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，設計了一款消防滅火機器人，其控制系統(tǒng)包括Android手機客戶端和基于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單片機作為主控芯片，采用安裝在機器人的視頻攝像頭、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)動電機和滅火劑噴灑方向控制電機等執(zhí)行機構的控制，行走自動糾偏采用PID控制算法，從而實現(xiàn)對消防滅火機器人的遠程控制，達到精準及時滅火的目的，對提高消防機器人的機電一體化、自動化及智能化具有重要意義。

　　關鍵詞：消防滅火機器人;電機控制;自動糾偏;PID控制;智能化

　　引言

　　眾所周知，火災不僅危及財產(chǎn)安全，還會給人們的生命安全帶來巨大的損失，因此如何預防火災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，且頂部建筑結構易坍塌，造成消防裝備及人員無法靠近;呈圓筒狀結構的公路隧道、高層建筑、地鐵場所，易產(chǎn)生“煙囪”效應，加劇火災蔓延;大跨度鋼結構建筑的冷庫，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，若火災發(fā)生時沒有有效的消防應急預案、合適的滅火救援設施及裝備，消防員強行進入火災現(xiàn)場采取滅火行動，不僅達不到預期效果，而且還會給救援人員的生命安全帶來嚴重威脅[3]。近年來，隨著新工藝、新材料和新技術的發(fā)展，消防滅火機器人應運而生。消防機器人能到達充滿濃煙、有毒、缺氧等復雜環(huán)境的火災現(xiàn)場，根據(jù)設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，降低火災事故的經(jīng)濟損失[4]。

　　1總體結構

　　消防滅火機器人為自走輪式結構[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;機殼內(nèi)部配備滅火裝置，如冷氣溶膠滅火裝置，發(fā)生火災時，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的旋轉(zhuǎn)使噴灑口正對火焰，從而近距離準確地對準著火點執(zhí)行滅火任務，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器人在前進過程中撞到障礙物。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]

　　消防滅火機器人的控制系統(tǒng)包括Android手機客戶端程序和基于PIC單片機的控制器[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)及相關應用軟件的路由器，集成了1個5端口百兆以太網(wǎng)交換機、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)送至手機客戶端，并將手機客戶端發(fā)送的控制命令傳輸至消防滅火機器人控制器。WiFi模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　消防滅火機器人開機后自啟動，初始默認的是自動模式，可以自動搜尋火源，主動避障，精確滅火。當檢測到進入無線模式的命令時，進入無線模式，此時可以通過Android客戶端主控界面上的觸摸按鍵發(fā)送相應控制命令至WiFi模塊[8]，通過按鍵直接控制消防滅火機器人的前進、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，將其顯示在手機屏幕上。

　　2硬件設計

　　在硬件設計方面，消防滅火機器人控制器選用Microchip的PIC18F46K22單片機為主控芯片[9]。該單片機屬于高性能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個標準脈寬調(diào)制(PWM)模塊、3個增強型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、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)部集成過熱保護和限流電路，可有效保護整個電路。

　　程序燒寫電路可以通過PGD、PGC等引腳將程序燒錄進單片機;D2、D3指示燈可以通過編寫相應程序指示相應狀態(tài)，外部晶振為單片機提供時鐘周期;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客戶端的控制指令，從而控制各執(zhí)行電機，亦可將攝像頭視頻信號傳輸給手機客戶端。

　　陀螺儀姿態(tài)檢測電路通過MPU6050陀螺儀對機器人狀態(tài)進行實時檢測[11]，單片機結合讀取的數(shù)據(jù)對雙側行走電機進行獨立PWM控制，在機器人前進跑偏時進行自動糾偏;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行檢測，當蓄電池欠壓時發(fā)出報警聲，實現(xiàn)蓄電池的欠壓保護;兩側的行走電機可通過脈寬調(diào)制(PWM)技術控制電機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速[12];行走電機驅(qū)動控制電路通過雙H橋PWM集成電機驅(qū)動器DRV8412控制行走電機，2路PWM輸出獨立驅(qū)動左右輪的電機，從而完成前進、后退和轉(zhuǎn)彎運動，且集成在驅(qū)動器內(nèi)部的保護電路還可監(jiān)測行走電機是否過流;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3～80cm距離內(nèi)的障礙物，從而實現(xiàn)機器人自動避障。