摘要：針對諸如石油化工、油罐區(qū)、大型倉庫、公路隧道、高層建筑等特殊場所滅火困難的問題，設(shè)計了一款消防滅火機(jī)器人，其控制系統(tǒng)包括Android手機(jī)客戶端和基于PIC的控制器，兩者通過帶路由器的WiFi模塊通信，控制器選用PIC18F46K22單片機(jī)作為主控芯片，采用安裝在機(jī)器人的視頻攝像頭、姿態(tài)檢測的陀螺儀和紅外避障傳感器，實現(xiàn)對左右行走輪驅(qū)動電機(jī)和滅火劑噴灑方向控制電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，行走自動糾偏采用PID控制算法，從而實現(xiàn)對消防滅火機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，達(dá)到精準(zhǔn)及時滅火的目的，對提高消防機(jī)器人的機(jī)電一體化、自動化及智能化具有重要意義。

　　關(guān)鍵詞：消防滅火機(jī)器人;電機(jī)控制;自動糾偏;PID控制;智能化

　　引言

　　眾所周知，火災(zāi)不僅危及財產(chǎn)安全，還會給人們的生命安全帶來巨大的損失，因此如何預(yù)防火災(zāi)及快速有效滅火顯得極為重要。對于一些特殊場合[1]，如石油化工、油罐區(qū)、大型倉庫、建筑物等在火災(zāi)發(fā)生時會產(chǎn)生大量熱量、煙霧和有毒有害氣體，且頂部建筑結(jié)構(gòu)易坍塌，造成消防裝備及人員無法靠近;呈圓筒狀結(jié)構(gòu)的公路隧道、高層建筑、地鐵場所，易產(chǎn)生“煙囪”效應(yīng)，加劇火災(zāi)蔓延;大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的冷庫，因其隔熱防潮性能好，見光率大，出入口少且空間密閉，這些都是滅火救援的難題[2]。

　　針對以上危險區(qū)域，若火災(zāi)發(fā)生時沒有有效的消防應(yīng)急預(yù)案、合適的滅火救援設(shè)施及裝備，消防員強(qiáng)行進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場采取滅火行動，不僅達(dá)不到預(yù)期效果，而且還會給救援人員的生命安全帶來嚴(yán)重威脅[3]。近年來，隨著新工藝、新材料和新技術(shù)的發(fā)展，消防滅火機(jī)器人應(yīng)運而生。消防機(jī)器人能到達(dá)充滿濃煙、有毒、缺氧等復(fù)雜環(huán)境的火災(zāi)現(xiàn)場，根據(jù)設(shè)定好的程序采取合理的滅火措施，最大限度地減少消防人員的傷亡，提高滅火救援的效率，降低火災(zāi)事故的經(jīng)濟(jì)損失[4]。

　　1總體結(jié)構(gòu)

　　消防滅火機(jī)器人為自走輪式結(jié)構(gòu)[5]，供電采用12V蓄電池;為了便于轉(zhuǎn)向，前輪采用萬向輪，后輪采用直流電機(jī)驅(qū)動[6];表面涂覆防高溫涂層可深入最危險的位置，如高溫、爆炸、中毒、輻射危險的“火海”中偵查火情;其前方裝有視頻攝像頭，用來識別尋找周圍環(huán)境中的火焰、煙霧;機(jī)殼內(nèi)部配備滅火裝置，如冷氣溶膠滅火裝置，發(fā)生火災(zāi)時，可通過噴灑口滅火;若噴灑口未正對火焰，通過噴灑方向控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)使噴灑口正對火焰，從而近距離準(zhǔn)確地對準(zhǔn)著火點執(zhí)行滅火任務(wù)，防止火勢蔓延，使滅火劑的利用率有了大幅度提高;紅外避障傳感器可以避免機(jī)器人在前進(jìn)過程中撞到障礙物。此外，配備的視頻系統(tǒng)能將火場的高清圖像傳送到操作平臺。[1]

　　消防滅火機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括Android手機(jī)客戶端程序和基于PIC單片機(jī)的控制器[7]，兩者之間的通信通過高度集成、低成本的WiFi模塊AtherosAR9331實現(xiàn)。AR9331采用MIPS24Kc內(nèi)核，裝有OpenWrt操作系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)用軟件的路由器，集成了1個5端口百兆以太網(wǎng)交換機(jī)、1個DDR/DDR2控制器，單片即可實現(xiàn)完整的無線路由。該WiFi模塊主要功能是實現(xiàn)Android手機(jī)客戶端與控制器之間的通信：將攝像頭的視頻信號發(fā)送至手機(jī)客戶端，并將手機(jī)客戶端發(fā)送的控制命令傳輸至消防滅火機(jī)器人控制器。WiFi模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　消防滅火機(jī)器人開機(jī)后自啟動，初始默認(rèn)的是自動模式，可以自動搜尋火源，主動避障，精確滅火。當(dāng)檢測到進(jìn)入無線模式的命令時，進(jìn)入無線模式，此時可以通過Android客戶端主控界面上的觸摸按鍵發(fā)送相應(yīng)控制命令至WiFi模塊[8]，通過按鍵直接控制消防滅火機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等，并解碼WiFi模塊傳輸來的視頻攝像頭的圖像信號，將其顯示在手機(jī)屏幕上。

　　2硬件設(shè)計

　　在硬件設(shè)計方面，消防滅火機(jī)器人控制器選用Microchip的PIC18F46K22單片機(jī)為主控芯片[9]。該單片機(jī)屬于高性能RISC(reduced instruction set computer)，精簡了指令數(shù)目和尋址方式，提高了編譯器的效率，且具有在線串行編程功能，方便開發(fā)者調(diào)試程序。該芯片有35個I/O引腳[10]，最大工作電壓5.5V，引腳既可以3.3V供電，也可以兼容5V。它采用nano Watt XLP的超低功耗管理，空閑、休眠和備用時鐘模式等多種功耗管理模式可以有效降低消防滅火機(jī)器人的功耗，提高蓄電池的使用時間。其具有1024字節(jié)數(shù)據(jù)的EEPROM、64k字節(jié)的ROM，最高工作速度16MIPS，數(shù)據(jù)總線為16位寬指令與8位;另有2個標(biāo)準(zhǔn)脈寬調(diào)制(PWM)模塊、3個增強(qiáng)型CCP(ECCP)模塊，可輸出2路PWM。

　　控制器的整個電路采用模塊化設(shè)計，由電源轉(zhuǎn)換、程序燒寫、WiFi模塊通信、指示燈和晶振、陀螺儀姿態(tài)檢測、電池電壓檢測、行走電機(jī)驅(qū)動控制、紅外避障控制、滅火劑噴灑電磁閥控制、噴灑方向電機(jī)控制等10部分電路組成。

　　電源轉(zhuǎn)換電路采用具有很好線性的降壓型開關(guān)電源管理集成電路LM2596，固定輸出直流5V，且可輸出3A驅(qū)動電流，為WiFi通信模塊和紅外避障傳感器等供電;因單片機(jī)、指示燈和陀螺儀需要3.3V供電，故選用正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117，其內(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路，可有效保護(hù)整個電路。

　　程序燒寫電路可以通過PGD、PGC等引腳將程序燒錄進(jìn)單片機(jī);D2、D3指示燈可以通過編寫相應(yīng)程序指示相應(yīng)狀態(tài)，外部晶振為單片機(jī)提供時鐘周期;WiFi模塊通信電路可以使控制器通過串口接收傳輸來自手機(jī)客戶端的控制指令，從而控制各執(zhí)行電機(jī)，亦可將攝像頭視頻信號傳輸給手機(jī)客戶端。

　　陀螺儀姿態(tài)檢測電路通過MPU6050陀螺儀對機(jī)器人狀態(tài)進(jìn)行實時檢測[11]，單片機(jī)結(jié)合讀取的數(shù)據(jù)對雙側(cè)行走電機(jī)進(jìn)行獨立PWM控制，在機(jī)器人前進(jìn)跑偏時進(jìn)行自動糾偏;電池電壓檢測電路采用串聯(lián)電阻分壓方式對蓄電池端電壓進(jìn)行檢測，當(dāng)蓄電池欠壓時發(fā)出報警聲，實現(xiàn)蓄電池的欠壓保護(hù);兩側(cè)的行走電機(jī)可通過脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)控制電機(jī)電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速[12];行走電機(jī)驅(qū)動控制電路通過雙H橋PWM集成電機(jī)驅(qū)動器DRV8412控制行走電機(jī)，2路PWM輸出獨立驅(qū)動左右輪的電機(jī)，從而完成前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎運動，且集成在驅(qū)動器內(nèi)部的保護(hù)電路還可監(jiān)測行走電機(jī)是否過流;紅外避障控制電路采用集收發(fā)于一體的光電傳感器E18-D80NK-N檢測障礙物距離[13]，通過電位器旋鈕可以感應(yīng)3～80cm距離內(nèi)的障礙物，從而實現(xiàn)機(jī)器人自動避障。