侦查灭火机器人设计的探索

　　摘要：本文主要是研究融合多学科，具有多功能的侦查灭火机器人，通过电路板主控系统的总体控制，利用传感器进行火焰和障碍的检测，通过控制步进电机和机器手臂来实现侦查灭火机器人的每一个行动，它可以自动避障、自动寻找火源、自动灭火。
　　关键词：人工智能，自动控制，侦查
　　1前言
　　随着社会的不断发展，在社会财富日益增多的同时，导致发生火灾的危险性也在增多，火灾的危害性也越来越大。各种不可避免的火灾频繁出现，给社会造成了许多隐患。在长春就出现了天元大厦大火灾的惨痛教训，所以随着社会与国家的发展，在经济迅速增长的同时，各种火灾的及时扑救已成为了迫在眉睫需要解决的问题。救火早一刻就少一分的损失。救援人员固然很快，但也需要一定的时间，而且进入火灾现场还有一定的危险，甚至危及生命。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。为了解决这些难题，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，研制一种侦查灭火机器人是十分必要和有实际现实意义的。
　　2机器人整体运作方案分析
　　本机器人利用了单片机通信技术，工作人员在火场外的安全区域内可对其进行远程操控，由于机器人体积小，活动灵活，使其能安全、快速的找到火源，将火扑灭。为消防营救工作争取了宝贵的时间。灭火机器人采用360度可旋转机械臂，可夹带消防喷头至火场，这样便可控制喷头喷水方向，机械臂上置有CCD高清摄像头，在灭火过程当中，通过摄像头反馈来的信息判断水压是否供给到位，火场是否有残余火源等等。另外，机器人底盘采用履带式的设计，使其能穿行于各种地形。而履带是用特殊材料制成，耐高温，增强了本机器人在火场的耐用性。底盘上也装有CCD摄像头，可以方便操作人员清楚地知道机器人所在的方位。控制台电脑和机器人上的机载控制器采用无线通讯方式,通过电脑控制界面对机器人发出指令并接受回馈信号,指挥机器人在定位后完成各项功能作业。由于是采用直流步进电机驱动，所以不能携带笨重的水箱作业，将水箱留在火场外，机器人只夹带喷头作业，这样既减少了机器人动力来源的功耗，又方便其在狭小的环境中作业。
　　3机器人的系统组成
　　（1）步进电机
　　步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
　　步进电机是纯粹的数字控制电机。它将电脉冲的信号转化为角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，非常适合于用单片机来控制。步进电机具有如下一些特点：
　　a)在负载合适、控制合适的前提下，步进电机的角位移与输入脉冲数严格的成正比，因此，当它转一转后，没有累计误差，具有良好的跟随性。
　　b)由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价、又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
　　c)步进电机的动态响应快，易于起停，正反转和变速。
　　d)速度可以在相当大的范围内平滑调节，低速下仍能保证比较大的转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。
　　e)步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源。
　　f)当负载较大、冲击负载、或者控制不合适的情况下，步进电机存在震荡和失步的现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。
　　g)步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。
　　（2）CCD摄像头
　　CCD，英文全称：Charge-coupledDevice，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容。
　　（3）旋转机械臂
　　本机器人的制作核心便是这个自由度非常高的旋转机械臂上，由320mm、360mm的两段钢架支撑，下面的钢柱固定在可360度旋转的圆盘上，上下两个钢柱间用电机控制其垂直角度，上面钢架尾部有一个夹子，能夹住消防水枪的喷头，完成灭火任务。
　　4机器人功能
　　（1）火情侦查。
　　机器人的平衡作业臂采用3节1m的结构，可绕轴做90°俯仰运动，电机驱动钢索完成拉伸和收缩，可由1m伸展至3m。为取得来自于火灾现场的图像信号，在作业臂前端云台上安装彩色CCD摄像机，视频信号采用无线传输的方式，在地面控制台的显示屏上可对火灾现场直接监控，并及时调整机器人的作业动作。可根据现场要求加装温度传感器探测火灾现场的温度，可燃气体传感器探测建筑物内部可燃气体的含量以防止自燃的发生。
　　（2）救援和灭火。
　　机器人自身配有携带水枪头的机械手臂、照明灯和载物箱。载物箱可根据需要装载氧气罩、急救工具等。机械手臂上的水枪头可以进行灭火，照明灯可为现场探测提供照明，还可以帮助受灾人员。
　　5综述
　　目前,已有很多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。从各国的研究情况来看,消防机器人应具有三个方面的作用:在短时间内实现对火情的侦察;能够对被困火中的人员进行有效地救助;能够携带一定量的灭火剂进行灭火。
　　灭火机器人属于特种机器人范畴，它作为特种消防设备可替代消防队员接近火灾现场实施有效的灭火救援作业，开展各项火场侦查任务，尤其是在危险性大或者消防队员不易接近的场合，灭火机器人的应用将大大提高消防部门扑灭恶性火灾的能力，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡具有重要的作用。
　　参考文献
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