微型消防侦察机器人的设计

王智威 刘帅 王靖钧 胡明敏

摘 要：本文介绍了一种微型侦察消防机器人的设计。首先介绍了消防侦察机器人的发展方向及本设计的目标，然后分析消防侦察机器人的主要参数，最后给出机械结构和控制系统的设计方案。

关键词：消防侦察机器人;履带;单片机

中图分类号：TU998.13 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）13-0042-03

Abstract： This paper introduced the design of a miniature reconnaissance fire fighting robot. Firstly， this paper introduced the development direction of fire reconnaissance robot and the goal of this design， then analysed the main parameters of fire reconnaissance robot， and finally gave the design scheme of mechanical structure and control system.

Keywords： fire reconnaissance robot;track;singlechip

火灾是非天然灾害中对人类生命财产安全极具威胁的灾害之一，遭受威胁的不仅是火灾中的被救者，还包括火灾救援者。火灾现场通常存在可视度低、可吸入颗粒物浓度高、爆炸、爆燃等极端危险因子，无形中加大了消防救援难度。因此，当火场内部情况尚未明确前，建议消防救援人员不要贸然进入火场。此时如果有一款侦察机器人先期进入火场内部进行侦察摸底工作，在某种程度上为消防人员筑起一道保障生命安全的技术防线。由此，本文设计了一种微型侦察消防机器人。

1 消防侦察机器人的发展方向

消防机器人有很多类型，根据主要功能可分为灭火机器人、火场侦察机器人、危险化学物品泄露探测机器人、救人机器人及具备多种功能的综合机器人。

消防侦察机器人一直随着科技的发展而进步，由最初的程序控制机器人，到后来的传感器机器人，再到如今的智能机器人。未来的消防侦察机器人将会朝着更加智能的方向发展，将能够自主判断、自主工作。此外，未来的消防侦察机器人将会更加地综合化，除基本的侦查检测功能外，还将具备其他类型消防机器人的某些功能。

2 本项目研究的内容及设计目标

研究内容具体如下。

①研究消防侦察机器人基本的机械结构和机械设计。②研究消防侦察机器人要实现侦察作业所需要的硬件控制系统和软件控制系统的设计。③研究消防侦察机器人自我保护（防火隔热）系统的设计。

设计目标具体如下。

①该消防侦察机器人可以通过无线遥控的方式进入火灾现场，行驶灵活敏捷，有一定的越野避障能力。②能侦察火灾现场的实情，通过摄像头实时将火灾现场的画面传输到PC端，也能拍摄现场照片传送的PC端，可以通过此功能来寻找火源、搜索被困人员。③能够在高温浓烟等恶劣的火灾现场进行侦察[1]。

3 本项目研制的消防侦察机器人的主要参数

长为40cm;宽为30cm;高为30cm;总质量为3.7kg;操作方式为无线;传输影像为彩色;视宽为120°。

设计的消防侦察机器人采用履带式底盘，具有较强的越野和爬坡能力，能攀爬30°的斜坡，可自由转向;机器人体型较小，可通过狭窄的通道;机器人装有摄像头，可将火灾现场的画面实时传输到PC端，用于侦察火灾实情，搜索火源和被困人员。当机体内温度过高时，喷水装置自动喷撒水幕到机体，机体温度降低。图1为消防侦察机器人整体设计。

4 机械结构设计

4.1 移动平台机构设计

火灾现场环境复杂，消防侦察机器人要有良好的越野避障能力，因此设计了履带式机构作为移动平台，如图2所示。驱动轮和驱动电机相连，履带板两端的孔与驱动轮齿轮啮合，电机工作时通过驱动轮带动履带运转;支重轮的主要作用是支撑整个机体的重量，让履带沿着轮子前进;缓冲弹簧起缓冲作用，使履带在行驶过程中始终保持一定的张紧状态;导向轮用于引导履带正确绕转，可以防止跑偏和越轨。

4.2 机器人自我保护系统设计

火灾现场除了高温还有明火。为了保证侦察机器人能够在此环境下正常工作，整个机体必须要防火、耐高温。机器人驱动和其他控制系统都是由集成电路板（单片机）控制，单片机上的集成电路很容易被高温破坏，所以必须将电路控制系统安装于机体内，通过机体的防火隔热材料保护内部控制系统不受影响[2]。

4.2.1 机器人机体设计。现在的防火隔热材料多用于工程建筑，如陶瓷纤维、板酚醛板等。这些材料虽然防火隔热的性能很好，但是材料质地坚硬，不易于再加工。因此，选用金属板材制作机体，将隔热棉贴置于板材内部，以保护内部电路。隔热棉中有很多的間隙，大量的热被气泡阻挡，很难进入内部。

4.2.2 喷水装置设计。喷水装置主要由水箱、水泵及喷头组成，由一个热敏电阻控制。当机体内部温度达到50℃时，电路导通，水泵开始工作，喷头将水喷洒在机体上，水珠在高温下开始蒸发，蒸发时吸收了机体大量的热，机体温度降低。水泵直径33mm，进水口16mm，出水口6mm，最大流量4L/min，额定功率30W，直流输入12V/2A。

5 控制系统设计

5.1 控制系统的总体设计

本项目的消防侦察机器人采用上下位机的工作方式控制整个系统。操作人员通过上位机（遥控器）发出指令，如机器人的前进、后退，转向电动机的左右旋转等。这些指令通过无线数字传输模块发送给下位机（单片机），下位机接收到指令后按照之前拟定的程序，驱动相应的电机和舵机进行工作[3]。下位机具有WIFI模块，设计了用电脑PC端控制下位机，操作和遥控器相同。在此过程中，摄像头通过WIFI信号和电脑PC端进行图像传输。摄像头将现场环境的实时画面传输到PC端，操控人员根据回传的画面了解现场情况，形成了一个闭环的控制系统。控制系统如图3所示。

5.2 STM32103F核心板简介

核心板型号为STM32F103VET6，内核为ARM32位的Corter-M3CPU，调试方式为SWD。

MCU介绍：最高工作频率72MHz;256K闪存程序存储器;64K字节SRAM;带4个片选的静态存储器控制器，支持Cf卡、SRAM、PSRM、NOR和NAND存储器;4～16MHz晶振荡器;2个12位模数转换器;112个快速I/O端口，所有I/O口可以映像到16个外部中断，几乎所有的端口均可容忍5V信号。

5.2.1 WIFI数传模块。WIFI模塊又名串口WIFI模块，提供设置工作信道的参数，在已知目的网络所在信道的条件下，可以直接指定模块的工作信道，从而达到加快联网速度的目的[4]。本项目中，PC端通过链接WIFI模块的建立数据/图像传输通道，操控人员借用PC端将指令通过数传模块传送给单片机，摄像头也通过数传模块将图像传送到PC端。

5.2.2 遥控模块。发射机由指令键（或操作杆）、指令编码系统、调制电路、驱动电路及发射电路等组成。当按下指令键或推动操作杆时，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载波进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制的指令编码信号。

接收电路由接收电路、放大电路、调制电路、指令译码电路、驱动电路及执行电路（机构）等组成。接收电路接收发射器发出的已调制的编码指令信号，并进行放大后送至解调电路，解调电路将已调制的指令编码信号解调出来，即还原为编码信号。指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制（机构）。本项目中，接收器和单片机相连，单片机给接收器供电，接收器将编译过的指令传给单片机[5]。

5.2.3 电路系统。本电路系统的输出主要是控制系统和喷水装置两大部分。一方面，电源通过导线连接单片机上的电源模块给单片机提供6～12V的电压，通过单片机上的电机和舵机模块供电给电机和舵机，同时通过单片机上的5V输出拓展模块给WIFI数传模块供电;另一方面，电源、热敏电阻及迷你水泵组成一个简单的串联电路，热敏电阻在温度的影响下通断，控制水泵工作。电路的电源用的是11.1V3s2200mah7.4V的格式电池，航模电池安全性高、寿命长、环保无污染，很适合作为本项目的电源。图4为单片机电源模块。

6 总结与期望

本项目主要完成了移动机构的设计、机体机械结构的设计、控制系统平台的搭建和设计，并对系统进行了调试，使其具备侦察火灾现场的能力。本项目以现有的履带式底盘为参考，设计了符合消防侦察机器人的越野性能好、高负载、活动灵活的移动机构;以黄铜板和隔热材料为主体，喷水降温装置为辅助，设计了能够保护机体在火灾现场正常工作的机械机构;基于单片机核心板的控制系统、数传模块及遥控模块，实现了机器人无线遥控的驱动模式，保证了高清视频、照片的高效回传。

参考文献：

[1]孙姜旭.小型消防机器人分析与设计[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[2]房海蓉，方跃法，杨延昭，等.基于隧道火灾的消防机器人系统研究[J].中国科学安全报，2003（10）：4.

[3]王南丁.消防机器人履带行走装置设计及运动学仿真研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2015.

[4]国家“863”消防机器人课题组.中国第一代消防机器人[J].机器人技术及应用，2000（6）：7-10.

[5]孙立宁，董为，杜志江.宏/微双重驱动机器人系统的研究现状与关键技术[J].中国机械工程，2005（1）：89-93.