消防滅火機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究*

*基金項目： 1.西安市科技計劃項目，2019年度高校人才服務(wù)企業(yè)項目計劃，GXYD17.12；2.火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室開放課題（HZ2019-KF12）

作者簡介：李曉賢（1992—），女，漢族，助理工程師，主要從事火災(zāi)探測、報警控制和智慧消防技術(shù)的研究，E-mail: 2358053655@qq.com。

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(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，對提高消防機器人的機電一體化、自動化及智能化具有重要意義。

0   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，消防滅火機器人應(yīng)運而生。消防機器人能到達(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(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]

圖1消防滅火機器人總體結(jié)構(gòu)

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Atheros AR9331 實現(xiàn)。AR9331 采用MIPS 24Kc 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、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(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，將其顯示在手機屏幕上。

2   硬件設(shè)計

在硬件設(shè)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5.5 V，引腳既可以3.3 V 供電，也可以兼容5 V。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1 024 字節(jié)數(shù)據(jù)的EEPROM、64 k 字節(jié)的ROM，最高工作速度16 MIPS，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 個增強型CCP（ECCP）模塊，可輸出2 路PWM?？刂破鞯恼麄€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(guān)電源管理集成電路LM2596，固定輸出直流5 V，且可輸出3 A 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3.3 V 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；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(jìn)行實時檢測^[11]，單片機結(jié)合讀取的數(shù)據(jù)對雙側(cè)行走電機進(jìn)行獨立PWM 控制，在機器人前進(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)的行走電機可通過脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)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(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)3~80 cm 距離內(nèi)的障礙物，從而實現(xiàn)機器人自動避障。

滅火劑噴灑電磁閥控制電路采用開關(guān)電流方式驅(qū)動電磁閥，選用N 溝道MOS 管Q1 和與電磁閥并聯(lián)的電流再循環(huán)二極管D5，當(dāng)單片機RB1 引腳為高電平時，Q1 導(dǎo)通，此時電磁閥打開，滅火劑噴灑；利用MAX14871 全橋驅(qū)動芯片控制滅火劑噴灑口方向控制電機，發(fā)生火災(zāi)時，若單片機檢測到噴灑口未正對火源，則控制噴灑口方向電機旋轉(zhuǎn)，使其正對火焰噴灑，從而精準(zhǔn)及時滅火，提高滅火劑的使用效率。

消防滅火機器人控制器電路如圖3 所示。

圖3 消防滅火機器人控制器電路

3   PID算法參數(shù)設(shè)置調(diào)整試驗

在控制系統(tǒng)中，由于PID 控制算法結(jié)合比例、積分和微分3 個環(huán)節(jié)于一體，成為連續(xù)系統(tǒng)中最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種控制算法，且PID 控制方法結(jié)構(gòu)簡單，各參數(shù)易于設(shè)置。因此，消防滅火機器人的行走電機糾偏算法采用PID 控制。在實際對消防滅火機器人行走電機控制的過程中，通過選用不同的P、I、D 控制組合，由主控芯片輸出給DRV8412 的PWM_A 和PWM_C 引腳不同占空比的PWM 驅(qū)動信號，實現(xiàn)消防滅火機器人行駛方向的自動糾偏。當(dāng)PWM 驅(qū)動信號的占空比減小時，則行走電機兩端的平均電壓降低，電機轉(zhuǎn)速降低，該側(cè)行走輪速度減慢。PID 控制算法框圖如圖4 所示。

圖4 PID控制算法框圖

PID 控制算法的表達(dá)式為：

式中，P(t) 為輸出信號，e(t) 為偏差信號，即實際測量值與目標(biāo)值間的差值，KP 為比例系數(shù)，TI 為積分時間，T_D 為微分時間。

將上式簡化成離散化PID 控制算法的表達(dá)式為：

在消防滅火機器人的PID 控制算法中，航向角偏差E(t) 是時間的函數(shù)，消防滅火機器人的陀螺儀每300 ms檢測 1 次偏航角，即Δt = T采樣周期，E(k)為第 k 次采樣時的偏差值；E(k ?1)為第 k ?1 次采樣時的偏差值；k為采樣序號；P(k)是第 k 次采樣時的輸出值。

在消防滅火機器人行駛過程中，定義向右偏為正角度，若陀螺儀檢測到偏航角為負(fù)（機器人左偏將會左轉(zhuǎn)），則PID 控制算法會通過降低右側(cè)行走輪轉(zhuǎn)速的方法，即單片機輸出的PWM_C 和PWM_D 兩腳的占空比降低，降低驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速來糾正行駛方向，因此只需要知道該采樣周期內(nèi)需要調(diào)整的增量信號即可，若要計算第 k 次的輸出量ΔP(k)，需要知道 E(k)，E(k ?1)，E(k ? 2)，所以可以采用以下增量型 PID 控制算法：

式中，為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。

對于不同系統(tǒng)中的PID 控制算法，只需人工調(diào)整K_P、K_I 和K_D。為了找到這3 個參數(shù)的最佳值，需要通過試驗進(jìn)行統(tǒng)計分析。試驗采用長為10 m 的筆直柏油路（中間不設(shè)置障礙），等分為10個檢測區(qū)間，測量出每個區(qū)間中車輪痕跡與目標(biāo)軌跡線之間存在的最大偏移距離，實驗數(shù)據(jù)采集示意圖如圖5 所示。

圖5 行駛試驗數(shù)據(jù)采集示意圖

根據(jù)PID 控制參數(shù)調(diào)整原則：

先調(diào)整比例系數(shù)，當(dāng)曲線振蕩非常頻繁時，加大KP，超調(diào)大則減小KP；積分項可以消除系統(tǒng)中周期性的波動，及時糾偏，系統(tǒng)糾正周期長減小KI。由于該系統(tǒng)中左右行走輪采用的直流電機慣性和滯后性較小，速度改變迅速，因此微分系數(shù)KD 的改變對直線行駛糾偏性能的影響不是很大。經(jīng)過試驗場地多次運行調(diào)試，得到當(dāng)給定參數(shù)K_P = 8 、K_I = 5 、K_D =1 時，消防滅火機器人直線行駛性能最佳。

采用最優(yōu)參數(shù)K_P = 8 、K_I = 5 、K_D =1 時，消防滅火機器人行走3 次，即每個行走區(qū)間測取3 次試驗數(shù)據(jù)，并求出每個測試區(qū)間的最大偏移距離的平均值，以減小隨機誤差帶來的干擾，將統(tǒng)計出的最大偏移距離作為試驗的結(jié)果。試驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 消防滅火機器人直線行走糾偏試驗數(shù)據(jù)

由表1 中的試驗數(shù)據(jù)可知，在全程10 m 的試驗中，每1 m 的測試區(qū)間中最大偏移距離的平均值在8.3~12.5 cm 之間，偏移率使用最大偏移距離的平均值除以測試區(qū)間長度1 m，在8.33%~12.53% 之間，30組數(shù)據(jù)中最大偏移距離為14.4 cm，最小為6.2 cm，可以滿足消防機器人直線行走的需求，因此PID 控制設(shè)置參數(shù)合理。

4   結(jié)論和討論

消防滅火機器人基于PIC18F46K22 單片機的控制器可以接收Android 手機客戶端的命令，通過PID 算法進(jìn)行自動糾偏，通過帶路由器的WiFi 模塊將攝像頭拍攝到的滅火現(xiàn)場視頻傳輸在手機屏幕和消防控制臺顯示，機器人行走過程中可以主動避障，且可實現(xiàn)噴灑口對準(zhǔn)著火點后自動滅火劑噴灑，在實現(xiàn)精準(zhǔn)及時滅火的同時提高滅火劑的使用效率。

消防機器人可以代替人類進(jìn)行高危滅火作業(yè)，隨著機器人智能控制技術(shù)、計算機技術(shù)的極大進(jìn)步，相信實現(xiàn)自主決策、自主行動、自我防護(hù)的高級智能化消防機器人的誕生指日可待，其未來將朝著以下幾個方向發(fā)展：自主智能化；功能多元化，集合偵察、破拆、堵漏、搬運、滅火、冷卻等功能；高效節(jié)能化和空間立體化。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）