立体化仓库智能灭火机器人的设计与制作

聂然

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南232000）

立体化仓库智能灭火机器人的设计与制作

聂然

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南232000）

随着社会的进步，越来越多的储存仓库朝着大型化、立体化发展，但是随之而来的是消防安全隐患的存在。本文设计一种以ARM9为控制核心的立体化仓库灭火机器人，包括硬件、软件设计。火灾发生时灭火机器人上传感器发出报警，在消防人员的远程操控下查看火情并及时扑灭。

机器人；火灾检测；灭火

0 前言

机器人技术的产生，是多门科学技术共同发展的一个综合性的结果[1]，它对经济社会发展产生了重大影响，展望21世纪，机器人将会像上世纪的计算机一样普及，会深入地应用到各个领域。灭火机器人可以代替人进入危险场合，并有着更高的效率，因此，有着广阔的应用前景。

国际上通常把消防机器人分为三代，第一代程序控制消防机器人已经逐渐淘汰，目前发达国家正着力从第二代消防机器人向着第三代智能消防机器人发展。我国消防机器人研制工作同样有着可喜的成果，这对减少国家财产损失和解救受灾人员起到了至关重要的作用，同时消防机器人的发展对我国机器人技术、信息通信控制技术、软件技术、计算机技术等多学科领域技术的发展起到了积极的推动作用和深远的影响[2]。

本文是针对现代立体化仓库而设计的一款消防机器人，机器人通过自身高精度的火焰检测装置和灵活的机械结构设计，可以实现从火灾检测预报到侦查灭火。本文将分别从机器人整体机构、灭火机器人的软硬件设计和如何提高机器人系统的稳定性来详细阐述整个机器人控制系统的设计思路和设计过程。

1 立体化仓库灭火机器人硬件系统设计

1.1 系统总体设计

立体化仓库灭火机器人在硬件系统设计上包括以下几个部分：控制部分、车体结构部分、火灾监测传感器部分、图像传输与灭火部分。

1.2 控制部分

由于要实现对机器人复杂的运动控制和对外围数据的采集，因此，需要一款性能较高的主控制器。本设计采用以ARM9为CPU的主控制器，该控制器最高运行速度可达180MHZ，具有4路USART、以太网MAC、USB2.0、此外，还有28路模拟转换通道，可以满足机器人的控制要求。

1.3 车体结构部分

灭火机器人在恶劣的环境必须有可靠的车体，灭火机器人结构有以下特性。1）底盘和模块连接后重心稳定，在启动和刹车的时候没有顿挫的现象，若发生碰撞车子还会保持平衡。2）底盘所使用材料强度要合理在生撞击时候不会过度损坏。3）通过对车体优化设计来达到充分利用空间的目的，同时要使安装尽可能简化。4）车体具有很好的操控性，移动迅速，加减速快，转向精确，并且能按照指令准确行走。因此车体选择高强度的铝合金，在合理布局后再安装各个部分。

此外，灭火机器人要安装视频模块、烟雾传感器和灭火装置，这些都需要机器人在工作时候改变方向与角度。因此，在机器人车体上安装了可升降的云台。

1.4 火灾监测传感器部分

传感器是决定机器人是否智能的关键，传感器使机器人可以感知外界。在火灾发生时仓库温度会升高并伴有烟雾，因此，本设计中采用火焰传感器和烟雾传感器。

火焰检测传感器是利用物体燃烧时相对于自然光不同波长的的辐射来进行判断的，温度越高波长越短。本设计采用R2868火焰传感器，极高的探测精度使它可以探测 185到 260个不同的狭窄光谱敏感源，当波长达到事先设定的阈值时候便会发出警报。当仓库中发生火灾时温度变化致使辐射的波长改变，当到达设定阈值便会发出报警。本设计在车体前后各安装一个火焰传感器，在机器人巡检过程中同一时刻可对五十立方米空间进行监测。

为了进一步提升灭火机器人的监测能力，本次设计还采用了烟雾传感器。在火灾发生初期，可燃物燃烧不彻底会产生大量烟雾并且漂浮在空气中。在本次设计将烟雾传感器安装在云台上，工作时使其可以实时监测空气是否有烟雾产生。

1.5 图像传输与灭火部分

视频传输模块是该机器人的“眼睛”，当控制中心得到机器人的火灾发警报后打开视频模块。此时的视频要把现场情况传回控制中心，控制中心要根据现场情况规划机器人行进策略。视频模块由FPV图传摄像头采集视频信号，通过1.2G 400mW无线发射机发射信号，通过无线接收机接收信号，最后通过视频采集卡把模拟信号转化成视频信号在PC端显示。

灭火部分是机器人的重要执行机构，为了应对不同程度的火灾本次设计采取灭火器和高压水枪两种不同的灭火装置。在火灾发生的初期和小规模火灾时利用灭火器来灭火，当火势较大时候采用高压水枪灭火。

此外，要充分利用云台对灭火机器人灭火角度和视频拍摄角度进行改变，达到精准灭火和精准拍摄的目的。

2 立体化仓库灭火机器人软件系统设计

2.1 灭火机器人软件总体设计

灭火机器人软件系统主要包括机器人运动策略部分和PC端上位机设计。运动策略主要是对运动算法优化，上位机则有着友好的人机交互。

2.2 运动策略控制

灭火机器人采用智能PID运动算法，与一般普通PID闭环算法不同的是智能PID算法通过遗传算法[3]对PID中的参数进行优化。通过实践得到KP、KI、KD超调量明显减少，对于外界干扰的鲁棒性更强且实际控制更加精准。其传递函为：

2.3 上位机制作

灭火机器人的远程控制采要采用上位机来发送指令，本文在上位机的编写上采用的是Labview。

Labview是由美国国家仪器公司开发的编程环境[4]。最具特点的是其不是用汇编、c语言等基础语言，它采用的是图形化的编程语言。与传统开发环境相比，Labview具有，功能强大、高效、操作界面简洁、开发简便等优势。实际使用表明上位机能很好的实现控制人员和灭火机器人交互。

3 结束语

本文对立体化仓库机器人的硬件系统与软件系统设计做了较为详实的介绍，硬件方面云台和多传感器的使用是一大特色。软件方面利用遗传算法对PID参数进行优化实现了很好的控制效果。利用Labview编写的上位机程序能够实现友好的人机交互。

随着社会的发展和科技的长足进步越来越多的工作将由机器人来完成，同样对于灭火这种高危工作机器人肯定会得到更多的应用。

［1］李晓宁，李晓峰.互动机器人的研究[J].长春师范学院学报（自然科学版），2010（3）:36-37.

［2］宁再望．消防机器人技术在灭火救援中的设计分析[J]．数字技术与应用，2012（5）．

［3］陈敏，谭思云，黄玉清．遗传算法在PID参数整定中的应用[J]．仪表技术，2010（5）:49-52．

［4］孙丽萍．虚拟仪器在动平衡测试中的应用[J]．科技风，2010（6）:267-268．

［责任编辑：田吉捷］