消防滅火機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究*

*基金項(xiàng)目： 1.西安市科技計(jì)劃項(xiàng)目，2019年度高校人才服務(wù)企業(yè)項(xiàng)目計(jì)劃，GXYD17.12；2.火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)、報(bào)警控制和智慧消防技術(shù)的研究，E-mail: 2358053655@qq.com。

摘要：針對(duì)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(chǎng)所滅火困難的問題，設(shè)計(jì)了一款消防滅火機(jī)器人，其控制系統(tǒng)包括Android手機(jī)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(jī)作為主控芯片，采用安裝在機(jī)器人的視頻攝像頭、姿態(tài)檢測(cè)的陀螺儀和紅外避障傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)左右行走輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)和滅火劑噴灑方向控制電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，行走自動(dòng)糾偏采用PID控制算法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)消防滅火機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，達(dá)到精準(zhǔn)及時(shí)滅火的目的，對(duì)提高消防機(jī)器人的機(jī)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(zāi)不僅危及財(cái)產(chǎn)安全，還會(huì)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(duì)于一些特殊場(chǎng)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(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(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(chǎng)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(duì)以上危險(xiǎn)區(qū)域，若火災(zāi)發(fā)生時(shí)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(qiáng)行進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)采取滅火行動(dòng)，不僅達(dá)不到預(yù)期效果，而且還會(huì)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(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。消防機(jī)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(chǎng)，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(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)^[6]；表面涂覆防高溫涂層可深入最危險(xiǎn)的位置，如高溫、爆炸、中毒、輻射危險(xiǎn)的“火?！敝袀刹榛鹎?；其前方裝有視頻攝像頭，用來識(shí)別尋找周圍環(huán)境中的火焰、煙霧；機(jī)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(shí)，可通過噴灑口滅火；若噴灑口未正對(duì)火焰，通過噴灑方向控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)使噴灑口正對(duì)火焰，從而近距離準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)著火點(diǎn)執(zhí)行滅火任務(wù)，防止火勢(shì)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(jī)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(chǎng)的高清圖像傳送到操作平臺(tái)。^[1]

圖1消防滅火機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

消防滅火機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括Android 手機(jī)客戶端程序和基于PIC 單片機(jī)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(shí)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(gè)5 端口百兆以太網(wǎng)交換機(jī)、1 個(gè)DDR/DDR2 控制器，單片即可實(shí)現(xiàn)完整的無線路由。該WiFi 模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)Android手機(jī)客戶端與控制器之間的通信：將攝像頭的視頻信號(hào)發(fā)送至手機(jī)客戶端，并將手機(jī)客戶端發(fā)送的控制命令傳輸至消防滅火機(jī)器人控制器。WiFi 模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示。

消防滅火機(jī)器人開機(jī)后自啟動(dòng)，初始默認(rèn)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(dāng)檢測(cè)到進(jìn)入無線模式的命令時(shí)，進(jìn)入無線模式，此時(shí)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(jī)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(hào)，將其顯示在手機(jī)屏幕上。

2   硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)方面，消防滅火機(jī)器人控制器選用Microchip 的PIC18F46K22 單片機(jī)為主控芯片^[9]。該單片機(jī)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(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(jī)器人的功耗，提高蓄電池的使用時(shí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)脈寬調(diào)制（PWM）模塊、3 個(gè)增強(qiáng)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(shè)計(jì)，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(cè)、電池電壓檢測(cè)、行走電機(jī)驅(qū)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(jī)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(dòng)電流，為WiFi 通信模塊和紅外避障傳感器等供電；因單片機(jī)、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(gè)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(jī)；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(jī)提供時(shí)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(jī)客戶端的控制指令，從而控制各執(zhí)行電機(jī)，亦可將攝像頭視頻信號(hào)傳輸給手機(jī)客戶端。

陀螺儀姿態(tài)檢測(cè)電路通過MPU6050 陀螺儀對(duì)機(jī)器人狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)^[11]，單片機(jī)結(jié)合讀取的數(shù)據(jù)對(duì)雙側(cè)行走電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立PWM 控制，在機(jī)器人前進(jìn)跑偏時(shí)進(jìn)行自動(dòng)糾偏；電池電壓檢測(cè)電路采用串聯(lián)電阻分壓方式對(duì)蓄電池端電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)蓄電池欠壓時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，實(shí)現(xiàn)蓄電池的欠壓保護(hù)；兩側(cè)的行走電機(jī)可通過脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)控制電機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速^[12]；行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路通過雙H 橋PWM 集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DRV8412 控制行走電機(jī)，2 路PWM輸出獨(dú)立驅(qū)動(dòng)左右輪的電機(jī)，從而完成前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，且集成在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的保護(hù)電路還可監(jiān)測(cè)行走電機(jī)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(cè)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)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(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(dāng)單片機(jī)RB1 引腳為高電平時(shí)，Q1 導(dǎo)通，此時(shí)電磁閥打開，滅火劑噴灑；利用MAX14871 全橋驅(qū)動(dòng)芯片控制滅火劑噴灑口方向控制電機(jī)，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若單片機(jī)檢測(cè)到噴灑口未正對(duì)火源，則控制噴灑口方向電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使其正對(duì)火焰噴灑，從而精準(zhǔn)及時(shí)滅火，提高滅火劑的使用效率。

消防滅火機(jī)器人控制器電路如圖3 所示。

圖3 消防滅火機(jī)器人控制器電路

3   PID算法參數(shù)設(shè)置調(diào)整試驗(yàn)

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(gè)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(jī)器人的行走電機(jī)糾偏算法采用PID 控制。在實(shí)際對(duì)消防滅火機(jī)器人行走電機(jī)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(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)消防滅火機(jī)器人行駛方向的自動(dòng)糾偏。當(dāng)PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比減小時(shí)，則行走電機(jī)兩端的平均電壓降低，電機(jī)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(hào)，e(t) 為偏差信號(hào)，即實(shí)際測(cè)量值與目標(biāo)值間的差值，KP 為比例系數(shù)，TI 為積分時(shí)間，T_D 為微分時(shí)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(jī)器人的PID 控制算法中，航向角偏差E(t) 是時(shí)間的函數(shù)，消防滅火機(jī)器人的陀螺儀每300 ms檢測(cè) 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(hào)；P(k)是第 k 次采樣時(shí)的輸出值。

在消防滅火機(jī)器人行駛過程中，定義向右偏為正角度，若陀螺儀檢測(cè)到偏航角為負(fù)（機(jī)器人左偏將會(huì)左轉(zhuǎn)），則PID 控制算法會(huì)通過降低右側(cè)行走輪轉(zhuǎn)速的方法，即單片機(jī)輸出的PWM_C 和PWM_D 兩腳的占空比降低，降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(hào)即可，若要計(jì)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(duì)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(gè)參數(shù)的最佳值，需要通過試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)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(gè)檢測(cè)區(qū)間，測(cè)量出每個(gè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集示意圖如圖5 所示。

圖5 行駛試驗(yàn)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(shí)，加大KP，超調(diào)大則減小KP；積分項(xiàng)可以消除系統(tǒng)中周期性的波動(dòng)，及時(shí)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(jī)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(duì)直線行駛糾偏性能的影響不是很大。經(jīng)過試驗(yàn)場(chǎng)地多次運(yùn)行調(diào)試，得到當(dāng)給定參數(shù)K_P = 8 、K_I = 5 、K_D =1 時(shí)，消防滅火機(jī)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(shí)，消防滅火機(jī)器人行走3 次，即每個(gè)行走區(qū)間測(cè)取3 次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并求出每個(gè)測(cè)試區(qū)間的最大偏移距離的平均值，以減小隨機(jī)誤差帶來的干擾，將統(tǒng)計(jì)出的最大偏移距離作為試驗(yàn)的結(jié)果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 消防滅火機(jī)器人直線行走糾偏試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1 中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在全程10 m 的試驗(yàn)中，每1 m 的測(cè)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(cè)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(jī)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(jī)器人基于PIC18F46K22 單片機(jī)的控制器可以接收Android 手機(jī)客戶端的命令，通過PID 算法進(jìn)行自動(dòng)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(chǎng)視頻傳輸在手機(jī)屏幕和消防控制臺(tái)顯示，機(jī)器人行走過程中可以主動(dòng)避障，且可實(shí)現(xiàn)噴灑口對(duì)準(zhǔn)著火點(diǎn)后自動(dòng)滅火劑噴灑，在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)及時(shí)滅火的同時(shí)提高滅火劑的使用效率。

消防機(jī)器人可以代替人類進(jìn)行高危滅火作業(yè)，隨著機(jī)器人智能控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的極大進(jìn)步，相信實(shí)現(xiàn)自主決策、自主行動(dòng)、自我防護(hù)的高級(jí)智能化消防機(jī)器人的誕生指日可待，其未來將朝著以下幾個(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(yùn)、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）