0 引言

    隨著工業(yè)4.0的時(shí)代到來，各國工業(yè)又將迎來飛速發(fā)展的時(shí)代，消防機(jī)器人被《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020）》列為十大標(biāo)志性產(chǎn)品。由于機(jī)器人本身的智能性和靈活性，越來越多地被用到實(shí)際生活當(dāng)中^[1]。特別是在面對無情的火災(zāi)時(shí)，消防官兵無法預(yù)測火災(zāi)事故現(xiàn)場情況，面對易燃易爆、易塌陷、化學(xué)腐蝕、有毒氣體等不明情況時(shí)，貿(mào)然進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場，會很容易給消防官兵的人身安全帶來無謂的傷亡^[2]。目前，國際上尤其以美國和日本為主，先后研制出具有偵察功能的消防機(jī)器人Pandor移動(dòng)機(jī)器人和Guardrobo D1等5種消防機(jī)器人^[3]，國內(nèi)智能消防機(jī)器人的研制更是剛剛起步。然而，現(xiàn)有的消防機(jī)器人雖然在硬件和軟件上的開發(fā)日趨完善，但還是存在一些缺點(diǎn)，如功能化單一、自主智能化差。

    迫于實(shí)際應(yīng)用的需求，本文設(shè)計(jì)了一種集滅火、冷卻、行走、偵察監(jiān)測、爬坡跨障、數(shù)據(jù)采集、圖像傳輸?shù)榷喙δ苡谝惑w的智能消防機(jī)器人^[4]。

1 系統(tǒng)概述

    本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，設(shè)計(jì)出一種車體靈巧、操作便捷、人機(jī)互動(dòng)性優(yōu)越的智能消防機(jī)器人。機(jī)器人采用STM32F407芯片作為主芯片以滿足多功能任務(wù)處理。機(jī)器人外接溫度、氣體、水壓和超聲波等傳感器以及陀螺儀，用來采集火場周圍及車體姿態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，控制傳輸采用最新的433 MHz數(shù)字通信模塊^[5]。在車體內(nèi)部安裝前、后、高清、熱成像4路攝像機(jī)進(jìn)行視頻顯示切換和傳輸，采用7寸分辨率1080×1024高清高亮HDMI接口顯示，無線圖傳使用了高清（HDMI）圖傳模塊，使4路攝像在后臺遙控器上清晰顯示并能實(shí)時(shí)錄制。車體設(shè)計(jì)自噴淋系統(tǒng)，可以在工作時(shí)自行降溫，保護(hù)車體內(nèi)部零件不受損壞。

    消防機(jī)器人由車體、人機(jī)互動(dòng)界面、感知系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器檢測系統(tǒng)和上、下位通信系統(tǒng)組成^[6]，其工作原理如圖1所示。操作人員通過人機(jī)互動(dòng)界面來根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場情況做出相應(yīng)的操作。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，消防機(jī)器人的車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮既應(yīng)該滿足在平地上行駛，又可以在積水、斜坡、樓梯等復(fù)雜環(huán)境下安全行駛， 消防機(jī)器人還應(yīng)結(jié)合一些特殊的功能：能夠在積水、洼區(qū)中正常行駛，能夠爬坡跨障，可以進(jìn)行原地360°旋轉(zhuǎn)等。綜合以上所有技術(shù)要求，本設(shè)計(jì)車體結(jié)構(gòu)優(yōu)選履帶式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    履帶式結(jié)構(gòu)與地面接觸面大，附著力強(qiáng)，牽引力大，可以在泥濘、積水中行走，具有良好的通過性。整個(gè)車體主要構(gòu)架是采用鋁合金鑄造而成，車體輪系部分由導(dǎo)向輪、驅(qū)動(dòng)輪、托鏈輪、支重輪四個(gè)部分構(gòu)成。精密行星減速無刷電機(jī)內(nèi)搭載驅(qū)動(dòng)輪上，設(shè)計(jì)簡單緊湊，方便靈活，載動(dòng)力強(qiáng)；通過運(yùn)用導(dǎo)向輪可以根據(jù)地面摩擦系數(shù)不同來調(diào)節(jié)履帶的松緊度，以適應(yīng)不同的環(huán)境使用；運(yùn)用支重輪可以支撐整個(gè)車體及水帶、水炮的重量，減振裝置的設(shè)計(jì)減小了車體的顛簸，使車體運(yùn)行更加平穩(wěn)，支重輪跟著履帶轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，從而減少了兩者之間的摩擦。根據(jù)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了專門的消防水炮，即在車體底部中間安裝水管，在車體后下部接入水管，通過車前頭安裝的水炮噴射滅火劑，其最大特點(diǎn)是在工作時(shí)重心低，噴水時(shí)車身穩(wěn)定。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    本產(chǎn)品的控制系統(tǒng)硬件主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，而上位機(jī)與下位機(jī)都使用以STM32F407芯片為核心的控制板來實(shí)現(xiàn)功能。

    上位機(jī)讀取霍爾手柄的控制信號及操作臺各功能控制信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后通過數(shù)傳模塊傳送到下位機(jī)的主控制器中，其中操作手柄的讀取數(shù)據(jù)為坐標(biāo)系中操作手柄位置的實(shí)時(shí)坐標(biāo)。

    為在下位機(jī)中實(shí)現(xiàn)車體控制功能，首先要分析運(yùn)動(dòng)邏輯：當(dāng)左右電機(jī)以同轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)時(shí)，車向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)左右電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)時(shí)，車向左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)；當(dāng)左右電機(jī)以同轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)時(shí)，車向后運(yùn)動(dòng)；當(dāng)左右電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)時(shí)，向左后或向右后倒車。如圖3所示，現(xiàn)設(shè)定操作柄右上方為第一象限，手柄推到最遠(yuǎn)位置在第一象限運(yùn)動(dòng)軌跡為一段圓弧，設(shè)其半徑為a(映射為電機(jī)電壓最大值)，手柄實(shí)際位移為b(映射為實(shí)際電機(jī)電壓)，單片機(jī)讀取數(shù)值為推桿頂端坐標(biāo)(x，y)的數(shù)值。根據(jù)式(1)～式(3)先后算出b、m、α的值。

式中，m表示左右電機(jī)最大電壓值，α表示操作柄在參考系中操作方向向量的角度。

    根據(jù)以上計(jì)算所得參數(shù)，電機(jī)控制量計(jì)算公式如表1所示。

    除上述動(dòng)作之外，還可以令兩電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，轉(zhuǎn)向相反以實(shí)現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)功能。

    控制臺操作面板除控制車體移動(dòng)功能外還包括水炮上仰、下俯、左右擺動(dòng)、切換水流的噴射方式（直流或噴霧）、觀察云臺上仰、下俯、蜂鳴器開關(guān)、剎車開關(guān)、照明開關(guān)等。

　　下位機(jī)主要由控制板、傳感器、圖傳模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源電壓檢測模塊等組成。其主要任務(wù)是：讀取上位機(jī)操作信號，計(jì)算出控制量并輸出PWM信號到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)控制水炮、云臺等設(shè)備正常工作；讀取各個(gè)傳感器數(shù)值并將其傳送回上位機(jī)。傳感器能夠測得水炮水壓、車體傾角、前后障礙距離、車體溫度等信息，電壓模塊能實(shí)時(shí)檢測電池電量，上述數(shù)據(jù)經(jīng)串口讀入下位機(jī)控制板中，再由數(shù)傳模塊發(fā)送至上位機(jī)通過顯示屏顯示。車體具有緊急剎車能力，同時(shí)為了防止操作水炮和云臺時(shí)對機(jī)械系統(tǒng)造成損壞，為云臺加入機(jī)械限位，水炮則加入了左右限位，同時(shí)設(shè)定了自擺功能，開啟時(shí)水炮將在限定范圍內(nèi)自動(dòng)左右擺動(dòng)。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 整機(jī)設(shè)計(jì)流程

    對控制板的編程在Keil環(huán)境下，使用C語言編寫控制程序，由于STM32芯片集成了單周期DSP指令和浮點(diǎn)單元（Floating Point Unit，F(xiàn)PU），提升了計(jì)算能力，因此在實(shí)際計(jì)算時(shí)能夠大大節(jié)約時(shí)間，同時(shí)它還支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸并行處理，數(shù)據(jù)傳輸速率非常快，完全符合設(shè)計(jì)要求。

    上位機(jī)控制程序流程如圖4所示。上電后，首先對系統(tǒng)初始化，通信模塊初始化，然后開始主循環(huán)，當(dāng)使用者在操作臺進(jìn)行操縱時(shí)，控制信號將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后入單片機(jī)緩存，然后發(fā)送到數(shù)傳模塊并傳輸至下位機(jī)；同時(shí)單片機(jī)從數(shù)傳模塊中讀取由下位機(jī)檢測得到的傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送給數(shù)字顯示屏。

    下位機(jī)控制系統(tǒng)程序流程如圖5所示，同樣先進(jìn)行初始化，然后依次讀取傳感器內(nèi)的數(shù)據(jù)并將其放置在寄存器中，每隔一段時(shí)間將寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳發(fā)送至上位機(jī)以供顯示。當(dāng)接收到上位機(jī)控制信號后，首先計(jì)算出左右電機(jī)的實(shí)際控制量，并轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的PWM控制信號，然后通過串口將各個(gè)部分傳送出去。

4.2 圖像處理的白化算法

    機(jī)器人圖像處理方法有很多種，本文采用“白化算法”來處理機(jī)器人圖像成像所帶來的問題。

    消防機(jī)器人在火災(zāi)救險(xiǎn)時(shí)，會遇到環(huán)境照明強(qiáng)度、物體反射、拍攝相機(jī)等不確定因素的影響，給系統(tǒng)采集圖像清晰度上帶來極大的干擾。為了消除外界不確定因素干擾，本文對圖像進(jìn)行白化處理，將圖像的像素值轉(zhuǎn)化成零均值和單位方差。首先計(jì)算原始灰度圖像P的像素平均值μ和方差值δ²：

    本文需要的是彩色圖像，需要分別在3個(gè)通道計(jì)算μ和δ，然后再根據(jù)式(6)分別進(jìn)行像素轉(zhuǎn)化。在搭建的硬件平臺上實(shí)現(xiàn)該白化算法,利用STM32進(jìn)行快速計(jì)算與濾波,通過圖像存儲器截取畫面,最終運(yùn)用MATLAB觀察圖像效果。

5 實(shí)際試用與仿真結(jié)果

    智能消防機(jī)器人已經(jīng)研制成功，其實(shí)物圖如圖6所示。對機(jī)器人進(jìn)行功能實(shí)際試用與分析：

    (1)速度檢測：機(jī)器人在直行道路上行走，速度達(dá)到3 km/h；最大爬坡角為35°，速度能達(dá)到0.9 km/h；機(jī)器人在直線行走大約200 m會有一些小的方向誤差偏移，但是滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

    (2)圖像仿真、氣體檢測：圖7根據(jù)MATLAB仿真火災(zāi)現(xiàn)場畫面，屏幕顯示圖像明顯波紋、雪花減少，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場，能夠檢測CO、H₂S、CH₄、NH₃、C_l2 5種常見危險(xiǎn)氣體的濃度及變化趨勢，并無線傳回控到制臺上的顯示屏，如圖8所示。

    (3)水炮檢測：給機(jī)器人安裝上水帶，把水壓調(diào)到0.8 MPa,水能噴射到70 m的位置，同時(shí)自噴淋系統(tǒng)也將打開，達(dá)到了降溫效果。

6 結(jié)論

    本文基于STM32F407芯片設(shè)計(jì)了一種第二代智能消防機(jī)器人，經(jīng)試驗(yàn)測試完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)用性較強(qiáng)，成本較低，便于以后升級系統(tǒng)。該機(jī)器人的成功研制能夠有效代替消防官兵沖在第一線進(jìn)行滅火工作。目前，機(jī)器人運(yùn)行高效，穩(wěn)定性高，可以大面積在我國進(jìn)行推廣使用。

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作者信息：

張建中1，郝允梁1，劉海洋1，李小俊2，徐運(yùn)祥2

（1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島266590；2.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島266590）