郭亭亭　劉文濤　李希彬　池榮虎

摘要：當(dāng)前每年火災(zāi)及化學(xué)品等物質(zhì)的泄漏、燃燒、爆炸等事故給人民群眾的生命安全和財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。針對常規(guī)室內(nèi)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人無法進(jìn)入高危災(zāi)害場所偵察現(xiàn)場的情況，設(shè)計(jì)了一種可替代工作人員進(jìn)入復(fù)雜惡劣環(huán)境，并可對高危事故現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)偵察的防爆型消防偵察機(jī)器人，并對機(jī)器人進(jìn)行了綜合試驗(yàn)和典型應(yīng)用場景驗(yàn)證，證明了防爆型消防偵察機(jī)器人的有效性。

關(guān)鍵詞：特種機(jī)器人;消防偵察;履帶式移動平臺

1 防爆型消防偵察機(jī)器人研發(fā)背景

在發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故后，消防人員在高危事故現(xiàn)場的救援和勘察過程中存在很多困難。比如，在面臨易燃易爆氣體、有毒有害氣體、高溫濃煙等災(zāi)害情況時(shí)，由于缺少有效裝備及設(shè)施，救援人員若貿(mào)然采取行動必將給消防人員帶來很大危險(xiǎn)。消防人員雖然可著防護(hù)設(shè)備進(jìn)入火場，但需攜帶諸多探測設(shè)備對火場參數(shù)進(jìn)行測量，給消防員造成沉重的體力負(fù)擔(dān)，甚至?xí)璧K消防人員在爆炸等緊急情況下的逃生[1]。

目前國內(nèi)偵察機(jī)器人主要針對室內(nèi)結(jié)構(gòu)性環(huán)境而設(shè)計(jì)，普通的輪式機(jī)器人無法適用于復(fù)雜的地面環(huán)境;常規(guī)的機(jī)器人因自身防護(hù)性能不足，極易在充滿易燃易爆氣體的場所點(diǎn)燃危險(xiǎn)源，從而發(fā)生二次災(zāi)害[2-3]。

2 防爆型消防偵察機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組成

針對上述需求，本文設(shè)計(jì)了適用于高危事故現(xiàn)場的防爆型消防偵察機(jī)器人，其機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該偵察機(jī)器人主要包括：履帶式移動底盤（本體、懸掛系統(tǒng)）、偵察組件（回轉(zhuǎn)云臺、攝像系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、環(huán)境探測傳感器組）、無線通信組件、避障測距組件、運(yùn)動驅(qū)動組件。

電氣方面，該消防偵察機(jī)器人包括控制模塊、運(yùn)動驅(qū)動模塊、參數(shù)采集模塊、避障導(dǎo)航模塊、通信模塊、電源管理模塊以及故障診斷模塊，電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

偵察機(jī)器人通過無線通信模塊與地面控制站進(jìn)行實(shí)時(shí)通信并將機(jī)器人自身狀態(tài)參數(shù)、采集的環(huán)境參數(shù)信息實(shí)時(shí)回傳顯示，另外操縱人員還可通過地面控制站實(shí)時(shí)控制指揮機(jī)器人偵察作業(yè)。

3 防爆型消防偵察機(jī)器人核心關(guān)鍵技術(shù)研究

為使偵察機(jī)器人適用于復(fù)雜的惡劣環(huán)境中，機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)如下：防爆等級為Exd（ib）Ⅱb+H2T6Gb，防水等級為IP67，整機(jī)重量≤500 kg，運(yùn)行速度≥1.5 m/s，爬坡角度≥40°（可爬樓梯），攀爬臺階高度≥280 mm，續(xù)航能力≥4 h。

針對上述指標(biāo)，本文對偵察機(jī)器人的動力學(xué)性能以及控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

3.1? ? 研究機(jī)器人動力學(xué)優(yōu)化技術(shù)，提高移動平臺爬坡越障性能

本文建立了復(fù)雜地面環(huán)境下防爆型消防偵察機(jī)器人的動力學(xué)模型，對消防偵察機(jī)器人的各類組件開展理論、受力仿真等研究，論證防爆型消防偵察機(jī)器人尤其是運(yùn)動機(jī)械組件的結(jié)構(gòu)、位置等合理性，為消防偵察機(jī)器人在復(fù)雜地面環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高性能爬坡越障提供機(jī)械組件力學(xué)的理論和設(shè)計(jì)依據(jù)。

通過建立復(fù)雜地面環(huán)境下防爆型消防偵察機(jī)器人的動力學(xué)模型的運(yùn)動學(xué)模型，對消防偵察機(jī)器人的各類運(yùn)動模式（如直行、轉(zhuǎn)彎等）開展理論、仿真研究，研究驅(qū)動組件和外部行走部件與地面交互作用等之間的作用力，為機(jī)器人在復(fù)雜地面環(huán)境下的高性能爬坡越障提供依據(jù)，也為目標(biāo)驅(qū)動型防爆型消防偵察機(jī)器人算法研究提供平臺基礎(chǔ)。

3.2? ? 研究機(jī)器人自抗擾控制算法，提高機(jī)器人控制抗擾性能和控制精度

本文開展了基于目標(biāo)驅(qū)動原則的控制算法研究，引入反饋機(jī)制，偵察機(jī)器人中的控制器首先進(jìn)行地圖構(gòu)建，并確定機(jī)器人行走路線和目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)位置。在該過程中，控制器實(shí)時(shí)通過避障及測距模塊等實(shí)現(xiàn)多傳感器融合并提取相關(guān)信息，將處理后的有效數(shù)據(jù)與慣性導(dǎo)航模塊融合，實(shí)現(xiàn)對消防偵察機(jī)器人的驅(qū)動，降低機(jī)器人對控制器實(shí)時(shí)驅(qū)動策略的依賴性。在目標(biāo)驅(qū)動策略下，控制器通過自抗擾控制算法實(shí)現(xiàn)對左右兩個(gè)伺服驅(qū)動器的控制，將外部由于復(fù)雜地形變化導(dǎo)致的驅(qū)動器負(fù)載變化所引起的速度或位置擾動視為外繞進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償控制，提高了消防偵察機(jī)器人目標(biāo)驅(qū)動算法的抗干擾性、高效性和運(yùn)動精準(zhǔn)性，使消防偵察機(jī)器人不僅適用于復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)地面環(huán)境，更適合需要對機(jī)器人位置或速度進(jìn)行精準(zhǔn)控制的場合。

4 防爆型消防偵察機(jī)器人樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

偵察機(jī)器人設(shè)計(jì)主要經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、各模塊研制和調(diào)試、算法研究，后經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)形成機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)。目前，機(jī)器人工作狀態(tài)和性能指標(biāo)良好，已被部署于煙臺、威海消防中隊(duì)、萬華化學(xué)品廠等單位。防爆型消防偵察機(jī)器人實(shí)物圖如圖3所示。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種適用于易燃易爆等高危場所的防爆型消防偵察機(jī)器人，可代替消防人員進(jìn)入高危災(zāi)害現(xiàn)場，并對機(jī)器人的高性能爬坡越障技術(shù)以及高精度抗擾動技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提高了非結(jié)構(gòu)復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人的全地形通過性、機(jī)動性、高可靠性。未來，防爆型消防偵察機(jī)器人將顯著提高消防偵察救援效率，可極大地降低人身和財(cái)產(chǎn)的損失。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉琪.基層火災(zāi)事故調(diào)查工作現(xiàn)狀與策略[J].消防界（電子版），2019（8）：35-36.

[2] 陳建斌.消防機(jī)器人在我國滅火救援中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景分析[J].地球，2017（10）：98.

[3] 倪銀堂，呂迪洋，王振豪.消防機(jī)器人的研究現(xiàn)狀綜述與展望[J].自動化應(yīng)用，2017（2）：28-29.

收稿日期：2020-03-06

作者簡介：郭亭亭（1990—），男，山東濟(jì)寧人，工程師，研究方向：機(jī)器人設(shè)計(jì)與智能控制。