消防灭火机器人的设计与研究

消防灭火机器人的设计与研究

作者：唐振兴 杨利国 来源：《商情》2013年第32期

【摘要】灭火机器人可以替代人类在一些高危环境下作业，避免人员伤亡。机器人以单片机为控制核心，加以电源电路、电机驱动、避障前进系统、火焰检测电路、灭火系统以及其它电路构成。电源电路提供系统所需的工作电源，专用电机驱动芯片驱动电机控制机器人的前进后退以及转向，避障前进系统完成寻迹和避障，光敏电阻传感器检测火焰，灭火系统进行灭火。

【关键词】灭火，机器人，传感器 1.机器人技术的发展

机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展为机器人了提供了强大的技术保证。 2.灭火机器人的诞生

近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。为了解决这一问题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，消防机器人研究被提到了议事日程。而机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证，使得消防机器人应运而生。从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了消防机器人的研究。美国和苏联最早进行消防机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了消防机器人的研究，目前已有多种不同类型的消防机器人用于各种火灾场合。

3.灭火机器人的主要设计内容

灭火机器人设计了以ATMEGA128单片机作为主控制器，光敏电阻作为本系统的火焰传感器，用ST178型光电对管进行寻线和避障，L298作为直流电机的驱动芯片。所做工作和确定的成果如下：（1）以单片机ATMEGA128为核心拟定了系统组成方案，完成了系统的电路硬件总体设计，包括供电模块、单片机系统、寻线系统、电机驱动系统、壁障系统、火焰检测系统以及灭火系统和各个模块间接口。

（2）完成主要功能模块的程序设计，分别完成对各个功能模块的程序进行调试工作。 4.整体方案设计

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课题要求设计一个简易灭火机器人模型，能到指定区域进行灭火工作（以蜡烛模拟火源，分布在机器人行走的场地中）。机器人必须通过内部设备采集现场环境情况进行分析并做出相应的动作，以达到机器人智能灭火的目的。根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、直流电机及其驱动模块、避障传感器模块、避障模块、火焰传感器、灭火系统及其驱动模块等模块构成，本系统的方框图如图所示。 5.灭火机器人设计的细节问题

（1）机器人对火源的认定：发生火灾时，起火点温度高，红外线强度大，并激发较为强烈的光谱。根据这种情况，机器人设计中应安装有‘空气二氧化碳含量监测仪’、‘红外线探测器’、‘光谱强度监测仪’以及‘灵敏温度传感器’等监测仪器。监测仪收集到的信息传送到机器人核心单片机中，单片机对收集到的信息进行处理分析，判断是否有火灾发生，并输出相对应信号。

（2）机器人对火源位置的判定：机器人核心单片机中可以储存所在位置的三维立体地图，单片机在对监测仪收集到的信息进行处理时如发现有火灾发生便可根据三维立体地图大体确定火灾发生地点。如果是人控机器人，则在机器人设计时应安装摄像头（该摄像头应具有在黑暗、烟雾等环境下工作的能力）根据机器人录像得到的图像信息，人为判定是否存在火灾问题以及火源位置。

（3）机器人如何到达火原位置：先前问题中已经提到，在机器人中央处理芯片中预存有该位置的全景三维立体地图，机器人在认定有火灾发生并确定大概火灾地点后可根据地图导航前往火灾地点。

（4）机器人如何躲避障碍物：对于机器人如何躲避障碍物问题，可在机器人设计中加入避障前进系统，如‘超声波探测仪’等仪器，可利用超声波反馈进行判定前方是否有障碍物并作出相应对策如‘继续前进’、‘拐弯’等。如果是人控机器人，则可根据机器人提供的视频，人为控制机器人的前进。

（5）关于机器人如何适当停位：机器人可根据红外线检测以及光谱强度判定大概温度并分析继续前进是否会对机器人本身造成伤害，以此确定机器人前进距离，以及是否继续前进。 （6）关于机器人供能以及驱动：机器人构造中设有电源电路和电机驱动等电路。电源电路会为系统提供工作所需的电源，系统采用单电源供电电路时比较简单，但是考虑到电动机起动瞬间电流很大，会造成电源电压不稳，影响单片机和输入电路工作的稳定性和可靠性，因此采用双电源供电方案。将电机电源和单片机电源完全隔离。提高电动机的供电电压，可以提高机器人的运行速度，从而可以提高灭火的效率。电机驱动在机器人设计中的地位相当重要，机器人前进和灭火都需要电机驱动。机器人本就要求小巧轻便，所以电机要求体积小，重量轻，装配简单，使用方便。

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6.结语。火灾发生原因多种多样，对于不同原因造成的火灾处理方法也不相同。所以在机器人中央处理芯片程序设计中应编入对不同情况的火灾进行处理的方法以便机器人能够使用正确的方法熄灭火源，将损失降到最低程度。（1）在机器人管辖范围内，如果某处有火灾发生，火源检测器就会检测到，发出信号给机器人。（2）机器人接收到信号后立即驶向该报警处。（3）当机器人距离火焰一定距离后，利用红外检测仪以及光谱检测仪寻找到火源具体的位置 并驶近该位置进行灭火。 参考文献：

[1]黄玉清 梁靓.机器人导航系统中的路径规划算法[J].《微计算机信息》嵌入式SOC.2006.22（7-2）.

[2]万永伦 丁杰雄. 一种机器人寻线控制系统[J]. 电子科技大学学报，2003，32（1）.