王智威 劉帥 王靖鈞 胡明敏

摘 要：本文介紹了一種微型偵察消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)。首先介紹了消防偵察機(jī)器人的發(fā)展方向及本設(shè)計(jì)的目標(biāo)，然后分析消防偵察機(jī)器人的主要參數(shù)，最后給出機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：消防偵察機(jī)器人;履帶;單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TU998.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）13-0042-03

Abstract： This paper introduced the design of a miniature reconnaissance fire fighting robot. Firstly， this paper introduced the development direction of fire reconnaissance robot and the goal of this design， then analysed the main parameters of fire reconnaissance robot， and finally gave the design scheme of mechanical structure and control system.

Keywords： fire reconnaissance robot;track;singlechip

火災(zāi)是非天然災(zāi)害中對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)安全極具威脅的災(zāi)害之一，遭受威脅的不僅是火災(zāi)中的被救者，還包括火災(zāi)救援者?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)通常存在可視度低、可吸入顆粒物濃度高、爆炸、爆燃等極端危險(xiǎn)因子，無(wú)形中加大了消防救援難度。因此，當(dāng)火場(chǎng)內(nèi)部情況尚未明確前，建議消防救援人員不要貿(mào)然進(jìn)入火場(chǎng)。此時(shí)如果有一款偵察機(jī)器人先期進(jìn)入火場(chǎng)內(nèi)部進(jìn)行偵察摸底工作，在某種程度上為消防人員筑起一道保障生命安全的技術(shù)防線。由此，本文設(shè)計(jì)了一種微型偵察消防機(jī)器人。

1 消防偵察機(jī)器人的發(fā)展方向

消防機(jī)器人有很多類型，根據(jù)主要功能可分為滅火機(jī)器人、火場(chǎng)偵察機(jī)器人、危險(xiǎn)化學(xué)物品泄露探測(cè)機(jī)器人、救人機(jī)器人及具備多種功能的綜合機(jī)器人。

消防偵察機(jī)器人一直隨著科技的發(fā)展而進(jìn)步，由最初的程序控制機(jī)器人，到后來(lái)的傳感器機(jī)器人，再到如今的智能機(jī)器人。未來(lái)的消防偵察機(jī)器人將會(huì)朝著更加智能的方向發(fā)展，將能夠自主判斷、自主工作。此外，未來(lái)的消防偵察機(jī)器人將會(huì)更加地綜合化，除基本的偵查檢測(cè)功能外，還將具備其他類型消防機(jī)器人的某些功能。

2 本項(xiàng)目研究的內(nèi)容及設(shè)計(jì)目標(biāo)

研究?jī)?nèi)容具體如下。

①研究消防偵察機(jī)器人基本的機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)計(jì)。②研究消防偵察機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)偵察作業(yè)所需要的硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。③研究消防偵察機(jī)器人自我保護(hù)（防火隔熱）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)目標(biāo)具體如下。

①該消防偵察機(jī)器人可以通過(guò)無(wú)線遙控的方式進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，行駛靈活敏捷，有一定的越野避障能力。②能偵察火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)情，通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)將火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)絇C端，也能拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片傳送的PC端，可以通過(guò)此功能來(lái)尋找火源、搜索被困人員。③能夠在高溫濃煙等惡劣的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行偵察[1]。

3 本項(xiàng)目研制的消防偵察機(jī)器人的主要參數(shù)

長(zhǎng)為40cm;寬為30cm;高為30cm;總質(zhì)量為3.7kg;操作方式為無(wú)線;傳輸影像為彩色;視寬為120°。

設(shè)計(jì)的消防偵察機(jī)器人采用履帶式底盤(pán)，具有較強(qiáng)的越野和爬坡能力，能攀爬30°的斜坡，可自由轉(zhuǎn)向;機(jī)器人體型較小，可通過(guò)狹窄的通道;機(jī)器人裝有攝像頭，可將火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的畫(huà)面實(shí)時(shí)傳輸?shù)絇C端，用于偵察火災(zāi)實(shí)情，搜索火源和被困人員。當(dāng)機(jī)體內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)，噴水裝置自動(dòng)噴撒水幕到機(jī)體，機(jī)體溫度降低。圖1為消防偵察機(jī)器人整體設(shè)計(jì)。

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 移動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，消防偵察機(jī)器人要有良好的越野避障能力，因此設(shè)計(jì)了履帶式機(jī)構(gòu)作為移動(dòng)平臺(tái)，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，履帶板兩端的孔與驅(qū)動(dòng)輪齒輪嚙合，電機(jī)工作時(shí)通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)履帶運(yùn)轉(zhuǎn);支重輪的主要作用是支撐整個(gè)機(jī)體的重量，讓履帶沿著輪子前進(jìn);緩沖彈簧起緩沖作用，使履帶在行駛過(guò)程中始終保持一定的張緊狀態(tài);導(dǎo)向輪用于引導(dǎo)履帶正確繞轉(zhuǎn)，可以防止跑偏和越軌。

4.2 機(jī)器人自我保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)除了高溫還有明火。為了保證偵察機(jī)器人能夠在此環(huán)境下正常工作，整個(gè)機(jī)體必須要防火、耐高溫。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)和其他控制系統(tǒng)都是由集成電路板（單片機(jī)）控制，單片機(jī)上的集成電路很容易被高溫破壞，所以必須將電路控制系統(tǒng)安裝于機(jī)體內(nèi)，通過(guò)機(jī)體的防火隔熱材料保護(hù)內(nèi)部控制系統(tǒng)不受影響[2]。

4.2.1 機(jī)器人機(jī)體設(shè)計(jì)。現(xiàn)在的防火隔熱材料多用于工程建筑，如陶瓷纖維、板酚醛板等。這些材料雖然防火隔熱的性能很好，但是材料質(zhì)地堅(jiān)硬，不易于再加工。因此，選用金屬板材制作機(jī)體，將隔熱棉貼置于板材內(nèi)部，以保護(hù)內(nèi)部電路。隔熱棉中有很多的間隙，大量的熱被氣泡阻擋，很難進(jìn)入內(nèi)部。

4.2.2 噴水裝置設(shè)計(jì)。噴水裝置主要由水箱、水泵及噴頭組成，由一個(gè)熱敏電阻控制。當(dāng)機(jī)體內(nèi)部溫度達(dá)到50℃時(shí)，電路導(dǎo)通，水泵開(kāi)始工作，噴頭將水噴灑在機(jī)體上，水珠在高溫下開(kāi)始蒸發(fā)，蒸發(fā)時(shí)吸收了機(jī)體大量的熱，機(jī)體溫度降低。水泵直徑33mm，進(jìn)水口16mm，出水口6mm，最大流量4L/min，額定功率30W，直流輸入12V/2A。

5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的消防偵察機(jī)器人采用上下位機(jī)的工作方式控制整個(gè)系統(tǒng)。操作人員通過(guò)上位機(jī)（遙控器）發(fā)出指令，如機(jī)器人的前進(jìn)、后退，轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)的左右旋轉(zhuǎn)等。這些指令通過(guò)無(wú)線數(shù)字傳輸模塊發(fā)送給下位機(jī)（單片機(jī)），下位機(jī)接收到指令后按照之前擬定的程序，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)和舵機(jī)進(jìn)行工作[3]。下位機(jī)具有WIFI模塊，設(shè)計(jì)了用電腦PC端控制下位機(jī)，操作和遙控器相同。在此過(guò)程中，攝像頭通過(guò)WIFI信號(hào)和電腦PC端進(jìn)行圖像傳輸。攝像頭將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)絇C端，操控人員根據(jù)回傳的畫(huà)面了解現(xiàn)場(chǎng)情況，形成了一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)如圖3所示。

5.2 STM32103F核心板簡(jiǎn)介

核心板型號(hào)為STM32F103VET6，內(nèi)核為ARM32位的Corter-M3CPU，調(diào)試方式為SWD。

MCU介紹：最高工作頻率72MHz;256K閃存程序存儲(chǔ)器;64K字節(jié)SRAM;帶4個(gè)片選的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器，支持Cf卡、SRAM、PSRM、NOR和NAND存儲(chǔ)器;4～16MHz晶振蕩器;2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器;112個(gè)快速I(mǎi)/O端口，所有I/O口可以映像到16個(gè)外部中斷，幾乎所有的端口均可容忍5V信號(hào)。

5.2.1 WIFI數(shù)傳模塊。WIFI模塊又名串口WIFI模塊，提供設(shè)置工作信道的參數(shù)，在已知目的網(wǎng)絡(luò)所在信道的條件下，可以直接指定模塊的工作信道，從而達(dá)到加快聯(lián)網(wǎng)速度的目的[4]。本項(xiàng)目中，PC端通過(guò)鏈接WIFI模塊的建立數(shù)據(jù)/圖像傳輸通道，操控人員借用PC端將指令通過(guò)數(shù)傳模塊傳送給單片機(jī)，攝像頭也通過(guò)數(shù)傳模塊將圖像傳送到PC端。

5.2.2 遙控模塊。發(fā)射機(jī)由指令鍵（或操作桿）、指令編碼系統(tǒng)、調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路及發(fā)射電路等組成。當(dāng)按下指令鍵或推動(dòng)操作桿時(shí)，指令編碼電路產(chǎn)生所需的指令編碼信號(hào)，指令編碼信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，再由驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大后由發(fā)射電路向外發(fā)射經(jīng)調(diào)制的指令編碼信號(hào)。

接收電路由接收電路、放大電路、調(diào)制電路、指令譯碼電路、驅(qū)動(dòng)電路及執(zhí)行電路（機(jī)構(gòu)）等組成。接收電路接收發(fā)射器發(fā)出的已調(diào)制的編碼指令信號(hào)，并進(jìn)行放大后送至解調(diào)電路，解調(diào)電路將已調(diào)制的指令編碼信號(hào)解調(diào)出來(lái)，即還原為編碼信號(hào)。指令譯碼器將編碼指令信號(hào)進(jìn)行譯碼，最后由驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路實(shí)現(xiàn)各種指令的操作控制（機(jī)構(gòu)）。本項(xiàng)目中，接收器和單片機(jī)相連，單片機(jī)給接收器供電，接收器將編譯過(guò)的指令傳給單片機(jī)[5]。

5.2.3 電路系統(tǒng)。本電路系統(tǒng)的輸出主要是控制系統(tǒng)和噴水裝置兩大部分。一方面，電源通過(guò)導(dǎo)線連接單片機(jī)上的電源模塊給單片機(jī)提供6～12V的電壓，通過(guò)單片機(jī)上的電機(jī)和舵機(jī)模塊供電給電機(jī)和舵機(jī)，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)上的5V輸出拓展模塊給WIFI數(shù)傳模塊供電;另一方面，電源、熱敏電阻及迷你水泵組成一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)電路，熱敏電阻在溫度的影響下通斷，控制水泵工作。電路的電源用的是11.1V3s2200mah7.4V的格式電池，航模電池安全性高、壽命長(zhǎng)、環(huán)保無(wú)污染，很適合作為本項(xiàng)目的電源。圖4為單片機(jī)電源模塊。

6 總結(jié)與期望

本項(xiàng)目主要完成了移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)平臺(tái)的搭建和設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，使其具備偵察火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的能力。本項(xiàng)目以現(xiàn)有的履帶式底盤(pán)為參考，設(shè)計(jì)了符合消防偵察機(jī)器人的越野性能好、高負(fù)載、活動(dòng)靈活的移動(dòng)機(jī)構(gòu);以黃銅板和隔熱材料為主體，噴水降溫裝置為輔助，設(shè)計(jì)了能夠保護(hù)機(jī)體在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)正常工作的機(jī)械機(jī)構(gòu);基于單片機(jī)核心板的控制系統(tǒng)、數(shù)傳模塊及遙控模塊，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人無(wú)線遙控的驅(qū)動(dòng)模式，保證了高清視頻、照片的高效回傳。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫姜旭.小型消防機(jī)器人分析與設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[2]房海蓉，方躍法，楊延昭，等.基于隧道火災(zāi)的消防機(jī)器人系統(tǒng)研究[J].中國(guó)科學(xué)安全報(bào)，2003（10）：4.

[3]王南丁.消防機(jī)器人履帶行走裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2015.

[4]國(guó)家“863”消防機(jī)器人課題組.中國(guó)第一代消防機(jī)器人[J].機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用，2000（6）：7-10.

[5]孫立寧，董為，杜志江.宏/微雙重驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2005（1）：89-93.