消防滅火機器人控制系統的設計與研究*

*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.火災科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放課題（HZ2019-KF12）

作者簡(jiǎn)介：李曉賢（1992—），女，漢族，助理工程師，主要從事火災探測、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、大型倉庫、公路隧道、高層建筑等特殊場(chǎng)所滅火困難的問(wèn)題，設計了一款消防滅火機器人，其控制系統包括Android手機客戶(hù)端和基于PIC的控制器，兩者通過(guò)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(shí)現對左右行走輪驅動(dòng)電機和滅火劑噴灑方向控制電機等執行機構的控制，行走自動(dòng)糾偏采用PID控制算法，從而實(shí)現對消防滅火機器人的遠程控制，達到精準及時(shí)滅火的目的，對提高消防機器人的機電一體化、自動(dòng)化及智能化具有重要意義。

0   引言

眾所周知，火災不僅危及財產(chǎn)安全，還會(huì )給人們的生命安全帶來(lái)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(chǎng)合^[1]，如石油化工、油罐區、大型倉庫、建筑物等在火災發(fā)生時(shí)會(huì )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(wú)法靠近；呈圓筒狀結構的公路隧道、高層建筑、地鐵場(chǎng)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(jiàn)光率大，出入口少且空間密閉，這些都是滅火救援的難題^[2]。

針對以上危險區域，若火災發(fā)生時(shí)沒(méi)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(jìn)入火災現場(chǎng)采取滅火行動(dòng)，不僅達不到預期效果，而且還會(huì )給救援人員的生命安全帶來(lái)嚴重威脅^[3]。近年來(lái)，隨著(zhù)新工藝、新材料和新技術(shù)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(mǎn)濃煙、有毒、缺氧等復雜環(huán)境的火災現場(chǎng)，根據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；為了便于轉向，前輪采用萬(wàn)向輪，后輪采用直流電機驅動(dòng)^[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?！敝袀刹榛鹎?；其前方裝有視頻攝像頭，用來(lái)識別尋找周?chē)h(huán)境中的火焰、煙霧；機殼內部配備滅火裝置，如冷氣溶膠滅火裝置，發(fā)生火災時(shí)，可通過(guò)噴灑口滅火；若噴灑口未正對火焰，通過(guò)噴灑方向控制電機的旋轉使噴灑口正對火焰，從而近距離準確地對準著(zhù)火點(diǎn)執行滅火任務(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(guò)程中撞到障礙物。此外，配備的視頻系統能將火場(chǎng)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構

消防滅火機器人的控制系統包括Android 手機客戶(hù)端程序和基于PIC 單片機的控制器^[7]，兩者之間的通信通過(guò)高度集成、低成本的WiFi 模塊Atheros AR9331 實(shí)現。AR9331 采用MIPS 24Kc 內核，裝有OpenWrt 操作系統及相關(guān)應用軟件的路由器，集成了1 個(gè)5 端口百兆以太網(wǎng)交換機、1 個(gè)DDR/DDR2 控制器，單片即可實(shí)現完整的無(wú)線(xiàn)路由。該WiFi 模塊主要功能是實(shí)現Android手機客戶(hù)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(hù)端，并將手機客戶(hù)端發(fā)送的控制命令傳輸至消防滅火機器人控制器。WiFi 模塊系統框圖如圖2所示。

消防滅火機器人開(kāi)機后自啟動(dòng)，初始默認的是自動(dòng)模式，可以自動(dòng)搜尋火源，主動(dòng)避障，精確滅火。當檢測到進(jìn)入無(wú)線(xiàn)模式的命令時(shí)，進(jìn)入無(wú)線(xiàn)模式，此時(shí)可以通過(guò)Android 客戶(hù)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(guò)按鍵直接控制消防滅火機器人的前進(jìn)、后退、左轉、右轉等，并解碼WiFi 模塊傳輸來(lái)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(jiǎn)了指令數目和尋址方式，提高了編譯器的效率，且具有在線(xiàn)串行編程功能，方便開(kāi)發(fā)者調試程序。該芯片有35 個(gè)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(shí)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(shí)間。其具有1 024 字節數據的EEPROM、64 k 字節的ROM，最高工作速度16 MIPS，數據總線(xiàn)為16 位寬指令與8 位；另有2 個(gè)標準脈寬調制（PWM）模塊、3 個(gè)增強型CCP（ECCP）模塊，可輸出2 路PWM?？刂破鞯恼麄€(gè)電路采用模塊化設計，由電源轉換、程序燒寫(xiě)、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、行走電機驅動(dòng)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。

電源轉換電路采用具有很好線(xiàn)性的降壓型開(kāi)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 驅動(dòng)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壓器AMS1117，其內部集成過(guò)熱保護和限流電路，可有效保護整個(gè)電路。程序燒寫(xiě)電路可以通過(guò)PGD、PGC 等引腳將程序燒錄進(jìn)單片機；D2、D3 指示燈可以通過(guò)編寫(xiě)相應程序指示相應狀態(tài)，外部晶振為單片機提供時(shí)鐘周期；WiFi模塊通信電路可以使控制器通過(guò)串口接收傳輸來(lái)自手機客戶(hù)端的控制指令，從而控制各執行電機，亦可將攝像頭視頻信號傳輸給手機客戶(hù)端。

陀螺儀姿態(tài)檢測電路通過(guò)MPU6050 陀螺儀對機器人狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測^[11]，單片機結合讀取的數據對雙側行走電機進(jìn)行獨立PWM 控制，在機器人前進(jìn)跑偏時(shí)進(jìn)行自動(dòng)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，當蓄電池欠壓時(shí)發(fā)出報警聲，實(shí)現蓄電池的欠壓保護；兩側的行走電機可通過(guò)脈寬調制（PWM）技術(shù)控制電機電樞電壓，實(shí)現調速^[12]；行走電機驅動(dòng)控制電路通過(guò)雙H 橋PWM 集成電機驅動(dòng)器DRV8412 控制行走電機，2 路PWM輸出獨立驅動(dòng)左右輪的電機，從而完成前進(jìn)、后退和轉彎運動(dòng)，且集成在驅動(dòng)器內部的保護電路還可監測行走電機是否過(guò)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(guò)電位器旋鈕可以感應3~80 cm 距離內的障礙物，從而實(shí)現機器人自動(dòng)避障。

滅火劑噴灑電磁閥控制電路采用開(kāi)關(guān)電流方式驅動(dòng)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，當單片機RB1 引腳為高電平時(shí)，Q1 導通，此時(shí)電磁閥打開(kāi)，滅火劑噴灑；利用MAX14871 全橋驅動(dòng)芯片控制滅火劑噴灑口方向控制電機，發(fā)生火災時(shí)，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，使其正對火焰噴灑，從而精準及時(shí)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算法參數設置調整試驗

在控制系統中，由于PID 控制算法結合比例、積分和微分3 個(gè)環(huán)節于一體，成為連續系統中最為成熟、應用最為廣泛的一種控制算法，且PID 控制方法結構簡(jiǎn)單，各參數易于設置。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(shí)際對消防滅火機器人行走電機控制的過(guò)程中，通過(guò)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 驅動(dòng)信號，實(shí)現消防滅火機器人行駛方向的自動(dòng)糾偏。當PWM 驅動(dòng)信號的占空比減小時(shí)，則行走電機兩端的平均電壓降低，電機轉速降低，該側行走輪速度減慢。PID 控制算法框圖如圖4 所示。

圖4 PID控制算法框圖

PID 控制算法的表達式為：

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

將上式簡(jiǎn)化成離散化PID 控制算法的表達式為：

在消防滅火機器人的PID 控制算法中，航向角偏差E(t) 是時(shí)間的函數，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(shí)的偏差值；E(k ?1)為第 k ?1 次采樣時(shí)的偏差值；k為采樣序號；P(k)是第 k 次采樣時(shí)的輸出值。

在消防滅火機器人行駛過(guò)程中，定義向右偏為正角度，若陀螺儀檢測到偏航角為負（機器人左偏將會(huì )左轉），則PID 控制算法會(huì )通過(guò)降低右側行走輪轉速的方法，即單片機輸出的PWM_C 和PWM_D 兩腳的占空比降低，降低驅動(dòng)電機的轉速來(lái)糾正行駛方向，因此只需要知道該采樣周期內需要調整的增量信號即可，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；為微分系數。

對于不同系統中的PID 控制算法，只需人工調整K_P、K_I 和K_D。為了找到這3 個(gè)參數的最佳值，需要通過(guò)試驗進(jìn)行統計分析。試驗采用長(cháng)為10 m 的筆直柏油路（中間不設置障礙），等分為10個(gè)檢測區間，測量出每個(gè)區間中車(chē)輪痕跡與目標軌跡線(xiàn)之間存在的最大偏移距離，實(shí)驗數據采集示意圖如圖5 所示。

圖5 行駛試驗數據采集示意圖

根據PID 控制參數調整原則：

先調整比例系數，當曲線(xiàn)振蕩非常頻繁時(shí)，加大KP，超調大則減小KP；積分項可以消除系統中周期性的波動(dòng)，及時(shí)糾偏，系統糾正周期長(cháng)減小KI。由于該系統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KD 的改變對直線(xiàn)行駛糾偏性能的影響不是很大。經(jīng)過(guò)試驗場(chǎng)地多次運行調試，得到當給定參數K_P = 8 、K_I = 5 、K_D =1 時(shí)，消防滅火機器人直線(xiàn)行駛性能最佳。

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

表1 消防滅火機器人直線(xiàn)行走糾偏試驗數據

由表1 中的試驗數據可知，在全程10 m 的試驗中，每1 m 的測試區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間長(cháng)度1 m，在8.33%~12.53% 之間，30組數據中最大偏移距離為14.4 cm，最小為6.2 cm，可以滿(mǎn)足消防機器人直線(xiàn)行走的需求，因此PID 控制設置參數合理。

4   結論和討論

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(hù)端的命令，通過(guò)PID 算法進(jìn)行自動(dòng)糾偏，通過(guò)帶路由器的WiFi 模塊將攝像頭拍攝到的滅火現場(chǎng)視頻傳輸在手機屏幕和消防控制臺顯示，機器人行走過(guò)程中可以主動(dòng)避障，且可實(shí)現噴灑口對準著(zhù)火點(diǎn)后自動(dòng)滅火劑噴灑，在實(shí)現精準及時(shí)滅火的同時(shí)提高滅火劑的使用效率。

消防機器人可以代替人類(lèi)進(jìn)行高危滅火作業(yè)，隨著(zhù)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(shí)現自主決策、自主行動(dòng)、自我防護的高級智能化消防機器人的誕生指日可待，其未來(lái)將朝著(zhù)以下幾個(gè)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；高效節能化和空間立體化。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）