灭火机器人的工作原理与设计

摘要
随着社会与国家的发展，在经济迅速增长的同时，各种危险场所不可避免的火灾频繁出现，给社会安全造成了很多隐患，于是现代火灾及时补救已成为迫在眉睫需要解决的问题，救火早一刻就少一分损失，消防救援人员固然速度已经很快，但也需要一段不小的时间，而且进入救火现场还有生命危险的可能，于是消防机器人的理念诞生了。

首先阐述了研究灭火机器人发展及其意义，接着介绍了机器人的硬件系统及其控制原理。

重点分析研究能力风暴机器人进行灭火的方案实现。

包括灭火装置硬件的选用，用风扇灭火装置及远红外线火焰探头能实现更好的灭火效果。

其次先确定探头对火源的光强临界值，是机器人对火源的定位更精准，从而移动灭火机器人，实现灭火。

关键词：机器人寻找火源灭火
Abstract
With the social and national development, rapid economic growth, the inevitable fires of various dangerous places frequent to cause a lot of hidden dangers of social security, so the modern fire in a timely manner has become a pressing need to remedy problems, fighting back the moment on curbing losses, while fire and rescue personnel have quick speed, but do not need a little time, and enter the fire scene may have life-threatening, was born the idea of fire-fighting robot.
First, the study described the development of fire-fighting robots and their significance, then introduced the robot hardware system and control theory. Focus of research capacity to conduct fire storm robot program to achieve. The selection of hardware devices, including fire, fan the flame extinguishing devices and infrared sensor can achieve better fire-fighting effects second, the probe first determine the intensity of the fire threshold, a robot more accurate positioning of fire, fire-fighting robot to move to achieve fire.
Keywords: Robot, Find fire, Fire
目录
第1章绪论 (1)
一机器人的发展 (1)
二研究灭火机器人的意义 (2)
第2章灭火机器人的系统结构 (3)
一机器人的概述 (4)
二机器人的系统结构 (4)
（一）传感器 (4)
（二）控制单元 (5)
（三）驱动与传动 (5)
第3章机器人灭火硬件的硬件扩展装置 (6)
一灭火硬件扩展的选择 (6)
二灭火风扇装置 (6)
三远红外线火焰探头 (8)
第4章机器人灭火项目程序的实现 (12)
一灭火过程的分析 (12)
二机器人找火的过程 (12)
三机器人灭火的过程 (13)
第5章结论 (14)
结束语 (15)
参考文献 (16)
第1章绪论
一、机器人的发展
机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展①。

比如说日本，战后以后开始进行汽车的工业，那么这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是从社会发展需求本身的一个需求。

另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,来需求能够解放人的一种奴隶。

那么这种奴隶就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。

但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。

机器人有三个发展阶段，那么也就是说，我们习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。

抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况②。

那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完
整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。

二、灭火机器人的发展和研究意义
近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。

由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。

为了解决这一问题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，灭火机器人研究被提到了议事日程。

而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，使得灭火机器人应运而生。

从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了灭火机器人的研究。

美国和苏联最早进行灭火机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了灭火机器人的研究，目前已有多种不同类型的灭火机器人用于各种火灾场合。

我国从八十年代末期开始灭火机器人的研究，公安部上海消防研究所等单位在灭火机器人的研究中取得了大量的成果，"自行式消防炮"已经投入市场，"履带轮式消防灭火侦察机器人"也于2000年6月通过了国家验收。

但是，我国灭火机器人的研究还处在初级阶段，还有许多有待研究的问题。

比如，高层建筑发生火灾时，消防人员不可能在短时间内到达高处的火灾发生地点，在地下建筑中，由于环境比较潮湿，烟气不易扩散，消防人员不容易快速的判定火源位置；而在石化企业发生火灾时，将产生大量的毒气，消防人员在灭火时极易中毒。

研制能够用于这些场合的侦察灭火机器人，协助消防人员进行火灾的定位和灭火，将有极大的社会意义③。

基于人工智能的不断发展，各项高新技术的不断成熟，在可预见的将来，灭火机器人在功能上会更具多样特点，在较多危险区域可以完全代替消防员，避免消防员生命伤亡。

同时也应该看到，我国在研究灭火机器人方面较国外同行已落后太多，存在技术差异和代沟，灭火机器人的不断研制、生产和装备过程，应坚持自主研制为主，引进为辅，提高我国消防部队消防装备现代化的水平,并及时装备消防部队，提高消防部队打赢大仗、恶仗、硬仗和特殊战役的能力，提高消防部队在处置大型复杂火灾和应急救援的作战效能, 提高消防部队的自我防护能力,减少消防指战员的人身伤亡，更好地保卫我国经济发展。

第2章机器人的系统结构
一、机器人平台的概述
自从人类创造了第一台机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，在几十年间，机器人技术得到迅速发展。

能力风暴机器人平台（以下简称机器人）是能够自主运行的智能机器人，它有自己的运行环境——交互式C语言（简称JC）该语言具有出色的交互式功能。

利用这个环境，能力风暴机器人平台可以与外界环境进行交流，即通过这个交互式平台实现人类赋予它的某些智能行为的能力，如观察、行走、避障、说话、听话、跟随等。

能力风暴平台是融合了光学、机械、电子、计算机、人工智能等多学科知识的成果。

开发本能力风暴平台项目具有三方面的意义:它采用模块化结构，可以从中了解并掌握光学、机械、电子、计算机等学科知识；
（1）它提供强大的交互式C语言（JC），便于学习和进行软件开发④；
（2）它运用开放式接口，可以从各方面扩展它的功能，使它能够完成多种极具挑战性的任务；
（3）本文用能力风暴平台开发灭火项目，赋予它灭火的功能。

二、机器人的系统结构
人们对周围环境反映的主要过程是：感觉——大脑——思考——作出反映。

机器人信息控制处理流程也是如此。

这个信息控制处理流程的各个阶段分别由传感器、微控制单元和驱动器来实现，从而构成了机器人控制系统的三要素⑤。

（一）传感器
感知环境的能力是产生智能行为的前提。

机器人有多种传感器，可根据需要进一步扩展其他传感器，使它拥有多种感知环境的手段，再配合它的先进大脑（微控制器），就能在实际环境中完成一些特定任务，产生丰富的智能行为（如图2-1）。

(1)碰撞传感器
碰撞传感器是使机器人具有感知碰撞环上的碰撞信息能力的传感器。

在机器人的左前、右前、左后、右后* 个方向各设置一个碰撞开关（常开），它们与碰撞环共同构成了碰撞传感器。

(2)红外传感器
在机器人上,由两只红外发射管和一只红外接收模块构成红外传感系统。

主要用于检测前方、左前方和右前方的障碍，检测范围为10—80CM；
(3)光敏传感器
机器人上有两只光敏传感器，可以检测到光线强弱。

光敏传感器其实是一个光敏电阻，它的阻值受照射在它上面的光线强弱的影响。

如果改变照射在光敏电阻上的光线强弱,可观察到读数值的变化。

光线越暗，数值越大；光线越强，数值越小。

（4）光电编码器
光电编码器是一种能够传递位置信息的传感器，由光电编码模块和码盘组成，靠发射与接收红外光来工作。

在能力风暴机器人上有两只光电编码器，通过它们可知道机器人行走的距离和转弯角度。

（5）麦克风
机器人上的麦克风（microphone）是能够识别声强大小的传感器。

图2-1 传感器
（二）机器人的控制单元
能力风暴通过微控制器（microcontroller）来思维。

我们采用的是 NXP 公司 ARM7系列中LPC2132 微处理器，芯片时钟 60MHZ⑥，该系列 MCU是主流的 ARM7处理器之一（图2-2）。

图2-2 控制单元
（三）驱动与传动
（1）主动轮及其驱动机构：机器人的主动轮有两只，能够完成向前直走，向后转弯，左转，右转，原地打转这些平地上的技术动作；正因为有驱动机构齿机输出的动力（图2-3）。

（2）从动轮：机器人有2只从动轮，通过安置弹簧移动，保持机器人动态平衡和实现一定的越障功能（图2-3）。

（3）直流电机：在 I机器人上有两个直流电机（图2-3）。

图2-3 驱动与传动
第3章机器人灭火的硬件扩展装置
一灭火硬件扩展的选择
为实现更好的灭火效果，结合实用性和经济性，决定在机器人基础上进行了灭火的硬件扩展，包括远红外线火焰探头和灭火风扇装置，具体在下面介绍。

二灭火风扇装置
为使机器人具备完好的灭火能力，在机器人上扩展了灭火风扇装置。

此装置用于吹灭蜡烛火焰，由扇叶（图片3-1）、直流电机（图3-2）、支架（图3-3）、导线及螺钉等组成，是一个简单易用的扩展装置⑦。

（1）灭火装置的组成
图3-1 扇叶
图3-2 直流电机
图3-3 支架
（2）灭火风扇装置的安装
将电机用螺栓固定到支架上（图3-4），加支架固定到机器人上，安装扇叶到电机上，机器人通过主板上的扩展直流电机口来驱动直流电机（图3-5）。

图3-4 电机固定在支架
图3-5 扇叶及电机安装到主板
（3）检查灭火风扇装置的工作情
机器人通过主板上扩展电机接口驱动灭火风扇，将下面程序通过VJC2.0开发版下载到机器人中，运行程序（按一下运行键）。

void main()
{
motor( 3 , 100 );
}
风扇电机开始旋转，观察一下电机旋转方向，如风的方向相反，可将电机插座反向。

注意，由于扩展口电压不能改变，因此扩展电机只能以恒定速度运转。

三远红外线火焰探头
要进行灭火项目，必须让机器人对“火”具有敏感性。

若只利用机器人上的光敏传感器是远远不够的，因此又扩展了一对火焰传感器（远红外火焰探头），利用它可以探测火源或其他一些波长在700—1000nm范围内的热源⑧。

（1）远红外线火焰探头的组成
远红外火焰探头由一个硅光电二极管和一个塑料圆环组成（图3-6）。

磁场检测模块：塑料圆环用于固定硅光电二极管（图3-6），同时起屏蔽作用，可防止外界光源干扰。

远红外探测接口卡：远红外火焰探测扩展卡可以通过ASBUS 的 PE5、PE6 模拟输入口来使用远红外火焰探头（图3-7）。

图3-6 远红外线火焰探头的组成
图3-7 远红外线探测接口卡
（2）远红外线火焰探头的安装
远红外火焰探头（图3-8）可直接通过机器人主板上光敏探测器的输入口探测光源。

图3-8 远红外线火焰探头
将硅光电二极管从固定环较大的一侧稍用力塞入，注意探头不要放偏，它们之间可用少量502 胶水固定。

将机器人左右两边光敏传感器从主板上取下（图3-9）。

图3-9 取下光敏传感
将远红外探头插在原光敏传感器插针上，位置如图（图3-10），注意方向不要插反，一般情况，插头上带金属的一面朝外。

图3-10 安装远红外线探头
将塑料圆环固定到机器人上盖沿边传感器安装孔中或其它机构上（图3-11）。

图3-11 固定探头
（3）远红外线火焰探头的测试
将下面所示的测试代码输入 VJC1.5开发版中，然后下载到机器人中。

void main()
{
int iL,iR;
while(1)
{
iL = analogport(0);
iR = analogport(1);
printf("L=%d,R=%d\n",iL,iR);
wait(0.2);
}
}
运行下载的程序，让机器人远红外探头面向热源（如点燃的蜡烛、点亮的灯泡），慢慢靠近热源，观察机器人读数变化。

远红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映为 0~255 范围内数值的变化，外界红外光越强，数值越小，红外光越弱，数值越大，因此越靠近热源，机器人显示读数越小。

根据函数返回值的变化判断红外光线的强弱,从而能大致判别出火源的远近。

如果机器人读数一直为 255，那么远红外探头可能插反，将插针方向反过来即可。

参考文献
第4章机器人灭火过程的实现
一灭火过程的分析
在任意一个地方点上蜡烛，让机器人像消防队员一样，自己能找到火源（蜡烛）并完成一系列灭火动作。

这个过程由2部分组成，即找火、灭火。

二机器人找火的过程
为了找到火源，必须有探测火源的装置。

火焰传感器（火焰探头）。

在寻找火源时，可以不用光敏传感器，而在机器人的左前、右前、左后、右后个方向各装上一个火焰探头，以提高探火效率。

“找火”分成3部分：一是确定机器人感应到“火”时的光强临界值，包括感觉到或找到火光的临界值和机器人处在合适灭火位置的临界值；二是收集探测数据，包括碰撞检测数据和光强检测数据；三是对收集的数据和基准值进行比较，从而控制机器人的找火行为和灭火行为⑨。

在进行项目之前，必须根据实地情况确定3个光强临界值：即感应到或找到火光的临界值、机器人处在合适灭火位置的临界值和“无火”（蜡烛熄灭）的临界值。

对这3个值，可以先编制一个简单的光强检测程序，在不同环境下取多次测量的平均值来确定。

基准值的合适与否将最终决定整个“找火”过程乃至“灭火”过程的成败。

因此，对这3个数据必须进行严格测量。

为得到在不同外界环境下的临界值，测量了白天和晚上（分关灯和不关灯两种情况）时的临界值。

测量步骤如下：
（1）在合适的位置点燃蜡烛，下载并运行光强检测程序；
（2）把机器人放在刚好使蜡烛光强数据与蜡烛周边其他光强数据形成区别的位置；
（3）观察火焰传感器的检测值，并将这些值不断地记录下来，记完后熄灭蜡烛，并停止运行程序（注意控制蜡烛的高度，高度也会影响测量值的大小）；
（4）将测得的值进行平均,以平均值作为“找到火光”的临界值；
（5）把机器人放在能够灭火的合适位置（如离蜡烛10cm），重复步骤（3）以确定“能够灭”的临界值；
（6）熄灭蜡烛后，再运行检测程序，按照步骤（3）以确定“无火”临界值。

通过测量，发现前方左右两个探头在同一位置相同光强下，左边返回值一般比右边大。

所以，对于“找火”
第4章机器人灭火过程的实现
临界值和“灭火”临界值必须分别确定左右两个值才行。

对探测数据的收集，可利用左前、右前、左后、右后的4个火焰探头探测，获得这4个方向的火光测量数据的变化来判断红外光线的强弱和火源的远近，从而控制机器人的“找火”行为。

控制方法步骤如下⑩：
（1）在前方的探测值都小于“找火”临界值，但两个值之差的绝对值大于10（暂时确定10）的情况下，若左边探测值大，则向右转一定角度；反之，则向左转一定角度。

当后方的任何一个火焰探头探测值小于“找火”临界值时，则向后转，然后再根据前方探头的探测值决定是左转还是右转。

（2）如果前方火焰探头的探测值都小于“找火”临界值，并且前方两个探测值之差的绝对值小于10，则向前方缓慢行走。

（3）如果前方两个探测值都小于“灭火”临界值，那么机器人停止“行走”。

（4）如果后方火焰探头的探测值小于“灭火”临界值，则机器人向后转，再根据步骤（3）的方法为机器人定位。

三机器人的灭火过程
“灭火”在机器人能很好地“行走”、“找火” 之后，要解决的问题就是怎样去“灭火”了。

要想灭火，就得采用合适的灭火方法。

灭火方法有很多种，可以喷水或用化学物质灭火，也可以用风扇来灭火。

由于风扇在使用上比水和化学物质更方便，因此，采用风扇装置灭火在硬件部分已经扩展了该装置，通过调用相关的程序就可以控制灭火装置的开和关。

在“找火”过程中，完成了机器人灭火的合适定位。

当前方火焰探头或者后方火焰探头检测的数据都近似于灭火定位的基准值时，开启灭火装置。

一边开风扇，一边通过前方火焰探头检测火光强度。

当探测值大于“无火”临界值时，关闭灭火装置。

第5章结论
（1）设计机器人灭火项目的实现，扩展硬件选择适当与否直接关系到机器人的反应能力，必须认真考虑。

比如，灭火项目中对火源的探测，必须使用火焰传感器而不是光敏传感器。

（2）通过设计机器人灭火的实现过程，并进行模拟实际比赛环境的调试，能够较好地完成任务，使机器人具备了较强的智能性。

（3）设计的机器人还存在性能不稳定的问题，即通用性不够强。

在某个环境开发的项目程序不能在别处不同的环境下直接让机器人完成任务，而必须重新检测，确定某些参考值，再进行相关调试才能达到目的。

结束语
三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。

三年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。

伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的指导老师彭卫东老师。

我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。

您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。

授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。

最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。

参考文献
1，蒋新松，机器人与工业自动化，河北教育出版社,2003，1:5-12
2，王耀南，机器人智能控制工程，科学出版社,2004，4:72-80
3，倪星元，传感器敏感功能材料及应用，化学工业出版社,2005，8：187-195
4，雨宫好文，传感器入门，科学出版社,2000，4:89-112
5，广茂达公司,能力风暴个人机器人操作手册,2001
6，广茂达公司,JC使用手册,2001
7，邵贝贝、程建平，微控制器原理与开发技术,人民邮电出版社，2004，6:99-104
8，冯英等编著，传感器电路原理与制作，成都科技大学出版社，1997，5：416-455
9，何献忠、李萍等著，优化技术及其应用（第二版），北京理工大学出版，2000，3：33-52 10，张星，智能移动机器人监控系统设计，硕士论文，2001，3:22-28。