初津宇，王學(xué)軍，孫長(zhǎng)勇，張家瑞，王雨晴

（山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253000）

0 引言

火災(zāi)是一種常見(jiàn)的社會(huì)災(zāi)害，一般來(lái)說(shuō)，火災(zāi)造成的危害往往非常嚴(yán)重，對(duì)公共安全構(gòu)成極大威脅。近五年來(lái)，我國(guó)每年發(fā)生火災(zāi)4萬(wàn)多起，死傷5 000多人，每年因火災(zāi)造成的社會(huì)財(cái)產(chǎn)損失超過(guò)10億元。特別是一些特殊的企業(yè)發(fā)生的火災(zāi)，如化工企業(yè)、紡織企業(yè)等，具有突發(fā)性強(qiáng)、燃燒猛烈等特點(diǎn)，并且火災(zāi)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，嚴(yán)重地危害周?chē)罕姾途葹?zāi)人員的生命安全[1]，如果救援人員不能配備高效的設(shè)備和救援設(shè)施，草率行事，就會(huì)增加人員傷亡，達(dá)不到救援目的。消防機(jī)器人的開(kāi)發(fā)研究可以一定程度上替代消防員進(jìn)行火災(zāi)救援，不僅可以提高保護(hù)消防員的人身安全成功率，還可以有效減少消防員的傷亡率。同時(shí)，消防機(jī)器人的大規(guī)模應(yīng)用也可以提高消防效率和消防質(zhì)量。在滅火救援中運(yùn)用消防機(jī)器人，能夠在極大程度上提高滅火的效率，搶奪滅火時(shí)間，抑制火勢(shì)蔓延，為消防員的生命安全提供強(qiáng)有力的保障[2]。

1 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)的目的是基于STM32單片機(jī)控制的一種智能化、綜合能力更強(qiáng)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘探及救援的消機(jī)器人，能夠代替消防員進(jìn)入有毒、濃煙、高溫、缺氧等高危險(xiǎn)性滅火救援現(xiàn)場(chǎng)完成偵察檢驗(yàn)、排煙降溫、搜索救人、滅火控制等任務(wù)，在保護(hù)消防員安全的同時(shí)提高了消防滅火救援能力[3]。在使用過(guò)程中，機(jī)器人可以提前檢測(cè)到信息，操作員可以使用遙控器進(jìn)行控制，以代替救援人員進(jìn)入高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)所的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，調(diào)查周?chē)碾[患，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋結(jié)果及時(shí)分析判斷災(zāi)情，加快事故現(xiàn)場(chǎng)救援工作。在救援過(guò)程中可以根據(jù)火場(chǎng)情況選擇射水、噴霧模式施救，選擇運(yùn)用干粉炮和干冰炮壓制火源中心，提高滅火效果。熱磁發(fā)電機(jī)的使用增加了該產(chǎn)品的續(xù)航能力，從而減少消防人員在施救中出現(xiàn)的傷亡，保護(hù)消防人員的安全。

2 設(shè)計(jì)方法

基于遙感智能控制的消防機(jī)器人是由梯形固定履帶行走機(jī)構(gòu)、水霧炮兼用裝置、干粉炮、干冰炮、遠(yuǎn)程遙感操控器、智能降溫噴霧裝置、激光雷達(dá)避障裝置、攝像頭、前后車(chē)燈、回轉(zhuǎn)臺(tái)、氣體在線檢測(cè)儀、干冰滅火彈填裝管、高壓水管等裝置組成，如圖1所示。具有如下功能：

（1）底盤(pán)采用履帶裝置，提高機(jī)器人的越野性。

（2）采用激光雷達(dá)，便于機(jī)器人避障。

（3）設(shè)計(jì)水、霧炮兼用裝置，便于射水和噴霧模式轉(zhuǎn)換。

（4）設(shè)計(jì)多傳感器信息融合的火災(zāi)種類(lèi)與等級(jí)識(shí)別系統(tǒng)，利于施救。

（5）設(shè)計(jì)智能?chē)娏芙禍叵到y(tǒng)，及時(shí)為機(jī)器人降溫。

（6）安裝回轉(zhuǎn)臺(tái)，方便炮口旋轉(zhuǎn)、調(diào)高角度。

（7）安裝干冰炮和干粉炮，便于多元化滅火。

圖1 消防機(jī)器人設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.1 技術(shù)方案

目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的智能滅火機(jī)器人以探測(cè)火場(chǎng)情況為主，救援滅火為輔。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防人員將智能滅火機(jī)器人放進(jìn)火場(chǎng)，通過(guò)遙感控制等技術(shù)操控智能滅火機(jī)器人進(jìn)入火場(chǎng)探測(cè)，傳回相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而采取相應(yīng)的滅火措施。同時(shí)具備一定的滅火救援能力，可應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。

2.2 具體實(shí)施方式

上文敘述了智能滅火機(jī)器人以探測(cè)火場(chǎng)情況為主，救援滅火為輔，智能滅火機(jī)器人具體的實(shí)施方式如下：

（1）采用梯形固定履帶底盤(pán)，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固更加緊湊，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更加高效，電子系統(tǒng)更加低功耗，能適應(yīng)多種惡劣環(huán)境，通過(guò)性強(qiáng)，可進(jìn)行最高35°的爬坡。

（2）當(dāng)發(fā)生火情后，消防人員將該產(chǎn)品帶到火場(chǎng)附近，將高壓水管帶連接至該產(chǎn)品水管連接處，檢查產(chǎn)品狀況，通過(guò)遙感系統(tǒng)，將該產(chǎn)品投放到火場(chǎng)。

（3）該產(chǎn)品設(shè)計(jì)有激光雷達(dá)裝置、前后攝像頭和紅外感應(yīng)系統(tǒng)，可感應(yīng)火場(chǎng)內(nèi)部情況，并且進(jìn)行避障，通過(guò)攝像頭將反饋的火場(chǎng)信息傳送至控制器顯示屏，利于消防人員及時(shí)采取相應(yīng)滅火措施。

（4）車(chē)身中部安裝水、霧炮兼用裝置，可通過(guò)遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行射水和噴霧模式的轉(zhuǎn)換，該裝置體積小，便捷靈活，可通過(guò)遙控旋轉(zhuǎn)炮口方位及高度，對(duì)不同位置的火源進(jìn)行滅火。車(chē)身兩側(cè)分別設(shè)置干粉炮和干冰炮，同樣可通過(guò)回轉(zhuǎn)平臺(tái)調(diào)節(jié)炮口方位及高度，應(yīng)對(duì)不同的火場(chǎng)情況。尤其是干冰炮，炮口后面安裝干冰滅火彈填裝管，填裝管直連車(chē)體內(nèi)部干冰彈儲(chǔ)存庫(kù)，當(dāng)需使用干冰滅火彈時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程遙控裝置自動(dòng)填裝到填裝管發(fā)射。其還可以根據(jù)火場(chǎng)情況，遠(yuǎn)距離、準(zhǔn)確拋擲干冰彈，降低火場(chǎng)蔓延速度，提高滅火效率。三個(gè)炮口發(fā)射三種滅火劑，達(dá)到滅火的多元化。

（5）設(shè)計(jì)多傳感器信息融合的火災(zāi)種類(lèi)與等級(jí)識(shí)別系統(tǒng)，傳感器控制模塊上與氣體在線檢測(cè)儀相連，傳感控制模塊可以實(shí)時(shí)讀取該氣體檢測(cè)儀識(shí)別的氣體種類(lèi)，在線氣體檢測(cè)儀可以識(shí)別CO、SO2物，給消防員采取正確的滅火方式提供依據(jù)，提高滅火效率、保護(hù)消防人員的人身安全。

（6）車(chē)身外殼采用防火裝置，且耐高溫，車(chē)身設(shè)置智能?chē)婌F降溫裝置，可根據(jù)周?chē)鷾囟鹊淖兓詣?dòng)對(duì)車(chē)身進(jìn)行噴淋降溫，避免熱損傷。

（7）機(jī)器人控制常用無(wú)線遙控和有線控制兩種方法。無(wú)線遙控，可由車(chē)體內(nèi)置電源供電；將交流電源連接到車(chē)身后面的電纜連接器上，即機(jī)器人可以有線操作。無(wú)線遙控主要依靠上下位機(jī)之間的通信。

在整個(gè)控制過(guò)程中，上位機(jī)通過(guò)無(wú)線視頻設(shè)備接收消防機(jī)器人的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，并將其顯示在控制終端的屏幕上。通過(guò)這種方式，消防員可以實(shí)時(shí)觀察機(jī)器人的工作環(huán)境和此時(shí)的工作狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整機(jī)器人的工作狀態(tài)，從而可以更好地完成工作任務(wù)，減少經(jīng)濟(jì)損失，保證人身安全。在消防操作人員的參與下，人和機(jī)器人的各個(gè)部分可以形成一個(gè)閉環(huán)操作系統(tǒng)。在整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)中，下位機(jī)不僅可以負(fù)責(zé)接收和處理上位機(jī)發(fā)出的指令，還需要負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)信息及時(shí)反饋給上位機(jī)，從而精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的動(dòng)作機(jī)構(gòu)。因此，下位機(jī)是控制系統(tǒng)的重要組成部分，起著重要的作用。

機(jī)器人控制的總體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。具體工作流程如下：上位機(jī)與機(jī)器人控制端相連，控制端是由操縱桿、按鈕等部件組成。通過(guò)這些元件，使上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行通信，需要操作員將動(dòng)作命令輸入上位機(jī)，從而達(dá)到了上位機(jī)以無(wú)線方式將動(dòng)作命令傳輸給下位機(jī)，同時(shí)，上位機(jī)可以接收下位機(jī)反饋的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息。為了在屏幕上顯示機(jī)器的工作位置和姿勢(shì)，需要安裝在機(jī)器人上的攝像頭將工作場(chǎng)景及時(shí)傳送到控制臺(tái)，從而便于控制器根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整和控制。下位機(jī)是控制系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)，不僅需要接收上位機(jī)的動(dòng)作指令，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等部件的關(guān)閉和啟動(dòng)，還需要采集傳感器傳輸?shù)哪M信號(hào)。此外，它還控制將反饋給上位機(jī)的音頻信息的傳輸。

圖2 消防機(jī)器人控制總體硬件方案結(jié)構(gòu)圖

3 創(chuàng)新特色

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本智能系統(tǒng)具有以下有益效果：

（1）本系統(tǒng)基于STM32單片機(jī)控制，智能化高、操作方便簡(jiǎn)單，同時(shí)不影響原來(lái)的道路控制。

（2）可以應(yīng)用于火災(zāi)災(zāi)情不確定、地形復(fù)雜的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)智能管控“消防戰(zhàn)士”進(jìn)入火場(chǎng)勘探情況并進(jìn)行救火等救援，有效降低了消防員救火時(shí)出現(xiàn)的危險(xiǎn)系數(shù)，保護(hù)了生命財(cái)產(chǎn)安全。

（3）相較于現(xiàn)有的消防機(jī)器人，本產(chǎn)品配備的多種救援用消防炮（水霧炮間用裝置、干粉炮）可以對(duì)不同情況的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行針對(duì)性的展開(kāi)救援，大大提高了滅火有效性。

（4）本產(chǎn)品配備有基礎(chǔ)性的防火外殼以及智能降溫噴霧裝置，對(duì)救援時(shí)的“消防戰(zhàn)士”進(jìn)行降溫，大大提高了產(chǎn)品的工作時(shí)間和耐用性。

所設(shè)計(jì)的智能消防機(jī)器人功能多元化，滅火能力強(qiáng)，應(yīng)用價(jià)值高，應(yīng)用前景廣泛。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的不斷加快，各種資源給人們帶來(lái)便利的同時(shí)，也加大了災(zāi)害發(fā)生可能性，火災(zāi)形勢(shì)嚴(yán)峻，傳統(tǒng)的由消防員進(jìn)入火場(chǎng)進(jìn)行救援因?yàn)槠湮ｋU(xiǎn)性、不確定性等原因，已不能適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求了。消防裝備是最基本的消防救援物資，只有先進(jìn)、高端的消防設(shè)備才能提高消防救援工作效率，也才能創(chuàng)造出理想的消防救援工作成果。消防器材自身的質(zhì)量與實(shí)際使用需要不斷發(fā)展、創(chuàng)新與完善，只有這樣才能真正地提高消防裝備的消防水平[4]。因此基于遙感智能控制的消防機(jī)器人有巨大的發(fā)展?jié)摿?，且現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展，越來(lái)越注重安全問(wèn)題，所以，本智能消防機(jī)器人具有廣闊的發(fā)展前景。