悬吊式高空消防机器人的设计及姿态控制原理

1 6 2 机 械设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 第 1 2期 2 0 1 2年 1 2月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 1 2 0 1 6 2 0 3 悬吊式高空消防机器人的设计及姿态控制原理 史强 1 2 李露 邱自学 1 席湄大学 机械工 程学院 南通 2 2 6 0 1 9 Z 中国科学院 合肥物质科学研究院 常州先进制造技术研究所 常州 2 1 3 1 6 4 De s i gn o f Su s p e n d e d Hi gh Al t i t u d e F i r e Fi g h t i n g Ro b o t a n d At t i t u d e Co n t r o l Pr i n c i p l e S H I Q i a n g 1 2 L I L u 2 Q I U Z i x u e 1 S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g N a n t o n g U n i v e r s i t y N a n t o n g 2 2 6 0 1 9 C h i n a 2 C h a n g z h o u I n s t i t u t e o f Ad v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y He f e i Ma t e r i a l S c i e n c e Re s e a r c h I n s t i t u t e C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e s C h a n g z h o u 2 1 3 1 6 4 C h i n a p 摘 要 根据高 层建筑火灾的 特殊性和灾 难性 对已 有高空消防机器 人进行了 调研 综述其优缺 点 并提出了一种直升机悬吊式的高空消防机器人的新设想 介绍了该机器人的整体设计 控制系统设 l计和姿态控制原理 利用C F D软件fl o w s i m u la t i o n 对机器人上使用的风机进行了空气动力学仿真分析 针对不同风管的长度 不同转速以及不同的叶间间隙分析其出口 风压的变化 将仿真分析的结果应用 l于 优化机器人的姿态 控制 对今后研制此类消防 机器人有一定的指导意义 i 关键词 消防机器人 姿态控制 C F D仿真分析 A b s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e p a r t ic u l a r i t y a n d c a t a s t r o p h i c f e at u r e o f h i g h b u il d in g fi r e d is a s t e r 口 一l v e y oft h e c u r r e n t r e s e a r c h o n h ig h a l t i t u d e fi r e fi g h t i n g r o b o t W as r e v i e w e d and t h e ir a d v ant a g e s and d is 一 adv ant age s w e r e s u m m ar iz e d A n e w i d e a ofh i g h al t i t u d e fi r e fi g h t i n g r o b o t w h i c h W as s u s p e n d e d u n d e r 0 l h e l ic o p t e r W as p u t f o r w ar d and t h e d e s i g n of t h e r o b o t and t h e at t i t u d e c o n t r o l p r i n c ip l e W as i n t r o d u c e d 2 e a e r o d y n o l n ic s s im u l at io n and a n a l y s is of t h e o n t h e r o b o t W as fi n is h e d b y usi n g C F D s oft w a r e l fl o w s im u l at io n anal y z i n g t h e c h ang i n g ofw in d p r e s s u r e c a u s e d b y d if f e r e n t le n g t h ofp ip e d if f e r e n t s p e e d i oft h e f an d if f e r e n t i n t e r v al b e tw e e n t h e e e oft h e f an and th e p ip e and t h e r e s u l ts oft h e s im u l at i o n and ana l y s is w e r e a p p l i e d t o o p t i m iz e t h e at t it u d e c o n t r o l ofth e r o b o t w h i c h h as s o m e s ignif w a n c e o n d e v e lo p s u c h k i n d o f fi r e fi g h t i n g r o b o t s i n t h e f u t u r e K e y Wo r d s F i r e F i g h t i n g R o b o t A t t i t u d e C o n t r o l C F D S i mu l a t i o n A n a l y s i s 中图分类号 T H1 6 T P 2 4 2 文献标识码 A 1 弓 l 言 挥 其 作 用 然 而 目 前 国 内 外 尚 未 有 比 较 成 熟 的 专 门 针 对 高 层 建 筑 如今高层建筑越来越多 高层火灾也频繁发生 传统的消 的消防机器人 基于高层建筑火灾现场的特征及传统消防设备的 防工具如云梯车 消防炮等口 在面对高层火灾时并不能有效的发 缺陷 有必要研制一种能够有效应用于高层建筑的消防机器人 来稿日 期 2 0 1 2 0 2 1 2 基金项目 常州市国际科技合作计划项 目 C Z 2 0 1 1 0 0 0 6 定义一个数组标记每个神经元的状态 fl a g 0表示已覆盖 fl a g l 代表障碍物 fl a g 2 表示 目标未覆盖区域 具体的改进规则 如下 1 将所有的神经元的活性置为 0 fl a g 2 外部刺激输入改 为 E 2 将机器人所在位置为当前位置 3 外部刺激为0 fl a g O 根据传感器返回信息标记周围神经元的 fl a g 数值 将障碍物的 外部刺激改为一 E 检查机器人位置是否是模板位置 如果是按照 规则找到下一位置 否则按原方法找到下一位置 4 将这一位置 标志为当前位置 检测是否覆盖完全 若没覆盖完全返回 3 覆 盖完全结束 按照改进后的算法进行仿真 模型的参数设置如下 A 5 0 B I D I E 1 0 0 得到的结果 如图4所示 5结论 对清扫机器人的定位方法和全覆盖算法进行了研究 为了 定位更准确引入了卡尔曼滤波 滤去传感器中的白噪声 为了覆 盖的重复率更小 对生物激励神经网络的方法进行改进 利用基 于模板的生物激励神经网络模型来改进 并通过仿真实验验证了 改进方法的有效 陛 参考文献 1 刘国栋 谢宏斌 李春光 动态环境下基于遗传算法的移动机器人路径 规划的方法 J 机器人 2 0 0 3 2 5 4 3 2 8 3 3 1 1 2 J R A r a u j o P r u n e a b l e f u z z y A R T n e u r a l a r c h i t e c t u r e f o r r o b o t m a p l e a r n i n g a n d n a v i g a t i o n i n d y n a mi c e n v i ron me n t s l J J I E E E T r a n s N e u r a l Ne t w 2 0 0 6 1 2 3 5 1 2 49 3 李群明 熊蓉 褚健 室内自主移动机器人定位方法研究综述 J 机器 人 2 0 0 3 2 5 6 5 6 0 5 6 7 4 G r o s s b e r g s N o n l i n e a r n e u r n e t w o r k s p r i n c i p l e s m e c h a n i s m and arc h it e c t u r e sl J j I E E ET r a n s a c t i o n s o nN e u r a l N e t w o r k s 1 9 8 8 1 1 1 7 6 1 1 5 j Yang SX L u o C AN e u r alNe t w o r kA p p roa c ht oC o mp l e t e C o v e r a g e P a t h P l ann i n g l J J S y s t e m Ma n A n d C y b e r n e t i c 2 0 0 4 7 1 8 7 2 5 1 6 J L u o C Y a n gS X AB i o i n s p i r e d N e u r a l N e t w o r k f o r Re a l T i m e C o n c u r r e n t Ma p Bu i l d i n g a n d C o mp l e t e C o v e r a g e Ro b o t Na v i g a t i o n i n Un k n o wn E n v i r o n In e n t S J 1 hn s a c t i 0 n s o n N e u r a l N e t w o r k 8 2 0 0 8 1 2 7 9 1 2 9 8 第 1 2期 史强等 悬吊式高空消防机器人的设计及姿态控制原理 1 6 3 2高空消防机器人研究现状 国际上较早开展消防机器人研究的是美国和苏联13 目前国 内外正在研制或已经研制的高空消防机器人还存在着各种不足 之处 一些科研人员研制的高层建筑攀爬型救援消防机器人 由 机器人本体 地面卷扬机构和控制台三部分组成 利用钢缆攀爬 建筑物外壁 其爬升速度不够快 灭火剂的携带量有限 国际机器 人 F A技术中心m 等机构共同研制的复合型机器人系统 由吊舱 钢缆及导轨 消防装备部件组成 复合型消防机器人系统性能稳 定 但要应用于高层建筑上 需要相应的导轨在具体使用中还存 在缺陷 国外科研人员吼 研制的直升机悬吊式消防平台 由直升机 上的绞车控制消防平台的上升或下降 到达火灾处由平台上的消 防员使用 自身携带的消防工具进行灭火和救援 3机器人的整体设计及姿态控制原理 3 1机器人整体设计 消防机器人的主体结构 如图 1 所示 机器人外框用铝合金 型材和板材搭建而成 并在其关键的受力区域进行焊接 框架内 放置着蓄水装置和调节机器人重心的调重块以及控制中心 顶部 安装有 6 个风扇和绞车分别作为机器人的推进系统和提升系统 底部安装着灭火枪和底轮 图 1消防机器人结构示意图 Fi g 1 F i r e F i g h t i ng Ro b o t S t r u c t u r e Di a g r a m 3 I 2机器人姿态控制原理 机器人除了受直升机旋翼 火灾现场的气流的影响外 还会 受到外界各种不可预测的干扰 安装在机器人上的陀螺仪实时检 测其旋转速度 经过处理换算可得到机器人旋转的角加速度 电 子罗盘可实时测出机器人正面与建筑物之间的夹角 机器人左右 两个侧面贴有压力传感器用来测量外界大风作用在机器人侧面 的压力 三种传感器获得的信号传输到控制中心 经过控制算法 解算出4个小风扇对应电机的转速和运作时间 以实现将机器人 正面与建筑物对齐和机器人左右位置的平衡 机器人在空中受到外界干扰后引起的姿态偏移分为三类 轴和 Y轴的偏移以及绕 z轴的偏转 当机器人在 轴或 y轴方 向受到大风作用发生偏摆 由传感器测出机器人侧面的受力大 小 控制中心分析出将机器人调节到平衡位置所需的作用力并换 算成对应风机的转速 调整其空中姿态 消防机器人实现姿态控制的关键是需要对所使用的风机进 行空气动力学分析 将分析结果应用于风机的优化 使得在同样 的转速下得到最合理的出口风压 并得出风机转速和出口风压之 间的关系应用于控制算法的编写 4风机空气动力学仿真分析 4 1风机模型的建立及仿真初始设置 使用三维造型软件 S o l i d Wo r k s 对机器人上的风机建立三维 模型 风扇结构参数 如表 1 所示 建模过程 1 分别绘制两条曲 线 由曲线生成两个相交曲面并对这两个曲面进行裁剪后即得 到所需的曲面 2 把曲面加厚 生成叶片 3 对叶片进行阵列 再加上其他特征即可生成风机的风扇模型 4 使用拉伸命令建 立风机的风管和旋转域将这三个模型装配后就得到了风机的三 维模型 表 1风扇主要结构参数 T a b 1 Ma i n S t r u c t u r e P a r a me t e r s o f t h e F a n 兀 何参数 风扇直径 I r n 轮毂直 m m 叶 片娄 片 尺寸 3 4 5 1 2 0 4 将得到的风机模型导人 C F D软件 F l o w S i m u l a t i o n中进行网 格划分 网 格数量的多少以及网格的形状将影响计算结果的精度 和计算量 一般来说网 格数量增加 计算精度也随