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矿井救援机器人行走机构设计,矿井,救援,机器人,行走,机构,设计
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基于隧道火灾的消防机器人系统研究房海蓉 方跃法 杨延昭 胡准庆(北京交通大学机械与电子工程学院)学科分类与代码:62013010【摘 要】 首先介绍了隧道消防的重要意义,分析了隧道火灾的特点,提出一种早发现、 早灭火的隧道消防系统方案。针对隧道消防机器人的功能要求,提出了机器人总体设计方案,确定了一种安装空间小、 工作范围大的机器人执行机构。同时将一种集测温、 测烟雾粒子、 测气压等多种功能于一体的新型传感器应用于隧道火灾的预报中,提高了隧道火灾的报警有效率。这种隧道消防机器人系统的研制为隧道火灾的早期扑救提供了一种新的途径,对隧道、 库房、 地下停车场以及其他建筑内消防具有广泛的应用前景。【关键词】 隧道火灾 消防机器人 机械结构Study on Fire2fighting Robot System Based on Tunnel FireFang H airongFang YuefaYang YanzhaoHu Zhunqing(Department of Mechanical & Electrical Engineering , Beijing Jiaotong University)Abstract :The significance of fire fighting in tunnel is introduced and its characteristic analyzed. A systematic protocolof early discovery and early extinguishing of the tunnel fire is proposed. A protocol of schematic robot design is presentedaccording to the required functions of tunnel fire2fighting robot. A robot actuator with limited fitting space and broadworkspace is determined. At the same time , a new sensor assembled with temperature measurement and smog particulateand air pressure monitoring is applied to tunnel fire prediction , which could greatly raise the efficiency of fire alarm in tun2nel. This robot provides a new approach to extinguishing the tunnel fire at early stage , which could also widely applied forfire control in tunnel , warehouse , underground parking lot , and other building.Key words:Tunnel fireFire2fightingRobot system1 前 言随着我国经济建设的飞速发展,交通运输已经成为国民经济持续发展、 深化改革和搞活经济的动脉。作为交通运输咽喉要道的隧道,具有克服高程和障碍、 缩短线路长度等优点,因此,隧道交通已经变得越来越重要。近年来,修建长大铁路隧道和公路隧道更是逐年增加。虽然在隧道内发生火灾的概率非常小,可一旦在隧道中发生火灾,其后果将是非常严重的。在铁路交通中,据不完全统计2,国外严重的铁路隧道列车火灾已有30多起,国内从1976年至今也发生了7次隧道列车火灾重大事故1。在这些事故中,不但有重大人员伤亡及烧毁物资设备的巨大损失,而且烧坏隧道结构,需较长时间封闭进行维修加固,使正常的铁路运输中断,影响到国民经济的协调发展。在公路交通中,隧道火灾也同样是防不胜防。2001年10月24日,瑞士阿尔卑斯山区一条世界第二长的车辆隧道内发生致命车祸,两辆大卡车迎头相撞引发大火,车祸引发的大火使部分隧道顶部坍塌。由于火势猛烈,消防人员无法进入隧道灭火,加上天黑,致使救援工作难以展开,事故造成一百多人死亡,十几个人受伤。隧道火灾发生后,造成的隧道道路阻塞以及浓烟所造成的遇难者窒息,使得消防车辆和消防人员都很难进入现场,不能及时扑灭火源,从而导致惨重的伤亡和严重的经济损失。隧道火灾的研究及预防水平的高低,将直接反映一个国家的经济、 技术实力和社会进步的程度。为此,各国对隧道火灾的研究和预防都给予了足够重视,日本、 德国、 英国、 法国、 瑞士等国家已经建立了相应的火灾研究所(室) ,专门从事隧道火灾研究2。我国在1988年也已经开始了铁路隧道的消防研究工作。针对隧道火灾的特点和消防的难点,要想搞好隧道火灾的消防工作,重要的是科研领先。随着机械技术、 电子信息技术和传感技术以及智能控制技术的高速发展,研制可以代第13卷第10期2 0 0 3年1 0月中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournalVol. 13No. 10Oct . 2 0 0 3替人类在危险环境工作的机器人已经成为现实。笔者将研究一种隧道消防机器人,该机器人集检测、 报警及消防于一体,对隧道消防及其他建筑内消防等具有广泛的应用前景。2 隧道火灾的特点由于交通事业的发展,交通密度的增长,行车速度的提高,各种可燃物质车辆通过隧道数量和频率的增长,隧道火灾发生的概率呈上升趋势。隧道火灾和一般的地上火灾相比,具有明显的不同,表现为以下特点:首先,隧道内空气流动畅通,火势蔓延快,通过对国内外隧道火灾事故的调查和试验显示13,隧道失火爆发成灾的时间一般为510 min ,所以人员疏散困难;第二,隧道内排烟与散热条件差,大量浓烟在动道内积聚,温度升高快,使消防队员很难进入火灾现场;第三,由于隧道内的烟囱效应,温度和烟会迅速传播,顺风下的温度可达1 000C以上,炽热的空气流经途中可把它的热量传递到任何易燃或可分解的材料上,火能从一个燃料火源 “跳越” 一个长度引燃下一个着火点,并且极大地影响隧道内空气压力的分布,致使火灾扑救困难。3 隧道消防机器人的功能要求基于隧道火灾的特征分析,在设计隧道消防机器人时应保证其具有以下主要功能:(1)具有快速准确的自动探测和预警功能。因为消除火灾、 减少人员伤亡和损失的关键是对火情的早期、 快速、 准确无误的预报5和及时通知有关单位,同时拉响警报,避免后续车辆继续进入隧道。(2)具有快速自主移动功能。隧道火灾从发生到爆燃时间非常短,当机器人发现火警后,应该能够自动在火灾没有达到最高温度前的几分钟内快速移动到着火位置。(3)具有自动消防功能。接近火源后,自动识别火势大小,并自动打开灭火器具进行灭火。图1 隧道消防系统示意图1 隧道 2 轨道 3 消防机器人 4 火灾探测传感器(4)具有较强的防爆和抗干扰功能。这对机器人在高温的恶劣环境中能够保证自身安全并且进行可靠的工作是必不可少的。4 隧道消防机器人的系统构成根据隧道火灾的特点,确定隧道消防的系统方案由隧道导轨、 消防机器人和隧道探测报警系统组成,如图1所示。根据隧道消防对消防机器人的功能要求,隧道消防机器人系统结构主要包括移动系统、 消防灭火装置、 自动控制系统、 传感检测系统和防爆抗干扰装置等,其结构框图如图2所示。图2 隧道消防机器人系统结构框图消防机器人悬挂在隧道上方,可以沿固定于隧道顶部的轨道快速行驶。一旦沿隧道两侧布置的固定探测报警系统检测到火情,发出报警信号,机器人控制系统接收到传感器发来的信号,即刻启动机器人,根据信号中的编码信息判断着火位置并快速移动进入起火点,再利用安装在机器人末端操作器上的光敏传感器探测火源,通过控制器调整灭火执行装置末端喷口位置和姿态使其对准火源,然后打开灭火器的喷射阀,在第一时间喷射灭火剂进行灭火,将火扑灭在初始状态。为了快速接近火源,机器人的配置数量可以根据隧道长短适当增加。5 机器人机械系统机器人机械系统设计是机器人设计的重要部分,其他系统的设计有各自的独立要求,但还必须与机械系统相匹配,相辅相成,组成一个完整的机器人系统。图3 消防机器人的执行机构根据消防机器人的作业要求,机械系统主要由移动装置和灭火执行机构组成。机器人移动方式很多,可根据不同的作业环境来确定。根据隧道消防的要求和特点,笔者采用车轮轨道式移动装置,移动速度为100 mmin。根据机器人隧道工作环境的特殊性,消防机器人的执行部分采用可折叠式3自由度串联操作器手臂,如图3所示。53第十期 房 海 蓉 等:基 于 隧 道 火 灾 的 消 防 机 器 人 系 统 研 究消防机器人的手臂底座与悬挂在轨道上的移动部分固联,3个关节全部采用回转关节,这样便于控制且防爆密封容易,可靠性高,同时机器人前后臂在常规情况下处于折叠位置,如图4所示,这样可以使结构紧凑,工作范围大,在隧道上下方向所占的空间最小,避免影响车辆的通行。图4 消防机器人的折叠状态消防机器人在灭火的过程中,机器人将会遭受火灾高温烘烤及燃烧,产生强烈辐射和高温气流的作用。为了保证机器人电子、 电器设备能够正常工作,在进行结构设计时对这些设备必须进行隔热防辐射密封,同时还要考虑机器人重量的因素。所以手臂结构采用空心的薄壁矩形框体和圆管,既可以提高其弯曲刚度和扭转刚度,又可以减轻重量,同时空心结构内部还可以方便封装机器人的驱动系统。供电系统采用蓄电池就可满足要求,相应电动机采用直流伺服电机。关节1和关节2采用直流伺服电机直接与关节轴相联实现转动驱动。为了使关节3的电机远离火源,其关节轴的驱动电机在大臂2上靠近关节2的一侧,通过同步带进行传动。传动时的线速度可达50 ms ,传动比可达10 ,效率可达98 %。 传动噪音比带传动、 链传动和齿轮传动小,耐磨性好,不需油润滑,寿命比摩擦带长。这种配置可以减轻火源对动力源的影响,同时减轻机器人灭火时末端操作器的惯量,增加其动作的灵活性。6 机器人检测控制系统隧道消防机器人消除火灾的关键是对火情的早期、 快速、 准确的感知,因此,火灾传感器是火灾报警的关键部件。火灾发生时伴有热、 光、 烟雾、 挥发物等,火情的发现也基于下列途径:(1)检测不正常的温度上升;(2)检测燃烧产生的气体和烟雾;(3)检测燃烧产生的红外辐射。所以常见的火灾传感器一般为温度检测型和烟雾检测型。前者在60 以上才会发出报警信号,不能对火灾进行早期的报警,也不能够探测烟气、 煤气、 燃烧物放出的颗粒或火焰,对于闷热型、 离火灾发生点较远或火灾产生的热量旁通了,就无法报警;后者在环境造成干扰及尘土和污染物堆积在传感器的罩上和滤网时,容易造成错误警报。如果能够把两者的优点(即测温、 测烟雾粒子、 测气压等多种功能)集于一体,对隧道火灾的预报将是非常有效的。该隧道消防系统将采用一种新型探测报警传感器4,此种传感器既可感知温度,又可感知烟雾和气压。当温度上升到一定值时,传感器中TiNi形状记忆合金弹簧的伸长力大于偏置弹簧的回复力,使上板升高,带动其上导线上升,从而连接线路、 报警。当烟雾粒子或气压增大到一定域值时,反射光纤传感器将报警,而且采用3根光纤可以避免误报。本隧道消防控制系统根据隧道消防机器人的特点采用集中控制方式,用一台计算机实现机器人的全部的控制,使控制装置的构成尽可能简单,为了防止控制系统受到干扰,在设计时对控制器的输入输出电缆进行了屏蔽,对执行机构的输入输出控制均采取了光电隔离措施。7 机器人工作空间分析笔者将采用包络法来求解消防机器人定点的工作空间。图5表示了建立3个关节的坐标系及CP3的形成。在第三杆上置参考点P3,为显示方便,O2沿X2负方向延伸一段距离。先求出P3随坐标系Z3在S2中形成的曲线CP3;再求出CP3随S2绕Z2轴旋转形成CP3;再求出CP3随S1绕Z1转动时的包络CP3,即得P3在S0中的工作空间W0(P3)的界限曲面6W0。图5 坐标系的建立及CP3的形成由于机器人执行机构的三关节是旋转关节,且第二与第三关节轴线Z2、Z3平行,因为这时P3在第二杆的固联坐标S2中形成曲线CP3,而CP3在第一杆的固联坐标系S1中只能形成平面曲线族CP3 ,设该曲线族有包络CP3,当S1带着CP3绕Z1轴旋转时,就形成了旋转曲面CP3,该旋转曲面的一条曲母线就是W0(P3)。CP3绕着Z3轴旋转,表示在坐标系S2中有:C2P3x2=a3c3-d4s3+a2y2=a3s3+d4c3z2= 0(1)从式(1)可以看出,CP3是一个圆,半径为R=a23+d24,圆心在S2中的坐标为(a2,0 ,0)上,这个圆位于X2O2Z2平面内,距X1O1Z1平面的距离为z2=d2。63中国安全科学学报ChinaSafetyScienceJournal第13卷2003年根据式(1)可以得到工作空间在X2O2Z2面上的投影如图6所示。ABBCCB表示了腕点P3的轨迹。图6?CP3曲面在X2O2Y2上的投影CP3绕着Z2轴旋转,形成曲线族CP3 ,表示在坐标系S1中有:C1P3 =a3c23-d4s23+a2c2d2d4c23-a3s23-a2s21(2)该曲线族为平面曲线族,由包络公式,得平面曲线族的包络条件为=9x1929z191-9x1919z192= 0(3)于是包络 ?CP3在S1中的方程为?CP3x1=c2a23+d24a2y1=d2z1= -s2a23+d24a2(4) 令 ?CP3绕Z1轴旋转,表示在S0中,即得W0(P3)的界限曲面,600x0=a23+d24a2c1c2-d2s1y0=a23+d24a2s1c2+d2s1z0= -s1a23+d24a2(5) 根据式(5)得到CP3在S0中的界限曲面如图7所示。图7?CP3绕z1旋转的俯视图8 结 论隧道消防机器人的研究对消防的自动化和智能化开辟了一种新的途径。笔者针对隧道火灾的特点提出了一种基于隧道火灾的消防机器人系统方案,采用沿隧道顶部移动的消防机器人来进行早期报警、 初期灭火。该机器人结构简单、 安装范围小、 工作空间大且该执行机构具有折叠功能,可以满足隧道空间有限的要求。同时将一种集测温、 测烟雾粒子、 测气压等多种功能于一体的新型传感器应用于隧道火灾的预报中,提高了隧道火灾的报警有效率,确保消防机器人早发现、 早灭火,将火灾损失减小到最低。该隧道消防机器人系统的研制对隧道火灾的早期扑救提供了一种新的途径,对隧道、 库房、 地下停车场以及其他建筑内消防具有借鉴、 推广作用,表现出广泛的应用前景。(收稿:2003年5月;作者地址:北京市西外上园村;北京交通大学机械与电子工程学院;邮编:100044)参 考 文 献1 涂文轩.我国铁路隧道列车火灾简介.消防技术与产品信息,1996(1) :26272 涂文轩.外国铁路隧道的消防技术.消防技术与产品信息,1997(3) :41433 杜建科.铁路对到的消防安全分析.安全,1998(6) :134 姜卫利,王将魁,张之平.一种新型的火灾传感器.北方交通大学学报,1998 ,22(1) :1071095 国家863“消防机器人课题组.中国第一代消防机器人.机器人技术及应用,2000(6) :71073第十期 房 海 蓉 等:基 于 隧 道 火 灾 的 消 防 机 器 人 系 统 研 究2009年 11月第 16卷增刊控制工程Control Engineering of ChinaNov.2 0 0 9Vol. 1 6, S3文章编号: 1671?7848( 2009) S3?0116?06? ? 收稿日期:2009?08?18;? 收修定稿日期:2009?09?18? ? 作者简介: 程鹤鸣 ( 1984?), 男, 湖北黄冈人, 研究生, 主要研究方向为机械制造及其自动化等。智能侦查灭火机器人程鹤鸣,龙? 飞,任? 才,王国文,吴敬兵(武汉理工大学 机电工程学院, 湖北 武汉? 430070)摘? ? ? 要: 以遥控电动小车为研究对象, 基于三菱 FX2N 系列 PLC, 建立智能侦查灭火机器人模型, 对控制系统进行优化, 使灭火机器人的各模块之间能够平滑、稳定地协同工作。采用L298芯片分别控制 2台电机, 通过不同的转速实现机器人的灵活转向, 并利用 PLC产生不同占空比的 PWM 波实现机器人的无级变速, 确保机器人平稳运行。同时, 利用编码器检测电机转速并将信息反馈给 PLC构成闭环控制, 从而实现机器人行走路线的精确控制与调整。智能侦查灭火机器人的火焰、避障以及行走模块协同工作, 使其能够更快速、安全地发现并到达火源, 实现灭火。关? 键? 词: 智能侦查灭火机器人;PLC;L298芯片; 智能侦查中图分类号:TP 27? ? ? 文献标识码: AIntelligentDetection ofFire?fighting RobotCHENG He? m ing,LONG Fei,REN Cai ,WANG Guo? wen, WU Jing? bing(M echanical and ElectricalEng ineering, Wuhan University ofT echnology, W uhan 430070 ,China)Abstract :Taking electric re mote control car as the research object ,based on M itsubishi FX2N?PLC,the intelligent detection fire?fighting robot controlmodel is established and control syste m is opti m ized.The robot fire?fighting a mong the variousmodules can bes mooth and stable work together . L298 chips are used to control two motors running ,through different speed flexible robot turn and takeadvantage ofPLC have different duty cycle of the P WM wave robot s continuously variable to ensure the s mooth operation of robots.M eanwhile ,the detection ofmotor speed using encoder feedback to the PLC will constitute a closed?loop control to achieve precise con?trol and adjust ment of robots routes.Each module intelligent detection fire ?fighting robot can work togethermore quickly and safely tofind and reach the fire source and fight it .K ey words :intelligent detection of fire?fighting robot ; PLC; L298 chips ;intelligent detection1? 引? 言最近几十年, 随着中国经济的高速发展,大量的各类高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现, 而此类建筑的结构与构建材料的特殊性,使得其在发生火灾时, 消防人员不可能在短时间内到达高处的火灾发生地点, 阻止火势的进一步蔓延,在地下建筑中, 由于环境比较潮湿,烟气不易扩散,消防人员难以快速的判定火源位置; 而在石化企业发生火灾时, 会产生大量的有毒气体,使得消防人员在灭火时极易中毒。火灾现场对在场的任何人都有着极大的危害, 尽快救助火灾中的受害者,最大限度地保证消防人员的安全, 消防机器人的研究被提上日程,机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证。存在的问题,灭火的要求,已有的条件使得消防火机器人应运而生。智能机器人在中国正处于高速发展阶段,但无论是其技术的研究和应用,还是技术的普及与教育, 我国与机器人强国还是存在不少差距。三菱公司的 FX2N 系列 PLC 1是 1种高性能、高稳定性的控制器, 非常适用于智能侦查灭火机器人控制系统中,三菱的 CC?link总线是 1种开放式的现场总线, 通信速率高,将 CC?link总线 2应用于电动汽车控制系统,易于实现控制的网络化,分散化,由软件逻辑替代传统的直接线束控制,可靠性是传统控制系统的数 10倍,同时可实现实时诊断, 测试和报警功能,系统功能扩展不受限制。2? 项目简介?智能侦查灭火机器人 项目研究以遥控电动小车模型为研究对象,建立智能侦查灭火机器人控制模型采用三菱 FX2N系列 PLC对控制系统进行优化, 使灭火机器人中各模块能够平滑、稳定地工作并具有全局侦查发现火源及报警, 最佳路线选择,识别障碍与避障方案选择,火灾程度判定与应对方案选择, 最后自动归位功能, 在其工作的同时,将现场的情况通过摄像头及无线路由器传递给后方控制面板上,然后由无线遥控适时地调节应对措施,实现人机对话,使之能够适应复杂的实际路况和火灾现场控制系统先将机器人内功能模块按功能和位置分类, 再通过控制单元连接相连接,控制单元通过相应模块与 PLC进行连接,实现分散控制。通过 FX2N系列 PLC控制直流电机和连接各控制单元模块, 可以实现机器人的前进启动, 倒车启动, 刹车,加减速和转向控制,并采用保护装置确保行驶安全, 并接收来自操作面板的信号, 并将操作指令发送到各控制单元模块。PLC连接仪器可包括报警器,无线控制器,灭火器,传感器,红外感应器, 火焰感应器, 并预留4?8个 I/O口备用, 便于系统扩展。3? 运动控制系统设计1) 电源方案选择! 方案 1 :单电源供电 ? 优点是供电电路简单; 缺点是由于电机的特性, 电压波动较大,严重时可能造成控制系统掉电。 方案 2 :双电源供电 ? 将电机驱动电源其它电路电源分离,利用光电耦合器传输信号。优点是减少耦合,提高系统稳定性;缺点为电路较复杂,电池占空间较大。由于车耗电量较大,用 12 V车载电瓶,可以提供较大功率供电,可以满足电量要求,为了防止控制系统受电机启动特性影响,使用双电源供电。同时设计电源电路板,使 12 V电源可通过 150W逆变器转换成 220 V50 H z交流电供给 PLC,同时可以由变压器,整流电路和 7 812稳压管将 220 V50 Hz交流电变为 12V直流给电瓶充电。另取电源 7?2 V通过 7 805稳压管后向控制系统和传感器供电, 另一路加到电机驱动电路,并在电机端口两端加上了 0?1 uF去耦电容。考虑如上,使用双电源供电方案。2) 电机驱动调速方案选择 ? 电机驱动调速方案的控制目标是实现电动机的正、反转及调速。! 方案 1 :电阻网络或数字电位器调整分压 ?采用电阻网络或数字电位器分压调整电动机的电压。但电动机工作电流很大;分压不仅会降低效率, 而且实现很困难。 方案 2 :采用继电器开关控制? 采用继电器控制电动机的开或关,通过开关的切换调整车速。优点是电路简单,缺点是响应时间慢、控制精度低、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性低。# 方案 3 :H 型 P WM 电路 ? 采用电子开关组成 H 型 PWM 电路 3。H 型电路保证了简单的实现转速和方向的控制;用硬件电路来控制电子开关工作的占空比,精确调整电动机转速。最终选择方案 3 。机器人采用两轮驱动方式行走,前后 2个万向轮辅助平衡,用 2个直流电机分别控制两轮转动,实现以转速差的方式控制机器人转向。电动机的调速系统中采用改变电枢电压的方法, 并且是采用脉宽调速方式,即 PWM 控制系统。改变脉冲的占空比, 可以实现变频也变压的效果。具体电路, 如图 1所示。图 1? H型驱动模块的设计本电路采用的是基于 PWM 原理的 H 型驱动电路。采用 H 桥电路可以增加驱动能力,同时保证了完整的电流回路。当 U1为高电平,U2为低电平时,Q3 ,Q6管导通,Q4 ,Q5管截止, 电动机正转;当 U1为低电平,U2为高电平时,Q3 ,Q6管截止,Q4 ,Q5管导通,电动机反转。电机工作状态切换时线圈会产生反向电流,通过 4个保护二极管 D1,D2 ,D3 ,D4接入回路, 防止电子开关被反向击穿。采用 PWM 方法调整电动机的速度, 首先应确定合理的脉冲频率。脉冲宽度一定时,频率对电动机运行的平稳性有较大影响, 脉冲频率高马达运行的连续性好,但带负载能力差;脉冲频率低则反之。经试验发现,脉冲频率在 50H z以上,电机转动平稳, 但机器人行驶时,由于摩擦力使电机转速降低,甚至停转。当脉冲频率在 10 H z以下时,电机转动有明显的跳动现象,经反复试验, 在脉冲频率为 15 20Hz时控制效果最佳。为方便测量及控制, 在实际中采用了 20H z的脉冲。脉宽调速实质上是调节加在电机两端的平均功率, 其表达式为1TKT0Pm axdt = KPmax式中,Pmax为电机全速运转的功率; K 为脉宽。设 P为电机两端的平均功率;当 K = 1时,相当于加直流电压,这时电机全速运转,P = Pmax;当 K = 0时,相当于电机两端不加电压,电机靠惯%117%? 增刊 ? ? ? ? ? 程鹤鸣等:智能侦查灭火机器人性运转。当电机稳定开动后,有:P= fV (f 为摩擦力 )则: KfVmax= fV。所以:V= KVmax。由上式知机器人的速度与脉宽成正比。由上述分析,U1,U2这对控制电压采用 20H z的周期信号控制, 通过对占空比的调整,对车速进行调节。同时,可以通过 U1,U2的切换来控制电动机的正、反转。在实际调试中,发现因桥式电路中 4个三极管的参数不一致,使控制难度加大,因此使用一片L298便可完成对两路电机的控制。3) 机器人转向及方向反馈控制系统设计! 机器人的转向方式选择? 机器人转向方式设计需先考虑机器人行走方式, 在设计时曾先后考虑过以下方案:a) 四轮行走,前轮转向,其工作状态稳定,具有越障能力,且有现成的参考模块,但机构比较复杂。 b) 履带行走,两端履带通过速度差转向,工作状态稳定,具有很强的越障能力,但零件价格较贵,制作成本高。 c) 三轮行走,单轮转向,结构简单, 制作方便,但工作状态不稳定。 d) 三轮行走,双轮以速度差转向,其工作状态稳定,机构简洁,制作方便, 易于控制。综上对比,选择方案 d),也就是三轮行走,双轮以速度差转向。 机器人的反馈控制系统设计 ? 机器人在行动过程中, 需要解决 3大问题:1 . 我在哪,2 .我要去哪,3 . 怎么去。解决的核心便在于对行动动作的精确控制。机器人实现不同行动方式和路线的关键在于 2个电机转速的精确控制。在电机上加装编码器,便可将电机的实际转速信息反馈给控制系统, 控制系统将其与所要求的转速进行对比,并可实时地对输出的 PWM波的占空比进行微调, 进行闭环控制, 即可实现。机械人行动反馈控制原理, 如图 2所示。图 2? 机器人行动反馈控制原理图4? 传感器模块设计1) 红外避障模块设计方案 1 : 超声波探测 ? 采用超声波器件。超声波波瓣较宽,一个发生器就可以监视较宽的范围。其优点为抗干扰能力强,不受物体表面颜色的影响。缺点为实现电路复杂,且用通常的测量方法在较近距离上有盲区。方案 2 : 光电式探测 ? 采用光电式发射、检测模块。由于单个发射器的照射范围不能太小,因此不使用激光管。用波瓣较宽的脉冲调制型红外发射管和接收器。其优点是电路实现简单,抗干扰性较强。要寻找火源,但火焰在某种程度也相当于障碍, 同时从电路实现的难易程度考虑,最终选择了方案 2 。! 避障模块工作基本原理? 红外避障基本模块为红外发射端和红外接收端。其中,红外发射端又包括红外波发生器和红外波发射管,红外接收端包括红外接收管和信号反馈器。红外避障模块启动后,由红外波发生器产生红外波,输送给红外波发射管, 再由红外波发射管对外发射。当前方无障碍时,则没有红外波信号被反射回来, 信号反馈器便认为前方无障碍, 并将此信息反馈给 PLC ;当前方有障碍时, 则有红外波信号被反射回来,信号反馈器便认为前方有障碍,并将此信息反馈给 PLC。PLC接收到不同方向的障碍信号后, 进行综合处理,得出最佳的行动路线, 并将动作信号输送给电机,驱使电机做出正确的动作。避障原理,如图3 ,图 4所示。 红外避障实现的具体方式a) 发射端设计 ? 发射端取 38 k H z的红外波为载波,由于取的接收管为脉冲型接收管而不是电平型接收管 (具体原因在下文解释 ), 必须对其进行调%118%控 ? 制 ? 工 ? 程 ? ? ? ? ? ? ? ? 第 16卷 ?制。因此,以 120 H z的方波对其调制, 则其输出的波为 120Hz的调制波,载波为 38 kH z ,再经过三极管放大后,输送给发射管, 将红外波发射出。b) 接收端设计 ? 接收端用 S M0038接收管,这是 1种脉冲型接收管。脉冲型接收管区别于电平型接收管,电平型接收管只要接收到 38 k H z的红外波便有信号反馈,极易受到干扰,产生误动作,而脉冲型接收管必须是接受到指定调制的载波才会有信号, 其调制相当于是加了一道密码,可大大地减少干扰。接收管接收到信号后,经过处理后将信号输送给信号反馈器,但此信号同样有可能是由干扰而产生的,如日光灯和太阳, 其发出的无数波长中就可能有一段是类似于调制后的载波。此时就必须进行解调,查看它的调制是否就是设定的发射波的调制, 如果不是,则认为此信号无效; 如何是,则说明发射的红外波遇到障碍被反射回来,由信号反馈器将前方信息反馈给 PLC。2) 火源的方向及距离感应模块设计 ? 采用固定方向安装方式, 将 2个火焰传感器固定在车头的左右两边指向前方, 当车头对准光源时,2传感器输出平衡;当车的方向不准时, 通过 2传感器输出的差别控制车原地转向来来对准火源。其火焰原理图和电路图如图 5所示。图 5? 火焰侦查原理图火源侦查模块由 3个火源方向侦查管和 1个火源距离侦查管组成,于机器人前方放置 3个火源方向侦查管,感知火源相对于机器人的位置, 是在正前方、左边还是右边;1个火源距离侦查管,感知正前方火源相对机器人的距离。机器人在一定的范围内按规则行走,将所有空间侦查到,当感知右方有火源,将此信息返回,并使机器人右转,直到右方火源信号结束,正前方火源信号出现, 便开始前进。当上方的火源距离侦查管有信号时, 说明火源距离机器人只有 30 c m 了,此时,机器人停止行动,开始灭火,并发出警报。当左方有火源时动作类似。5? 侦查救援模块设计在火灾现场对搜救工作来而言, 最大的难题是怎么快速了解现场情况,其火势如何,蔓延方向,受困人员的位置和处境。同时,火灾现场的情况又在不断变化,随时有爆炸和墙壁倒塌的危险,如对以上情况了解不足, 贸然进入起火建筑中,不仅难以控制火情,甚至可能使救援人员陷入困境,此时就需要有机器人代替人进入现场并将情况反馈。侦查救援模块包括遥控模块,摄像头,声音传感器,无线发射器, 扬声器。侦查救援原理,如图6所示。图 6? 侦查救援模块原理图在机器人的前方装有摄像头, 可实时地将机器人周边环境的状况、受困人员的位置反馈给后方人员, 后方人员获得实时的资料,可以迅速而有效地对后续的救援工作进行安排和调整。机器人的中部装有声音传感器和扬声器,当机器人在火灾现场发现受困人员时, 指挥人员可以与受困人员交流,指导其应对困境。6? PLC程序设计1) PLC模块 ? 本机器人是基于三菱 FX2N 系列 PLC控制的。PLC可靠性高, 抗干扰能力强、适应恶劣环境下工作。机器人集侦察、避障、灭火于一体,要实现的功能很多,且是在火灾现场或环境很恶劣的情况下使用,所以对控制系统的稳定性要求非常高,因此选用三菱的 PLC作为控制中心,然后根据需要的功能设计输入输出模块,具体,如图 7所示。图 7? 控制系统结构图%119%? 增刊 ? ? ? ? ? 程鹤鸣等:智能侦查灭火机器人要实现侦查、避障、灭火、报警、和返回等基本功能, 基本思路如下:在火灾现场当不明内部情况时放机器人进入 1个着火的房间、仓库或走道。通过机器人上的摄像头将信息传到主机实行实时监控,机器人本身可以通过 PLC内部程序和电路模块驱动小车运转,在前进过程中如遇到障碍, 红外避障传感器会将信息传给 PLC,PLC通过程序和电路控制机器人避开障碍。当机器人的火焰传感器探测到火焰信号后会反馈给主机,主机会做出判断,驱动车体接近火焰,如果在接近火焰的过程中遇到障碍的话,车体会选择优先避障, 然后再继续执行接近火焰的程序。当小车到达距火源一定距离时会停下来,然后打开电磁阀对准前方喷出灭火剂。喷完之后会报警示意,也可通过摄像头看见具体情况。然后小车会原地旋转 180 & , 进而返回初始地点。在行进过程当中如果出现突发事件,需要机器人快速撤离现场的话, 可以用遥控接管机器人,使其快速返回。2) 程序设计 ? 本次设计选用三菱 FX2N?80 MT型号的 PLC一台。配合程序介绍 PLC及相关模块,PLC外部整体的接线图,如图 8所示。图 8?PLC外部接线图电机输入方式为从 X0 X3分别是控制两电机正反转,X4是总切断开关。输出分别为 Y0 Y3 ,一接通开关会通过 L298电路驱动电机自保持运转,程序开始时给 1个初始脉冲使小车向前行进。驱动部分程序如图 9所示。图 9? 电机驱动部分程序避障模块有左、前、右 3个红外避障传感器,分别有 X5 ,X6 ,X10表示输入接通。左边和前边有障碍就往右转,右边有障碍就往左转。除了红外避障外, 为了以防万一加了 4个碰撞开关分别由X7 ,X13 ,X25 ,X12接通信号。且碰撞开关的优先级别比红外避障高。它们的部分程序,如图 10所示。图 10? 红外避障部分程序火焰传感模块由 X25 ,X26 ,X11 ,X14输入表示, 左边的传感器接到信号会接通 X25, 右边有信号会接通 X26 , 正前方信号会接通 X11, 上方传感器有输入会接通 X14 。火焰传感器不但负责接受火焰信号, 还可以起到定位的作用。具体如下: 前方有信号, 小车会接近火源,当左方有信号的话说明左方有火 (前提是传感器的指向性很直, 用套管套在传感器上使它的指向性很好 ), 会优先让小车向左转 1个小角度, 以保证前方指向火源中心, 右方有火源是同样的道理。当两边都有信号时说明火源范围很大,直接接近火源就行了。当上方的传感器有输入说明小车已经距火源30 c m 了,然后会启动灭火装置, 进而报警, 返回。报警部分程序和遥控接管部分程序, 分别如图11 ,图 12所示。%120%控 ? 制 ? 工 ? 程 ? ? ? ? ? ? ? ? 第 16卷 ? 当行进过程中遇到紧急情况要快速返回
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