柴佳乾，竇 晨（通信作者），解丁杰，陳宇光

（晉中信息學(xué)院智能工程學(xué)院 山西 太谷 030800）

0 引言

在現(xiàn)代社會中，防火安全已經(jīng)成為一個比較重要的問題，尤其是在森林這種易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域。 為了更好地進行防火工作，防火機器人被廣泛運用。 防火機器人是利用嵌入式技術(shù)開發(fā)的一種智能機器人，可以在日常的防火工作中代替人類進行巡護、監(jiān)控和滅火等任務(wù)。 通過防火機器人的實時監(jiān)測，可以有效縮短火災(zāi)發(fā)生時的響應(yīng)時間，降低火災(zāi)風(fēng)險和減少人員傷亡，提高防火安全系數(shù)。 未來，防火機器人的應(yīng)用前景將越來越廣泛，逐漸成為保護人們生命財產(chǎn)安全的重要工具。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

防火機器人是一種應(yīng)用于防火檢測的智能機器人，機器人的機械結(jié)構(gòu)是其運動學(xué)性能和越障能力的重要保障，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮機器人自身的特點和任務(wù)需求。 機器人的機械結(jié)構(gòu)需要保證其強度和穩(wěn)定性，保障機器人在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定工作，因此機身選用ZL101A 高強度鋁合金。 為保證機器人具有越障能力，在底盤設(shè)計時采用履帶式底盤。 除此之外，防火機器人需具備一定的滅火能力，使其能夠在火焰起勢時將其熄滅，所以在其機身頂部設(shè)置水炮結(jié)構(gòu)進行滅火。 在防火機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計中需考慮傳感器的更新?lián)Q代，因此，機器人的各個部件應(yīng)方便拆卸并更換，以確保更新和維護時的便捷，同時減少機器人在故障檢查和保護中產(chǎn)生的停機時間。 以上所述便是森林防火機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的一些要點。 在設(shè)計過程中，研究人員綜合考慮了機器人的特點、任務(wù)需求和性能指標(biāo)后，設(shè)計出了一款符合實際應(yīng)用需求的智能機器人［1］。 機器人整體機械結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 整體機械結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計

防火機器人主控芯片采用STM32f103 單片機，該系列單片機功能強大，性價比高。 該系列單片機為嵌入式開發(fā)設(shè)計了高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex 內(nèi)核；集成了6～64 KB 的SRAM 存儲器和32 ～512 KB 的Flash 存儲器，可提供2.0 ～3.6 V 的電源供電和I/O 接口的驅(qū)動電壓，同時支持單片機的上電復(fù)位（power on reset，POR）、分頁數(shù)據(jù)接收器（paging data receivers，PDR）和可編程的電壓探測器。 此外，單片機還配備了4～16 MHz 的晶振、內(nèi)嵌出廠前校準(zhǔn)的8 MHz 的電阻-電容（resistance capacitance，RC）振蕩電路、內(nèi)部40 kHz 的RC 振蕩電路以及用于中央處理器（central processing unit，CPU）時鐘的鎖相環(huán)（phase locked loop，PLL）和校準(zhǔn)實時時鐘（real time clock，RTC）的32 kHz 晶振。 單片機還提供了串行調(diào)試和聯(lián)合測試工作組（joint test action group，JTAG）接口，最多可支持112 個快速IO 口、11 個定時器和13 個通信接口［2］。 其簡單的結(jié)構(gòu)和易用的工具，再配合其強大的功能，使其成為嵌入式開發(fā)常用的主控芯片。 圖2 為芯片引腳圖。

圖2 芯片引腳圖

2.1 避障電路設(shè)計

機器人的避障模塊選用SR04，采用HC-SR04 芯片。該芯片具有較高的集成度以及良好的穩(wěn)定性，該模塊采用封閉式防水設(shè)計，可以適應(yīng)潮濕惡劣的測量場合，探測距離為4.5 m［3］。 避障傳感器利用超聲波檢測機器人與前方障礙物的距離，且將數(shù)據(jù)傳回主控芯片STM32f103，使機器人進行避障操作。

2.2 溫度檢測電路設(shè)計

溫度檢測采用DS18B20 模塊，DS18B20 是一款數(shù)字溫度傳感器，采用半導(dǎo)體溫度傳感器技術(shù)來測量溫度。 其最大特點是具有微型化、功耗低、高性能等優(yōu)點，能夠直接將溫度反饋的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供處理器處理。DS18B20 測量的溫度范圍為-55 ～125 ℃，分辨率可編程為9～12 位，可以實現(xiàn)高精度測量［4］。 溫度檢測傳感器會實時地檢測環(huán)境溫度， 并將數(shù)據(jù)傳回主控芯片STM32f103，結(jié)合煙霧傳感器的數(shù)據(jù)判斷是否超過閾值，排除環(huán)境氣溫變化對溫度傳感器檢測結(jié)果的影響。

2.3 煙霧檢測電路設(shè)計

煙霧檢測傳感器選擇MQ-2 型煙霧傳感器，該傳感器所采用的氣敏材料是二氧化錫，在干凈的空氣中具有較低的電導(dǎo)率，屬于表面離子式N 型半導(dǎo)體。 煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號就越大［5］。 煙霧檢測傳感器會實時檢測環(huán)境煙霧濃度，實時將數(shù)據(jù)傳回主控芯片STM32f103。

2.4 報警電路設(shè)計

報警電路通過主控芯片STM32f103 輸出控制信號，控制三極管使蜂鳴器開關(guān)，三極管將微弱的控制信號轉(zhuǎn)換成能夠控制蜂鳴器的較大電流，從而實現(xiàn)蜂鳴器報警的功能。 通過對三極管的參數(shù)、功耗等進行選型，最終在該電路中選用8050 NPN 型三極管。 當(dāng)三極管的基極接收到主控芯片STM32f103 的高電平控制信號時，電流從發(fā)射極流向集電極，使三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音；而當(dāng)三極管的基極接收到主控芯片STM32f103 的低電平控制信號時，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器斷電。 報警電路如圖3 所示。

圖3 報警電路

2.5 滅火電路設(shè)計

滅火電路是通過主控芯片STM32f103 輸出控制信號，控制三極管使繼電器開關(guān)。 三極管將微弱的控制信號轉(zhuǎn)換成能夠控制繼電器的較大電流，從而通過繼電器控制水炮的開關(guān)實現(xiàn)滅火。 主控芯片STM32f103 發(fā)出高電平控制信號使三極管處于放大狀態(tài)，繼電器打開；主控芯片STM32f103 發(fā)出低電平控制信號三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，繼電器關(guān)閉。 當(dāng)繼電器斷電時會產(chǎn)生自感電動勢，三極管的作用是為了提供續(xù)流回路，確保繼電器斷電時自感電動勢產(chǎn)生的能量能夠自行消耗，不會對電路造成損壞。 圖4 為滅火電路。

圖4 滅火電路

機器人啟動、避障等功能是通過五個按鍵進行操作的，分別對應(yīng)避障檢測、環(huán)境檢測等不同的動作。 電機通過L298 N 驅(qū)動模塊進行驅(qū)動，由主控芯片STM32f103 發(fā)出控制信號。 機器人還采用液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）進行溫度、距離等數(shù)據(jù)的顯示，方便巡護人員進行實時監(jiān)測。 綜上所述，機器人的控制和監(jiān)測部分的設(shè)計非常合理，功能齊全，能夠滿足機器人防火運行的基本需求。 圖5 為硬件電路圖。

圖5 硬件電路

3 軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的構(gòu)成和程序流程如圖6 所示，先對各模塊進行初始化工作，包括與各傳感器的通信、數(shù)據(jù)獲取和處理等。 在主程序中，會實時獲取各傳感器模塊返回的數(shù)據(jù)，包括溫度檢測、煙霧檢測、避障檢測等模塊的實時數(shù)據(jù)，并在LCD 上對溫度、距離等數(shù)據(jù)進行顯示。 主程序會根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)確定機器人的控制信號，包括發(fā)出對電機驅(qū)動的控制信號、滅火模塊工作的控制信號，以及躲避障礙物的控制信號。 如果多個傳感器返回的數(shù)據(jù)超過了設(shè)定的閾值，說明出現(xiàn)了火災(zāi)，主程序會觸發(fā)滅火模塊和報警模塊的工作程序流程。 與此同時，主程序還會發(fā)出電機的控制信號，使機器人能夠躲避障礙物進行滅火以及報警，保障機器人的滅火工作順利進行。 整個系統(tǒng)流程都需要依靠多傳感器返回數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的判斷實現(xiàn)機器人智能化的操作。

圖6 軟件設(shè)計流程

4 縱向斜坡運動分析仿真

機器人的斜坡攀爬能力非常重要，尤其是在森林防火等特殊環(huán)境中。 履帶式防火機器人通常能夠比輪式機器人更好地適應(yīng)復(fù)雜地形，因為它的接觸面積更大，對地面的摩擦力更大，能夠更好地抓地。 機器人的斜坡攀爬能力取決于多個因素，如履帶的質(zhì)量、面積和形狀、機器人的重量和平衡性、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的性能等等。 為了確保機器人具備足夠的垂直傾角，需要進行詳細的測試和分析，根據(jù)履帶式消防機器人的技術(shù)規(guī)范，它必須具備30°的垂直傾角，本設(shè)計對該能力進行深入研究。

通過虛擬樣機模型和30°斜坡地形模型，機器人的爬坡性能可以通過觀察地表的摩擦力以及機械部件的運動強度來評估。 如森林地面的靜摩擦系數(shù)取決于多種因素，如樹木密度、地面粗糙度、濕度等。 因為森林的環(huán)境各異，通常情況下，森林表層的靜摩擦系數(shù)介于0.6 ～0.8 之間［6-7］。 將驅(qū)動函數(shù)調(diào)整為100 d，地面靜摩擦系數(shù)調(diào)整為0.6，動摩擦系數(shù)調(diào)整為0.5，仿真時間調(diào)整為70 s。 以上考慮了森林地面的靜摩擦系數(shù)、驅(qū)動函數(shù)和仿真時間等多種因素，最終得出了機器人在該環(huán)境中的爬坡性能［8］。 根據(jù)圖7 可以看到仿真的結(jié)果。 通過仿真結(jié)果，可以看出機器人在該環(huán)境下的性能表現(xiàn)較好。

圖7 摩擦系數(shù)為0.6 時防火機器人爬坡模型仿真分析

根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)機器人處于平面狀態(tài)時，其速度和力矩會顯著提升，達到最大值，當(dāng)它在12.5 s 時接近斜坡底端，其速度開始減緩；在30 s 時到達斜坡底端，其速度會降至最低，而力矩則會迅速提升。 60 s 后，機器人緩慢地抵達斜坡頂部，并以水平面運動的速度繼續(xù)前進，同時驅(qū)動力矩也在不斷減小，速度最終達到水平運動的最大值。因此摩擦系數(shù)超過0.6 時，防火機器人可以輕松地爬上30°的陡峭斜坡。 見圖8 所示。

圖8 30°爬坡仿真模型

5 結(jié)語

綜上所述，森林環(huán)境復(fù)雜，因此導(dǎo)致滅火工作的難度很大，人工防火變得十分困難。 隨著機器人技術(shù)的成熟和發(fā)展，防火機器人成為日常防火的必要手段。 機器人非常先進，它們擁有煙霧檢測、避障檢測以及溫度檢測等多項高級功能，還能夠進行滅火并發(fā)出警報。 由于機器人能夠在白天和夜間進行不間斷的巡邏工作，并實現(xiàn)24 h 沿固定路線的巡邏任務(wù)，因此可以有效地避免火災(zāi)的發(fā)生。 另外，機器人上安裝的各種傳感器不僅可以檢測場所的溫度變化和煙霧變化等火災(zāi)預(yù)警信號，還能及時向相關(guān)人員發(fā)出警報，從而發(fā)揮一定的預(yù)防火災(zāi)作用。