一种多功能半自主遥操作的履带式消防机器人控制系统设计

赵 琪，张 华，熊鹏文，尚志军

（南昌大学江西省机器人与焊接自动化重点实验室，江西 南昌 330031）

1 引言

近年来，火灾、爆炸等安全事故频发于工厂、仓库、楼宇等地，给人们带来巨大危害与损失。目前国内外已研制出用于核工业检测，煤矿厂等有毒、易燃气体场所探测，火场消防的移动机器人，但上述用于特定环境的机器人通常功能单一，控制策略陈旧，自动化程度低。随着计算机科学以及智能控制技术的发展，智能机器人的实现已成为可能，各国都加快将智能控制技术应用于移动机器人的研制上[1]。由此设计了一种集火场气体探测、无线遥控、自主避障、自我保护、消防等功能为一体的智能消防机器人。

消防机器人的工作环境往往存在很多障碍物，也可能存在有毒、易燃、腐蚀性的气体、液体，而过去设计的消防机器人较多依靠可靠的机械结构，和人工遥控来实现机器人的避障、喷水和保护机器人[2]。针对此，本设计改进了传统控制策略，设计思路是：将模糊控制应用于机器人的移动避障，在无人干预的情况下机器人自主移动并探测，还能根据环境情况，自动选择喷洒水、干冰或泡沫等不同灭火剂，在环境过于复杂或其他必要情况时，又可切换成人工遥控模式。

2 控制系统组成

2.1 功能介绍

机器人主要功能：（1）实现移动平台运动控制、水炮仰俯及横摆控制，保证各部分电机的协同工作；（2）能够实现温度、超声和气体检测等传感器的信号采集与处理。探测火场内辐射热、有毒及易燃气体种类和浓度；（3）根据探测出的环境情况，选择不同灭火剂进行灭火、冷却、稀释、隔离等消防操作；（4）通过无线图传将实时检测到的图像传回控制台，再通过无线数传实现检测数据的回传，以及控制命令的发送；（5）本体具备安全保护功能，在易燃易爆环境中防火防爆，在高温情况下本体洒水冷却。

2.2 系统总体方案结构

整体的控制系统，如图1所示.主要包括上位机和机器人本体，其中机器人本体包含：移动平台、感测系统、水炮云台、无线通讯模块、保护机构等[3]。

图1 总体系统方案结构图Fig.1 Overall Scheme Structure Diagram of the System

3 机器人本体控制系统设计

机器人本体控制系统设计分为硬件设计、软件与算法设计。嵌入式系统具有体积小、灵活性高、可靠性好的特点，便于多种接口通信，使其成为本设计首选。

3.1 硬件设计

机器人本体的控制器主板选用以STM32F407芯片为核心，通过I2C、SPI、USART、普通IO口等接口读取各类传感器，来获得内外温度、障碍物距离、气体浓度、水炮水压等信息；通过IO口发送控制信号给驱动器，以控制移动电机以及云台、水炮的电机；通过USART与无线传输模块相接，实现无线传输。电源部分，选用CH340G 芯片，将USB 接口转换为异步串口，同时提供5V 电源，再通过线性稳压芯片SPX5205M5-3.3，将5V电源降为纹波小于40uV的3.3V电压，为单片机、传感器和无线传输模块供电[4]。无线传输部分，数传模块选用高性能LoRa扩频芯片SX1276，采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，LoRa扩频技术配合吸盘式天线，能够带来更远的通讯距离；图传模块选用AOMWAY 5.8G 1W无线图传，32频点接收带DVR功能，与其相配合采用700线高清镜头，150°广角。

为方便后续实验验证，我们制造了样机，样机内部硬件结构的俯视图，如图2所示。

图2 样机内部俯视图Fig.2 Vertical View of the Prototype

3.2 软件与算法设计

控制器主板的软件编写在Keil 5环境下，使用C语言编写控制程序。系统控制程序的流程，如图3所示。

图3 系统控制流程图Fig.3 Control Flow Chart of the System

系统在上电后，会根据指令选择人工控制模式或者自动控制模式。人工控制模式就是把上位机作为操作台，手动输入各种指令，下发给本体控制器来控制各外部设备，上位机界面用Lab⁃view软件编程，具有界面显示和串口数据发送功能。自动控制模式是机器人本体自主前进、探测、避障、决策等，即传感器采集各类信息，经过数据处理、参数计算后，得出控制指令，控制本体移动、水炮转向或喷水、云台升降，或实施保护措施、预警措施等[5]。其中数据处理采用了最小二乘法进行滤波和补偿，避障采用模糊控制算法。

3.2.1 各部分软件设计

包括传感器读取、数传图传、电机控制、保护预警等。采用轮询法依次读取传感器检测的数据，依次读取温度值、车体各方向距离值、气体浓度值、转动角度值等，数据经过处理后，以数组形式保存在下位机内存中。传感器数据与CCD相机采集的图像分别用两路通道进行无线传输。前方有障碍物时控制移动电机避障或者越障，车体温度过高时控制水炮喷水冷却。

3.2.2 数据处理

传感器采集的数据总会与真实值存在误差，这里采用了最小二乘法进行滤波和补偿。为方便计算，本设计采用基于实际测量值的相对误差最小进行处理，可以表示为：

测量值和实际值常为线性关系，其之间可以表示为：

相对误差最小二乘法可以表示为：

式中：n—测量的次数。

3.2.3 参数计算

本体移动是设计的重点，下面主要介绍测距参数的计算。测距传感器在探测障碍物距离时，若障碍物较大，可能会被多个传感器检测到，导致得出多个距离值，为确定所需的距离值，这里采用信息融合技术。选测得距离值最大的相邻的两个传感器，设为A、B，假设这两个模块的超声波被同一点O反射，建立坐标系，如图4所示。

图4 两个超声波模块确定障碍物的位置Fig.4 Two Ultrasonic Modules Determine the Location of Obstacles

其中O点的坐标为（x，y），AO长为L1，BO长为L2，AB长为2a，通过数学关系可解得：

3.2.4 避障算法

模糊推理控制方法将人类思维融入系统控制之中，可以较好地满足系统自适应性、鲁棒性和实时性的要求，选择模糊避障方式[6]。

模糊控制系统结构，如图5所示。其中模糊控制器的建立是模糊控制算法的核心。

图5 模糊控制系统结构图Fig.5 Structure Diagram of Fuzzy Control System

其中输入量主要是下位机处理后的每个超声波采集到的距离信息，以及相应方位角度信息，输出量为机器人转动角度。将障碍物距离有效值设为0m到3m，定义障碍物的距离为近，中，远三个等级，则模糊子集为{NEA，MID，FAR}，论域范围为（0，3）。每两个相邻的超声波模块的质心垂直延长线相交成30°角，角度有效值为（-60～60）°，负数代表左，正数代表右，可将方向信息用模糊语言描述为{“左”，“偏左”，“中”，“偏右”，“右”}={LI，LL，ON，RR，RI}，论域为（-60，60）。输出量用模糊语言描述为{“左大”，“左小”，“零”，“右小”，“右大”}={TLB，TLS，TZ，TRS，TRB}，论域为（-90，90）。综合考虑论域的覆盖程度、灵敏度、稳定性，以上模糊子集均选用三角形隶属函数。模糊控制规则的建立是设计模糊控制的技术关键，其核心是把专家经验或实验数据加以总结，得出相应的控制规则，得到的控制规则，如表1所示。

表1 模糊控制规则表Tab.1 Fuzzy Control-Rule Table

4 上位机控制软件设计

本控制系统使用LabVIEW作为上位机开发软件，进行模块化编程，编写与现实仪器十分相似的用户操作界面。利用该软件实现远程操作台的功能，具备命令的发送，采集数据的显示等，协助操作员进行控制与决策[7]。一个完整的LabVIEW 工程由前面板和后面板组成。前面板为主界面，类似于现实仪表的用户操作界面，如图6所示。

图6 显示界面设计Fig.6 Design of the Display Interface

命令栏中可以输入多种控制指令，包括机器人工作模式的切换，切换到人工模式下，可以对各电机的发送控制指令，控制车体移动和转向、水炮转向和喷射，切换到自动模式下，可以不再输入指令，车体将自动决策，两种模式下都会显示实时的温度值、气体浓度值和历史变化曲线。后面板为程序图，LabVIEW 采用图形化编程语言—G语言，程序以框图形式编写，如图7所示。

图7 程序图Fig.7 Program Map

程序首先是对数据传送格式的选择，然后经过数据的分析处理，得出输出值，再判断该值为指令或是采集的数据，最后发送至相应的端口。

5 实验与结论

为验证消防机器人的性能，我们在已制造的样机上做了一系列的实验，得出实验数据，如下为样机整体图，如图8所示。

图8 样机整体图Fig.8 Diagram of the overall Prototype

（1）移动检测：机器人在平地上直线行走时，最大速度可达1m/s，可原地转向，当障碍物高度小于300mm时，可直接越过去，大于此高度，则选择避障，最大爬坡角为30°，还可以越过深200mm，长400mm的沟壑。

（2）数传与图传：室外图像无线传输距离可达150m，且此距离范围内信号波动很小，而数传距离可以更远；在模拟火场环境下，做了CO2、CO、H2S、CH4四种气体的检测，可以得到气体浓度和变化趋势，还测得温度值及变化趋势。

（3）水炮检测：可人工遥控水炮喷射以及喷射方向，无人干预下会根据高温情况自动喷射，也会自淋给车体降温。

设计了一款新式的多功能半自主遥操作消防机器人，在传统人工遥控机器人方式的基础上，增加了自动模式，可以人工遥控机器人前进、水炮喷射，也可以让其自主避障、自动喷洒灭火，同时具备环境检测并上位机显示功能。实验证明整个系统方案切实可行，方便可靠易于维护，为制造智能消防机器人提供了设计思路和设计方法。