該項(xiàng)目采用性能較為穩(wěn)定且應(yīng)用廣泛的HC-SR04型號傳感器。

超聲波測距的原理采用TOF方法（渡越時(shí)間法）。通過計(jì)時(shí)器測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間t，根據(jù)式（2）計(jì)算得到傳感器與障礙物的距離y：

式（2）中：c為機(jī)械波在介質(zhì)中的傳輸速率。

5 視覺感應(yīng)模塊

視覺感應(yīng)模塊由Kinect傳感器組成。它是一種新的三維激光傳感器，不但能獲取環(huán)境的光學(xué)圖像，還能獲取檢測物體的位置信息。該傳感器獲取的信息量豐富，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)卻穩(wěn)定性較高，因此可以成為消防機(jī)器人環(huán)境感知的有效工具。

Kinect機(jī)身上有三種攝像頭，分別是紅外發(fā)射器、RGB攝像頭、紅外接收器。其中RGB攝像頭用來采集彩色圖像，圖像尺寸為640×480，每秒最多能采集30幀圖像。紅外發(fā)射器和紅外接收器用于采集深度圖像，深度圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的值均表示該點(diǎn)到攝像頭的距離。在Kinect的下方還有一個(gè)帶內(nèi)置馬達(dá)的底座，通過調(diào)整底座的上下高度來調(diào)整Kinect的俯仰角，用于保證機(jī)器人可以獲得完整的室內(nèi)環(huán)境信息。Kinect可以通過輸出一個(gè)RGB圖像和深度數(shù)據(jù)來確定環(huán)境中每一個(gè)點(diǎn)的顏色信息和深度信息，并整合為一個(gè)圖像輸出。

6 通訊模塊

通訊模塊由信息發(fā)射電路和接收電路組成。將機(jī)器人在室內(nèi)獲得的信息通過無線傳輸發(fā)送給外圍人員。數(shù)據(jù)無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了指揮站和機(jī)器人的雙向數(shù)據(jù)交換。通訊訊模塊采用的是ESP8266無線WiFi模塊，主控制芯片是32位單片機(jī)ESP8266EX，內(nèi)置了WiFi射頻單元，可以控制WiFi射頻的開關(guān)。本設(shè)計(jì)中通訊模塊的功能是接發(fā)UDP數(shù)據(jù)、收集機(jī)器人獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。