立體化倉庫智能滅火機器人的設計與制作

聶然

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南232000）

立體化倉庫智能滅火機器人的設計與制作

聶然

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南232000）

隨著社會的進步，越來越多的儲存倉庫朝著大型化、立體化發展，但是隨之而來的是消防安全隱患的存在。本文設計一種以ARM9為控制核心的立體化倉庫滅火機器人，包括硬件、軟件設計?；馂陌l生時滅火機器人上傳感器發出報警，在消防人員的遠程操控下查看火情并及時撲滅。

機器人；火災檢測；滅火

0 前言

機器人技術的產生，是多門科學技術共同發展的一個綜合性的結果[1]，它對經濟社會發展產生了重大影響，展望21世紀，機器人將會像上世紀的計算機一樣普及，會深入地應用到各個領域。滅火機器人可以代替人進入危險場合，并有著更高的效率，因此，有著廣闊的應用前景。

國際上通常把消防機器人分為三代，第一代程序控制消防機器人已經逐漸淘汰，目前發達國家正著力從第二代消防機器人向著第三代智能消防機器人發展。我國消防機器人研制工作同樣有著可喜的成果，這對減少國家財產損失和解救受災人員起到了至關重要的作用，同時消防機器人的發展對我國機器人技術、信息通信控制技術、軟件技術、計算機技術等多學科領域技術的發展起到了積極的推動作用和深遠的影響[2]。

本文是針對現代立體化倉庫而設計的一款消防機器人，機器人通過自身高精度的火焰檢測裝置和靈活的機械結構設計，可以實現從火災檢測預報到偵查滅火。本文將分別從機器人整體機構、滅火機器人的軟硬件設計和如何提高機器人系統的穩定性來詳細闡述整個機器人控制系統的設計思路和設計過程。

1 立體化倉庫滅火機器人硬件系統設計

1.1 系統總體設計

立體化倉庫滅火機器人在硬件系統設計上包括以下幾個部分：控制部分、車體結構部分、火災監測傳感器部分、圖像傳輸與滅火部分。

1.2 控制部分

由于要實現對機器人復雜的運動控制和對外圍數據的采集，因此，需要一款性能較高的主控制器。本設計采用以ARM9為CPU的主控制器，該控制器最高運行速度可達180MHZ，具有4路USART、以太網MAC、USB2.0、此外，還有28路模擬轉換通道，可以滿足機器人的控制要求。

1.3 車體結構部分

滅火機器人在惡劣的環境必須有可靠的車體，滅火機器人結構有以下特性。1）底盤和模塊連接后重心穩定，在啟動和剎車的時候沒有頓挫的現象，若發生碰撞車子還會保持平衡。2）底盤所使用材料強度要合理在生撞擊時候不會過度損壞。3）通過對車體優化設計來達到充分利用空間的目的，同時要使安裝盡可能簡化。4）車體具有很好的操控性，移動迅速，加減速快，轉向精確，并且能按照指令準確行走。因此車體選擇高強度的鋁合金，在合理布局后再安裝各個部分。

此外，滅火機器人要安裝視頻模塊、煙霧傳感器和滅火裝置，這些都需要機器人在工作時候改變方向與角度。因此，在機器人車體上安裝了可升降的云臺。

1.4 火災監測傳感器部分

傳感器是決定機器人是否智能的關鍵，傳感器使機器人可以感知外界。在火災發生時倉庫溫度會升高并伴有煙霧，因此，本設計中采用火焰傳感器和煙霧傳感器。

火焰檢測傳感器是利用物體燃燒時相對于自然光不同波長的的輻射來進行判斷的，溫度越高波長越短。本設計采用R2868火焰傳感器，極高的探測精度使它可以探測 185到 260個不同的狹窄光譜敏感源，當波長達到事先設定的閾值時候便會發出警報。當倉庫中發生火災時溫度變化致使輻射的波長改變，當到達設定閾值便會發出報警。本設計在車體前后各安裝一個火焰傳感器，在機器人巡檢過程中同一時刻可對五十立方米空間進行監測。

為了進一步提升滅火機器人的監測能力，本次設計還采用了煙霧傳感器。在火災發生初期，可燃物燃燒不徹底會產生大量煙霧并且漂浮在空氣中。在本次設計將煙霧傳感器安裝在云臺上，工作時使其可以實時監測空氣是否有煙霧產生。

1.5 圖像傳輸與滅火部分

視頻傳輸模塊是該機器人的“眼睛”，當控制中心得到機器人的火災發警報后打開視頻模塊。此時的視頻要把現場情況傳回控制中心，控制中心要根據現場情況規劃機器人行進策略。視頻模塊由FPV圖傳攝像頭采集視頻信號，通過1.2G 400mW無線發射機發射信號，通過無線接收機接收信號，最后通過視頻采集卡把模擬信號轉化成視頻信號在PC端顯示。

滅火部分是機器人的重要執行機構，為了應對不同程度的火災本次設計采取滅火器和高壓水槍兩種不同的滅火裝置。在火災發生的初期和小規?；馂臅r利用滅火器來滅火，當火勢較大時候采用高壓水槍滅火。

此外，要充分利用云臺對滅火機器人滅火角度和視頻拍攝角度進行改變，達到精準滅火和精準拍攝的目的。

2 立體化倉庫滅火機器人軟件系統設計

2.1 滅火機器人軟件總體設計

滅火機器人軟件系統主要包括機器人運動策略部分和PC端上位機設計。運動策略主要是對運動算法優化，上位機則有著友好的人機交互。

2.2 運動策略控制

滅火機器人采用智能PID運動算法，與一般普通PID閉環算法不同的是智能PID算法通過遺傳算法[3]對PID中的參數進行優化。通過實踐得到KP、KI、KD超調量明顯減少，對于外界干擾的魯棒性更強且實際控制更加精準。其傳遞函為：

2.3 上位機制作

滅火機器人的遠程控制采要采用上位機來發送指令，本文在上位機的編寫上采用的是Labview。

Labview是由美國國家儀器公司開發的編程環境[4]。最具特點的是其不是用匯編、c語言等基礎語言，它采用的是圖形化的編程語言。與傳統開發環境相比，Labview具有，功能強大、高效、操作界面簡潔、開發簡便等優勢。實際使用表明上位機能很好的實現控制人員和滅火機器人交互。

3 結束語

本文對立體化倉庫機器人的硬件系統與軟件系統設計做了較為詳實的介紹，硬件方面云臺和多傳感器的使用是一大特色。軟件方面利用遺傳算法對PID參數進行優化實現了很好的控制效果。利用Labview編寫的上位機程序能夠實現友好的人機交互。

隨著社會的發展和科技的長足進步越來越多的工作將由機器人來完成，同樣對于滅火這種高危工作機器人肯定會得到更多的應用。

［1］李曉寧，李曉峰.互動機器人的研究[J].長春師范學院學報（自然科學版），2010（3）:36-37.

［2］寧再望．消防機器人技術在滅火救援中的設計分析[J]．數字技術與應用，2012（5）．

［3］陳敏，譚思云，黃玉清．遺傳算法在PID參數整定中的應用[J]．儀表技術，2010（5）:49-52．

［4］孫麗萍．虛擬儀器在動平衡測試中的應用[J]．科技風，2010（6）:267-268．

［責任編輯：田吉捷］