作品描述 1 項目背景 倉庫是物資集中儲存?zhèn)}儲機(jī)器人銷售電話的場所，包括由國家、集體和個體經(jīng)營儲存物品倉儲機(jī)器人銷售電話的各類倉庫、堆棧、貨場，一旦發(fā)生火災(zāi)，經(jīng)濟(jì)損失巨大，社會各方面影響惡劣，后果嚴(yán)重。如2015年8月12日天津塘沽特大爆炸事故的發(fā)生，其教訓(xùn)非常慘痛。倉庫火災(zāi)之所以能造成如此大的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡，其根本原因是倉庫火災(zāi)具有以下幾點(diǎn)特殊性： (1) 火災(zāi)初期階段陰燃時間長，不易被發(fā)現(xiàn)，具有燒大火的條件倉儲機(jī)器人銷售電話； (2) 撲救難度大，作戰(zhàn)時間長，消防用水量大，燃燒面積大，經(jīng)濟(jì)損失大； (3) 危險物品對倉庫火災(zāi)危害大，容易產(chǎn)生二次傷害，施救難度高，極易造成事故； (4) 在大型倉庫發(fā)生火災(zāi)時，消防隊員無法及時獲取火場信息，采用高壓水槍等措施進(jìn)行滅火，沒有針對性，并很難進(jìn)入倉庫中滅火，如果強(qiáng)行打開門窗進(jìn)行救援，則會加快空氣流動，加劇火情，而且即使消防隊員進(jìn)入到倉庫中，也無法及時找到火源位置。 綜合分析以上特點(diǎn)得出：在倉庫火災(zāi)預(yù)防以及施救方面，單靠人的力量還具有一定的局限性。因此，我們電子系統(tǒng)研究所員工通過查閱大量資料和實(shí)際市場調(diào)研，提出倉庫自動消防機(jī)器人平臺的設(shè)計方案，該平臺的主要作用在于幫助人們實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)的預(yù)防以及對已發(fā)生火災(zāi)進(jìn)行緊急施救工作。 2 項目實(shí)施方案 2.1 整體方案的設(shè)計 倉庫自動消防機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化裝置，它是機(jī)械、電子、控制、檢測、通信和計算機(jī)的有機(jī)融合。機(jī)器人的制作是一個跨學(xué)科、多技術(shù)、智力和動手能力高度統(tǒng)一的系統(tǒng)工程，涉及到機(jī)械設(shè)計、檢測傳感技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、機(jī)器人學(xué)等學(xué)術(shù)領(lǐng)域。因此在設(shè)計過程中需要用到機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、材料工程、傳感檢測、單片機(jī)控制等方面的知識。 研究過程中按照由整體到局部，機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相互結(jié)合的方法。在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，采用多種方案相互對比的方法，比較各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，然后進(jìn)行選擇，再進(jìn)行機(jī)械的設(shè)計。 由于倉庫火災(zāi)的現(xiàn)場條件十分復(fù)雜，要求消防機(jī)器人能夠快速靈活的在倉庫中移動，并且可以在狹小的空間范圍內(nèi)完成諸如火源檢測、火情預(yù)處理、信息反饋、搶救物資和轉(zhuǎn)移危險物品等任務(wù)。根據(jù)上述要求，可以確定消防機(jī)器人應(yīng)具有走行底盤、機(jī)械手、機(jī)械臂、滅火等功能模塊，如圖1所示。

圖1 倉庫自動消防平臺整體示意圖

2.2 底盤架構(gòu)及組成 針對目前廣泛使用的三種走行方式，分別進(jìn)行了研究。 第一種是步行式，其主要是模仿人或動物的行走機(jī)理，采用腿足行走方式，這是目前智能化水平較高的一種走行方式。其優(yōu)點(diǎn)就在于對于地形的適應(yīng)能力強(qiáng)，但是由于現(xiàn)在這方面的技術(shù)還不太成熟，要求的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，在要求靈活性和準(zhǔn)確可靠性的倉庫中不便于使用。 第二種是履帶式，其主要的優(yōu)點(diǎn)是著地面積大，與地面的粘著力較好，可以在凹凸不平的地面上行走，有效地適應(yīng)了地形，但是由于履帶式機(jī)器人沒有專門的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，要靠兩個履帶的速度差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎的任務(wù)，轉(zhuǎn)彎的阻力大，而且在前面方向、與前進(jìn)方向垂直的方向都會出現(xiàn)滑移，轉(zhuǎn)動的精度不高，不適于在倉庫中精確地碼放貨物。 第三種是輪式結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，速度快，適合在平整地面上進(jìn)行精確地行走，這樣的優(yōu)點(diǎn)正適合在倉庫中碼放貨物。然后分別對三輪式底盤和四輪式底盤進(jìn)行了模擬仿真。三輪式底盤采用雙后輪驅(qū)動，前輪是一個萬向輪，只起到導(dǎo)向和支撐作用，三個輪子成等腰三角形排列，依靠兩后輪的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。四輪式底盤同樣采用雙后輪驅(qū)動，前面兩個輪子都是萬向輪，四個輪子成矩形排列，同樣通過兩后輪的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。通過模擬，我們發(fā)現(xiàn)，在四輪式底盤的行走過程中，如果整個機(jī)身的重心偏離其幾何中心，四個輪中就會有一個輪翹起而不著地，這樣導(dǎo)致只有三個輪子著地，其穩(wěn)定性與可靠性受到了很大影響，最終，我們選擇了三輪式底盤，如圖2所示。

圖2 三輪式底盤行走模塊

2.3 轉(zhuǎn)盤及傳動系統(tǒng) 為了能夠很好的解決機(jī)械手不能移動和轉(zhuǎn)動的弊端，我們將機(jī)械手安裝到一個帶有提升機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)盤上。機(jī)械手借助轉(zhuǎn)盤的360度旋轉(zhuǎn)和絲杠的上下提升，能夠在到達(dá)空間允許范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。大大增加了機(jī)械手的活動空間，提高工作的靈活性，打破工作環(huán)境的局限性，提高了應(yīng)對復(fù)雜多種工作情況的能力。 為了達(dá)到機(jī)械手精準(zhǔn)定位，對轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)速度要求不能過高，防止轉(zhuǎn)速高后出現(xiàn)控制精準(zhǔn)度低、難度加大、減速時加速度大、以及離心加速度大的缺點(diǎn)。為此我們對電機(jī)輸出進(jìn)行減速處理，采用傳動精度比較高的同步帶實(shí)現(xiàn)傳動和減速。一方面實(shí)現(xiàn)了限制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的目的，同時也避免了電機(jī)直接裝在底盤下面而造成底盤高度被迫抬升的弊端。 因?yàn)檗D(zhuǎn)盤上面要承受絲杠、滑槽、導(dǎo)向軌、機(jī)械手、電推桿等物體的重力，如果將這部分重力直接加在軸承上，則對軸承的破壞作用極大，嚴(yán)重縮短軸承的使用壽命。故此，需要增加其他附加機(jī)構(gòu)來分擔(dān)這部分軸向力，或者選用一個能承受較大軸向力的軸承。單一用軸承來承受較大的軸向力和徑向力顯然是不合理的，我們選用第一種方案，外加其他承載機(jī)構(gòu)來承受抵消這部分軸向力。我們把圓盤尺寸在限定范圍內(nèi)做的稍微大一點(diǎn)，這樣以來便可以能夠承受較大的傾覆力矩，再在圓盤的周邊安置三個萬向輪，主要來承受上體產(chǎn)生的軸向載荷，同時能夠滿足轉(zhuǎn)動時的靈活性要求。這樣以來，不僅避免了軸向力對軸承的損害作用，而且還使得圓盤和軸的旋轉(zhuǎn)變得更加靈活，摩擦阻力大大減小，對電機(jī)的要求降低，可以選用較小的功率的電機(jī)即可將整個圓盤帶動起來，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)盤及傳動系統(tǒng)

2.4 提升與伸縮機(jī)構(gòu) 為了能夠抓取不同高度的重物我們采用絲杠提升機(jī)構(gòu)，帶動機(jī)械手上下移動。被廣泛使用的提升機(jī)構(gòu)還有： 1、剪叉式升降平臺 剪叉式升降平臺通常由平臺、剪叉式起升機(jī)構(gòu)和底座三個部分組成。具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載量大、通過性強(qiáng)和操作性好的特點(diǎn)，但該機(jī)構(gòu)對動力源的要求較高，而且占用空間較大，如圖4所示。

圖4 剪叉式升降平臺

2、有軌升降 此種方式就是單級提升方式。待提升機(jī)構(gòu)以滑塊形式沿著固定的軌道上升、下降。軌道只起導(dǎo)向作用，驅(qū)動方式多種多樣，如圖5所示。

圖5 有軌升降

這種有軌提升中，軌道的精度對提升機(jī)構(gòu)影響很大。由于直線運(yùn)動具有摩擦低、精度高的特點(diǎn)，因此在機(jī)器人中廣泛應(yīng)用。絲杠提升就是其中一種升降方式。 絲杠提升相對于其他提升機(jī)構(gòu)來講，具有提升精度高，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制。剛性好，能精確定位，斷電后也能自鎖。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，無須各種復(fù)雜的泵閥、油箱或氣源及管路系統(tǒng)等。無噪音、無流體泄漏，對環(huán)境污染小，是一種較理想的綠色環(huán)保產(chǎn)品?？蓸?gòu)成閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動化控制，如圖6所示。

圖6 滾珠絲杠

至于推動機(jī)構(gòu)也有各種各樣的形式，基本形式還是跟提升機(jī)構(gòu)差不多，只是提升的角度改到了水平方向而已。這里我們采用電推桿作為推動機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有明顯的優(yōu)越性。氣動、液壓的工作形式被普遍的用到直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)里，電動推桿也可作為直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)，從而在某些情況下可以代替氣缸、液壓缸達(dá)到同樣的工作效果，而在自動化控制中，更容易實(shí)現(xiàn)控制的簡單化。電動推桿在使用中的優(yōu)點(diǎn)：電動推桿是一種將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運(yùn)動的電力驅(qū)動裝置。電動推桿可用于各種簡單或復(fù)雜的工藝流程中做為執(zhí)行機(jī)械使用，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制或自動控制。與液壓氣動等執(zhí)行機(jī)械相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：造價低，省去了油泵、油箱、空壓機(jī)以及許多復(fù)雜的管路和其它輔助設(shè)施；能耗低，由電機(jī)直接驅(qū)動省去了中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，整機(jī)效率高，從而降低了能耗；無油液污染，由于避免采用油或氣體傳動，無油液的滲漏，使污染問題得到了根本解決；保護(hù)功能完善，精心設(shè)計在推桿內(nèi)部的行程和過載保護(hù)裝置，使整機(jī)外部無多余附件，且調(diào)整方便、安全可靠。當(dāng)推桿運(yùn)行到設(shè)定距離或過載時，能自動切斷電源，不至引起機(jī)件損壞或造成其他事故；安裝維護(hù)極為簡單方便，只需簡單地將推桿安裝在支架或吊架上，接通電源，即可使用。 行程控制裝置：經(jīng)電機(jī)齒輪上的渦桿帶動渦輪轉(zhuǎn)動，使渦輪內(nèi)的小絲桿作軸向移動，由連接板帶動限位桿相應(yīng)作軸向移動，至所需行程時，通過調(diào)節(jié)限位塊壓下行程開關(guān)斷電，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)（正反控制相同）。 過載保護(hù)裝置：推桿機(jī)體內(nèi)設(shè)有過載自動保護(hù)裝置，當(dāng)推桿行程至極限位置或超過額定推（拉）力時，載荷壓縮彈簧，使滑座軸向移動，通過滑座上的拔桿壓下過載行程開關(guān)斷電，推桿自動停機(jī)，達(dá)到過載保護(hù)目的，如圖7所示。

圖7 電推桿

為了方便控制伸縮機(jī)構(gòu)的伸縮，在機(jī)器人的伸縮機(jī)構(gòu)前端安裝了接近開關(guān)，當(dāng)其距離物體到達(dá)一定的位置后，伸縮機(jī)構(gòu)前端的限位開關(guān)會檢測到物體，使伸縮電機(jī)停止運(yùn)動。提升時，為了防止絲杠上的滑塊沖出滑軌，在絲杠的上下兩端安裝了限位開關(guān)，當(dāng)滑塊接觸到限位開關(guān)時，絲杠會停止運(yùn)動。在提升需要到達(dá)的高度上，由于不能安裝限位開關(guān)，在機(jī)器人設(shè)計的過程中，選擇了光電對管作為絲杠高度提升的傳感器，光電對管原理是其內(nèi)部有一個紅外發(fā)射管和接收管，當(dāng)凹槽內(nèi)有遮擋時接收管就無法接收到發(fā)射信號，無遮擋時輸出低電平，有遮擋時輸出高電平。 2.5 機(jī)械手模塊 機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個自由度。 為了能夠夾持多種物體，單一的機(jī)械手肯定是滿足不了要求的，因此，我們考慮把機(jī)械手做成可拆卸的，即可以將多種不同特點(diǎn)的機(jī)械手安裝在同一個機(jī)器人身上。對于不同的被夾持物，可以根據(jù)它的外形特點(diǎn)換用不同的機(jī)械手工作，從而增大了機(jī)械手的適應(yīng)范圍。 1號機(jī)械手：該機(jī)械手采用一個并行輸出機(jī)構(gòu)，將舵機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為機(jī)械手角度變化，從而實(shí)現(xiàn)夾取貨物的目的。該機(jī)械手能夠夾取體積較大的貨物，因?yàn)樗幸粋€較大的開口角度，同時也具有一定的局限性，因機(jī)械手臂不是平行移動的，而是通過縮小角度來實(shí)現(xiàn)夾取貨物，因此夾取貨物不是特別容易。但該機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 1號機(jī)械手

2號機(jī)械手：該機(jī)械手的具有以下幾大特征：并行輸出，僅僅通過一個舵機(jī)的轉(zhuǎn)動即可轉(zhuǎn)化為左右兩個手的夾持動作；手臂平動加緊，傳統(tǒng)機(jī)械手臂一般都是成一定角度，通過縮小角度來夾持物體，但那樣反而會使物體在夾持的過程中從手臂中被擠出。 因此在每個手臂根部采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，變傳統(tǒng)的角度夾持為平動夾持，這樣可以防止物體在夾持的過程中被擠出，同時夾持時還會產(chǎn)生一個向手心的夾持力，使物體不易滑落，如圖9所示。

圖9 2號機(jī)械手

3號機(jī)械手：該機(jī)械手又稱萬能機(jī)械手，因?yàn)樗軍A取外形任意變化的物體，即不受限于物體的外形，都能成功的抓取貨物。機(jī)械手中有兩根鋼絲，一根是拉緊用的，另一根是松弛用的。兩者的繞行方式略有差別。當(dāng)該機(jī)械手靠近貨物時，只要拉緊鋼絲一拉緊，手臂便會沿著物體的邊沿輪廓貼合，最終將貨物夾緊。當(dāng)需要把貨物放下時，只需放松松弛鋼絲，機(jī)械手臂便會松弛下來，貨物自然脫落。該機(jī)械手最大特點(diǎn)是能適應(yīng)各種不同外形的物體，靈活多變，易于操作，實(shí)現(xiàn)容易。但撓度偏大，用時宜避開。如圖10所示。

圖10 3號機(jī)械手

4號機(jī)械手：該機(jī)械手是在2號機(jī)械手的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。適宜抓取上下不等截面的旋轉(zhuǎn)體。機(jī)械手臂不再是單一的一對手臂，而是改為兩對上下相互獨(dú)立而又緊密配合的手臂，兩個手臂通過兩個舵機(jī)分別控制。同時為了夾取上下截面不一的旋轉(zhuǎn)體，我們在機(jī)械手臂前端安置兩對圓弧輔助機(jī)構(gòu)，另外再給該機(jī)構(gòu)加一個自由度，使該輔助機(jī)構(gòu)在包裹貨物的過程更加靈活可靠。兩個舵機(jī)分別控制，機(jī)械手臂的張開角度可以根據(jù)物體的截面大小自由調(diào)整，以期達(dá)到穩(wěn)定抓取的目的。如圖11所示。

圖11 4號機(jī)械手

3工作原理 3.1 自動巡邏系統(tǒng) 自動巡邏系統(tǒng)是通過各種傳感器系統(tǒng)感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)， 在復(fù)雜的已知或者未知環(huán)境中自主按特定的軌跡移動并實(shí)時監(jiān)測火源信息，當(dāng)有火情發(fā)生時，小車停止巡線行走，啟動超聲波避系統(tǒng)，由目前的位置直接到達(dá)火源附近，然后進(jìn)行相應(yīng)火情預(yù)處理。自動巡邏預(yù)警系統(tǒng)工作流程圖如圖12所示：

圖 12 巡邏預(yù)警系統(tǒng)的工作流程圖

整個巡邏預(yù)警系統(tǒng)包括一下五大模塊，如圖13所示。

圖13 自動巡邏預(yù)警系統(tǒng)

1、主控模塊，作為整個消防機(jī)器人的“大腦”，將采集光電傳感器、超聲波等傳感器的信號，根據(jù)控制算法做出控制決策，驅(qū)動電機(jī)完成對整個小車的控制。 2、電源模塊，為整個系統(tǒng)提供合適而又穩(wěn)定的電源。 3、電機(jī)驅(qū)動模塊，驅(qū)動直流電機(jī)幫助完成消防小車的加減速控制和轉(zhuǎn)向控制。 4、路徑檢測模塊，作為消防車的“眼睛”，可以通過一定的前瞻性，提前感知前方的信息，為消防車的“大腦”做出決策提供必要的依據(jù)和充足的反應(yīng)時間，保證小車按規(guī)劃路徑進(jìn)行巡邏預(yù)警。 我們的目的是設(shè)計一種利用紅外反射式傳感器來實(shí)現(xiàn)小車自動尋跡導(dǎo)航移動平臺，借助超聲波傳感器、光電接近開關(guān)傳感器滿足在一定的復(fù)雜環(huán)境中完成自主尋跡移動、避障任務(wù)。 通過學(xué)習(xí)和研究相關(guān)技術(shù)資料了解到，路徑識別模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識別方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣，因此確定路徑識別模塊的類型是決定系統(tǒng)總體方案的關(guān)鍵。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺需要通過大量的運(yùn)算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動聚焦。但CCD傳感器的價格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實(shí)用有效的方法。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)引功能就必須要感知導(dǎo)引線，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個視覺功能。使得小車自動識別路線，準(zhǔn)確區(qū)分路面和貨物，選擇正確的行進(jìn)路線。采用與地面顏色有較大差別的線條（黑色線條）作引導(dǎo)，使用傳感器感知導(dǎo)引線和障礙判斷。 (1)、傳感器選擇 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的視覺和接近覺功能有多種方式：a、可使用CCD攝像頭進(jìn)行圖象采集和識別方法，但是不適用在小體積系統(tǒng)使用，并且還涉及圖象采集、圖象識別等領(lǐng)域；b、電容式接近傳感器，基于檢測對象表面靠近傳感元件時的電容變化；c、超聲波傳感器，根據(jù)波從發(fā)射到接收的傳播過程中所受到的影響來檢測物體的接近程度；d、紅外反射式光電傳感器，它包括一個可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。 根據(jù)使用場合的具體情況，傳感器要感知的對象是物體的有無和物體的接近程度，與精確的測距系統(tǒng)有相似之處，但又有不同，只要求判斷出簡單的閾值或提供遠(yuǎn)、近分檔的距離。因此使用較簡單的接近傳感器實(shí)現(xiàn)小車尋跡和避障是有依據(jù)可循的并且是可行的。為了簡單起見，系統(tǒng)中使用了八個紅外反射式光電傳感器，其中三個用于尋跡，三個用于障礙判斷，兩個用于主動輪測速。 (2)、紅外反射式光電傳感器特性與工作原理 反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發(fā)光二極管，普通發(fā)光二極管，以及激光二極管，前兩種光源容易受到外界光源的干擾，而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中，傳感器只接收很窄的頻率范圍信號，不容易被干擾但價格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測區(qū)域反射表面可受到光源照射同時又能被接收管接收到的范圍就能進(jìn)行檢測，然而這是一種理想的結(jié)果。因?yàn)楣獾姆瓷涫艿蕉喾N因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進(jìn)行測量將因?yàn)楦蓴_產(chǎn)生錯誤信號，采用對反射光強(qiáng)進(jìn)行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。紅外反射光強(qiáng)法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號原理如圖14所示。 反射光強(qiáng)度的輸出信號電壓Vout 是反射面與傳感器之間距離x的函數(shù)，設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時，x與Vout 的響應(yīng)曲線是非線性的，如圖15所示。設(shè)定輸出電壓達(dá)到某一閾值時作為目標(biāo)，不同的目標(biāo)距離閾值電壓是不同的。 (3)、具體設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 由于接近傳感器應(yīng)用場合不同，感覺的距離范圍從幾毫米到幾米不等，所以我們在選擇時也要分類討論。對于自動尋跡和小車輪子的測速傳感器，反射距離都在１cm左右，探測環(huán)境都在陰影之下，不易受到可見光的干擾。因此，這兩種探測的傳感器都選用FS-359F反射紅外傳感器，048W型封裝。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝。對于障礙物的檢測，可以使用超聲波傳感器，效果也較好，但電路系統(tǒng)龐大，還需占用大量MCU時間。激光傳感器雖然性能不錯，但價格較貴。最終選用了價格、性能基本適合的043W封裝的反射紅外傳感器。在使用約40ｍA的發(fā)射電流，沒有強(qiáng)烈日光干擾的房間里，探測距離能達(dá)８cm，完全能滿足探測距離要求。紅外傳感器的電路有多種形式，在這里為了安裝調(diào)試方便，我們采用了圖16的電路形式。

圖16 紅外光電傳感器電路

傳感器的使用數(shù)量應(yīng)該盡量少以減少單片機(jī)的信號處理量，尋跡小車一共安裝有八個紅外光電傳感器，選用運(yùn)算放大器LM324，光電傳感器檢測到的信號經(jīng)放大器放大整形送微處理器判斷、運(yùn)算、控制。LM324是14腳DIP封裝，內(nèi)置四個運(yùn)算放大器的集成器件，用兩個LM324便能完成所有傳感器與MCU的連接，并且電路簡單，響應(yīng)速度快，波形規(guī)則，調(diào)試簡單。 尋跡用接近傳感器安裝位置如圖17所示，Ａ、Ｃ傳感器騎在黑線兩測用于檢測是否跑偏，Ｂ傳感器在黑線范圍內(nèi)用于輔助檢測，以確保小車機(jī)器人隨時在以如圖9的狀態(tài)運(yùn)行。測障礙傳感器安裝位置分別位于小車前、左、右三個方向，用于檢測前方、左邊和右邊的障礙（詳見超聲波避障模塊）。測速度傳感器安裝在緊靠車輪兩側(cè)。

圖17 尋跡傳感器安裝位置示意圖

5、超聲波避障模塊，當(dāng)有火源發(fā)生時，小車停止巡邏預(yù)警，開啟超聲波避障模塊，由現(xiàn)在的方位直接向火源方位行駛，在小車行駛過程中可以準(zhǔn)確避開貨物以及地面障礙物，使得小車可以選擇最優(yōu)路徑到達(dá)著火附近。 在多種探測手段中， 超聲波傳感器系統(tǒng)由于具有成本低， 安裝方便， 易受電磁、光線、被測對象顏色、煙霧等影響且時間信息直觀等特點(diǎn)， 對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力， 因此我們主要采用超聲波傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確避障繞行。 超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。 傳感器用一段時間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動接收，設(shè)發(fā)送波束的時間為D，則在D時間內(nèi) 從物體反射回的信號就無法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動系統(tǒng)進(jìn)行回波接收，以上兩個原因造成了超聲傳感器具有測量一定的測量范圍。此超聲波最近可以測量5cm，最遠(yuǎn)可以測量3m，完全符合要求。 在機(jī)器人底盤前端的前、左、右三個方位上分別安裝了超聲波傳感器，通過三個超聲波傳感器控制機(jī)器人下一步的走行方向，判斷的情況如下： (1) 當(dāng)前方的超聲波傳感器檢測到障礙物，左、右都未檢測到障礙物時，機(jī)器人將向左（或右）轉(zhuǎn)彎； (2) 當(dāng)前、左兩個超聲波傳感器檢測到障礙物時，機(jī)器人將向右轉(zhuǎn)彎； (3) 當(dāng)前、右兩個超聲波傳感器檢測到障礙物時，機(jī)器人將向左轉(zhuǎn)彎； (4) 當(dāng)前方超聲波未檢測到障礙物時，機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)。 機(jī)器人通過判斷三個超聲波傳感器傳回的數(shù)據(jù)，確定行進(jìn)的方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線運(yùn)動和轉(zhuǎn)彎等動作。 6、輔助調(diào)試模塊主要用于智能車系統(tǒng)的功能調(diào)試、行走工作狀態(tài)監(jiān)控等方面。 3.2 火源監(jiān)測識別 在火災(zāi)發(fā)生時，為了讓機(jī)器人能夠自己找到火源的位置，我們設(shè)計了2種火源監(jiān)測方案，當(dāng)機(jī)器人檢測到火焰后，會向機(jī)器人和控制中心同時發(fā)送信息，機(jī)器人會自己尋找火源前去進(jìn)行滅火。火焰?zhèn)鞲衅魅鐖D18所示，其主要的原理是利用紅外線對火焰非常敏感的特點(diǎn)，使用特制的紅外線接收管來檢測火焰，然后把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為高低變化的電平信號，輸入到中央處理器中，中央處理器根據(jù)信號的變化做出相應(yīng)的程序處理，以實(shí)現(xiàn)消防機(jī)器人對火焰的檢測。

圖18 A710系列火焰探測器及其外形圖

本設(shè)計中采用火焰探測器，其優(yōu)點(diǎn)在于以下方面： 1、防誤報能力強(qiáng)：通過特定的傳感器選型、火焰識別技術(shù)、軟件算法，使得活火焰探測器對日光、電弧焊、人工光源、熱輻射、電磁干擾等具有極強(qiáng)的防誤報警能力； 2、靈敏度高：能夠有效識別背景噪聲，結(jié)合軟件算法，對火焰輻射敏感； 3、自適應(yīng)、自檢測功能：可靠的故障自診斷，自動根據(jù)探測窗口污染情況調(diào)節(jié)探測靈敏度； 4、監(jiān)視范圍大：軸線探測距離長（最長大60米）、監(jiān)視角度大（120度），保護(hù)范圍大； 5、防護(hù)等級高：防塵、防水、防爆，適用于各種惡劣環(huán)境； 6、維護(hù)成本低：探測器在日常使用一段時間后，需進(jìn)行清洗維護(hù)工作，一般可直接用水清洗，對存在油污等情況下可直接用酒精清洗外監(jiān)視窗口，無需專人、專用工具。 A710系列火焰探測器的設(shè)計選型如下表：

第一種火源監(jiān)測方案：我們將3個火焰探測器以夾角為120°安裝在消防車的頂部，在小車進(jìn)行巡邏的過程中，這3個探測器同時進(jìn)行監(jiān)測，由于采用的探測器最大探測角度為120°，最長距離為60米，從而保證了火源探測系統(tǒng)可以在360°范圍內(nèi)進(jìn)行探測，可靠性高。 第二種火源監(jiān)測方案：我們將火焰探測器裝在倉庫中，在消防機(jī)器人上只裝一個信號接收器，當(dāng)有火源產(chǎn)生時，火焰探測器將火源的信息傳送到機(jī)器人的接收器上，接收器再將信號傳到主控模塊，從而使消防小車做出相應(yīng)的判斷進(jìn)行滅火。 具體布置方式如下： ①用一只探測器監(jiān)視房間，適用于中等大小的空間，邊長小于42米，對角線小于60米，如圖19所示。 ②用兩只探測器監(jiān)視房間，適用于方形較大空間，最大邊長小于42米、對角線距離大于60米，如圖20所示。

圖19一個探測器監(jiān)測圖

圖20 兩個探測器對角放置

③用兩只探測器監(jiān)視房間，適用于狹長空間，窄邊小于42米，長邊大于42米，小于84米，如圖21所示。

圖21兩個探測器并列放置

④用四只探測器監(jiān)視房間，適用于超大空間，最大邊長小于84米，對角線距離小于120米，如圖22所示。

圖22四個探測器對角放置

在安裝的過程中，對于類似于隧道等狹長的倉庫，火焰探測器之間的距離必須掌握好，否則出現(xiàn)盲區(qū)現(xiàn)象。經(jīng)計算可得，兩個探測器之間的距離應(yīng)小于50米，如圖23(a)、(b)、(c)所示。

圖23(a) 正視圖

圖23(b) 側(cè)視圖

圖23(c) 俯視圖

3.3 火情預(yù)處理 火情預(yù)處理倉庫消防機(jī)器人的主要功能，機(jī)器人在進(jìn)入滅火射程時，根據(jù)遙控指令或者通過對自身傳感器信息的處理，能夠噴射相應(yīng)的滅火劑進(jìn)行滅火。 危險化學(xué)品倉庫著火后，首先要根據(jù)危險化學(xué)品的不同性質(zhì)，正確選用滅火劑，積極采取針對性的滅火措施。 1、大多數(shù)易燃，可燃液體火災(zāi)都能用泡沫撲救。其中水溶性的有機(jī)溶劑應(yīng)使用抗溶性泡沫撲救，如醇、醚類火災(zāi)； 2、可燃?xì)怏w火災(zāi)使用二氧化碳、干粉等滅火劑撲救； 3、有毒氣體和酸、堿液可以使用噴霧、開花射流或設(shè)置水幕進(jìn)行稀釋； 4、遇水燃燒物質(zhì)，如堿金屬、堿土金屬火災(zāi)，不能用水和二氧化碳進(jìn)行撲救，應(yīng)使用干粉、干沙土或水泥粉等覆蓋滅火； 5、遇水反應(yīng)物質(zhì)，如乙硫醇、乙酰氯等，與水和水蒸氣接觸能發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生有毒或易燃?xì)怏w，因此，此類火災(zāi)不能用水撲救，應(yīng)使用二氧化碳、干粉、水泥粉、干沙土等撲救； 6、粉狀物品，如硫磺粉、粉狀農(nóng)藥等，不能用強(qiáng)水流沖擊，可用霧狀水撲救，以防止發(fā)生粉塵爆炸，擴(kuò)大災(zāi)情。 消防小車上裝有碳納米管傳感器，該傳感器是利用碳納米管的獨(dú)特結(jié)構(gòu)、電子、界面、場致誘導(dǎo)效應(yīng)、聲學(xué)和力學(xué)等性能而構(gòu)建的一類新型敏感檢測元件，在不同種類的?；窓z測方面有很好的應(yīng)用前景。檢測到火源信息后，通過自身的判斷啟動小車上自帶的消防裝置，噴射針對性的滅火劑進(jìn)行火情處理。 3.4 信息反饋系統(tǒng) 為了采集火災(zāi)發(fā)生現(xiàn)場的實(shí)時圖像，我們在機(jī)器人的頂部安裝了攝像頭，可以傳回現(xiàn)場的圖像，在控制中心的屏幕上顯示，以方便工作人員查看現(xiàn)場的情況，在火災(zāi)發(fā)生時，也可以通過了解現(xiàn)場的信息而控制機(jī)器人。 火場中?；返姆N類、性質(zhì)、有毒氣體濃度、火源發(fā)展形勢等也通過消防平臺反饋給控制終端，終端進(jìn)而控制機(jī)器人和倉庫中的各類滅火裝置，確?；鹎閾渚瘸晒?。 4市場分析 經(jīng)過查閱相關(guān)文獻(xiàn)、整體方案設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、各類傳感器的選擇與布置、計算校核，最終機(jī)器人能夠完成設(shè)想的倉庫消防巡邏預(yù)警、火源定位識別、火情預(yù)處理、信息反饋、危險品轉(zhuǎn)移與物資搶救等幾大功能。在設(shè)計的過程中，也發(fā)現(xiàn)了機(jī)械本體存在的問題，目前仍在改進(jìn)中。倉庫消防機(jī)器人由于其靈活、高效的特點(diǎn)，使其在倉庫火災(zāi)搶險中具有廣闊的市場應(yīng)用前景。 5競爭力分析 按照消防機(jī)器人的發(fā)展過程，消防機(jī)器人大概可以分為三代：第一代為遙控消防機(jī)器人，第二代為具有傳感器的遙控消防機(jī)器人，第三代為智能消防機(jī)器人。 國外從20世紀(jì)80年代開始研制消防機(jī)器人，日本研制的“彩虹5號”消防機(jī)器人，具有輪式移動和履帶式移動兩種運(yùn)動模式。在平坦的地面上運(yùn)動時采用輪式移動，速度較快；在遇到障礙或地面不平坦時，可以運(yùn)用履帶式運(yùn)動在困難路段行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)越障功能；并能通過遙控機(jī)器人隨身攜帶的滅火器進(jìn)行滅火。英國在80年代末研制的機(jī)器人消防車，裝有雙臂、水槍、探測器、紅外線裝置等，可以在火災(zāi)現(xiàn)場的外圍進(jìn)行滅火，并能通過遙控裝置對機(jī)器人進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)搬移物品等動作。隨著耐高溫材料的發(fā)展，美國在90年代研制的消防機(jī)器人外殼采用阻燃材料，能夠承受火災(zāi)現(xiàn)場的高溫，可以有效地保護(hù)機(jī)器人自身的安全，更好的完成消防任務(wù)。 進(jìn)入21世紀(jì)后，國外開始發(fā)展第三代智能消防機(jī)器人，英國、美國研制的消防機(jī)器人已經(jīng)可以通過傳感器采集現(xiàn)場信息，通過機(jī)器人自身的控制器對信息進(jìn)行有效地處理，并將現(xiàn)場信息傳回控制中心，控制中心通過觀察現(xiàn)場信息，遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人進(jìn)行滅火和救援任務(wù)，該消防機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了信息采集、滅火等功能，已經(jīng)是具有低智能的消防機(jī)器人。圖24為日本研制的消防機(jī)器人，該機(jī)器人還可以在火災(zāi)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)對受傷人員的快速轉(zhuǎn)移。

圖24 日本研制的消防機(jī)器人

國內(nèi)的消防機(jī)器人起步較晚，從上世紀(jì)80年代開始主要針對遠(yuǎn)程遙控消防機(jī)器人的研究，并取得了一定的成果。進(jìn)入21世紀(jì)，國家863項目“ZXPJ01型自行式消防水炮”的研制，填補(bǔ)了我國消防機(jī)器人領(lǐng)域的空白，它可以實(shí)現(xiàn)滅火、危險場所救援等任務(wù)。該機(jī)器人已經(jīng)在陜西、內(nèi)蒙古等地投入使用，并完成了多次消防救援任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，我國又自行研制了消防機(jī)器人“夢幻一號”，如圖25所示，它可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能，在火災(zāi)現(xiàn)場外圍進(jìn)行滅火，它還可以通過遠(yuǎn)程遙控沖入火災(zāi)現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)更近距離的消防救援。

圖25 消防機(jī)器人“夢幻一號”

近幾年來，有更多的研究公司加入到研究消防機(jī)器人的行列中，也取得了一定的成果。安徽明光消防車廠生產(chǎn)出遙控滅火消防車，撫順起重工程有限公司也研制出“多功能消防機(jī)器人”，這些消防機(jī)器人都可以完成外圍消防救援的任務(wù)。江蘇、遼寧、云南、湖北等地的消防部隊先后陸續(xù)配備了一部分國產(chǎn)消防機(jī)器人。 目前，國內(nèi)消防機(jī)器人的發(fā)展較為迅速，但是和發(fā)達(dá)國家相比還有一定差距，各機(jī)器人研究部門也在努力開發(fā)更加實(shí)用的消防機(jī)器人。 消防機(jī)器人進(jìn)行滅火的主要方法是在火災(zāi)現(xiàn)場外圍運(yùn)用消防炮等設(shè)備進(jìn)行滅火，由于大型火災(zāi)具有初始階段陰燃時間長，不易被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場危險品多等特點(diǎn)，采用消防炮滅火，空氣的流通使得氧氣得到了補(bǔ)充，初始火源會繼續(xù)蔓延，增加消防難度。所以滅火的最好方法就是能夠轉(zhuǎn)“外部圍攻”為“內(nèi)部突破”，在現(xiàn)場內(nèi)部進(jìn)行針對性的滅火，在火災(zāi)還沒有擴(kuò)大之時就進(jìn)行撲滅。日本正在研制的消防機(jī)器人，能夠在火災(zāi)發(fā)生時沖入現(xiàn)場，通過自身攜帶的傳感器采集現(xiàn)場信息，并通過對信息的處理作出一定的決策，以實(shí)現(xiàn)滅火和救援等任務(wù)。這種可以在火災(zāi)發(fā)生時沖入現(xiàn)場的方式，可以有效提高滅火的效率。 從消防機(jī)器人的發(fā)展過程我們可以看出，隨著計算機(jī)技術(shù)和控制方法的發(fā)展，智能消防機(jī)器人是目前消防機(jī)器人的主要發(fā)展方向，即在火災(zāi)現(xiàn)場較為復(fù)雜的環(huán)境中可以通過采集現(xiàn)場的信息，自主的作出決定，在一定程度上降低盲目性，可以更加有效地實(shí)現(xiàn)滅火功能。 除了智能化消防機(jī)器人，消防機(jī)器人還有以下幾個發(fā)展方向： （1）多傳感器融合技術(shù)的應(yīng)用。為了應(yīng)對倉庫火災(zāi)現(xiàn)場極其復(fù)雜的情況，機(jī)器人應(yīng)該具有多種傳感器。為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能化和適應(yīng)性，多種傳感器的融合使用是關(guān)鍵技術(shù)，其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感融合算法。 （2）新材料技術(shù)。消防機(jī)器人的工作環(huán)境具有高溫的特點(diǎn)，所以對消防機(jī)器人來說，如何保證自己的安全是極其重要的，新材料的發(fā)展可以保證機(jī)器人在高溫下正常工作，我國正在研制納米防火阻燃材，該材料使用后，機(jī)器人可以在火災(zāi)時沖入現(xiàn)場而自身不受到傷害。 （3）多功能融合技術(shù)。多功能融合是指消防機(jī)器人與其他的機(jī)器人功能相互融合，如日本已經(jīng)研制出的爬樓梯消防機(jī)器人，可以適應(yīng)更加大型的倉庫，可與消防機(jī)器人融合的功能還有排障、越障等。 倉庫火災(zāi)與一般的現(xiàn)場火災(zāi)有所區(qū)別，倉庫是物資集中的場所，具有燒大火的條件，一旦發(fā)生火災(zāi)，發(fā)生危險的可能性極大，所以需要在火災(zāi)剛發(fā)生時就給予有效地控制，這就需要專門的倉庫消防機(jī)器人，能夠在倉庫火災(zāi)發(fā)生時迅速找到并到達(dá)火源地點(diǎn)完成消防和救援任務(wù)。由于倉庫火災(zāi)的特殊性，倉庫消防機(jī)器人的應(yīng)用對于減少倉庫火災(zāi)的損失具有明顯的作用，可以在初始火源還沒有充分燃燒的時候就將火滅掉，與傳統(tǒng)的消防炮等倉庫滅火方法相比，該消防機(jī)器人可以更早的對火源進(jìn)行處理，為滅火爭取寶貴的時間。 6投資預(yù)算 表1 倉庫自動消防機(jī)器人平臺投資預(yù)算

注：表1中給出的預(yù)算適用于面積小于400平方米的倉庫。