基于UWB定位技术的消防巡检机器人系统分析

方芳　靳作宝　贺麟　李史玉　徐佳宇　卢海康

摘  要：随着社会的发展以及科技水平的不断提高，“智慧消防”的技术在防火监督业务工作上发挥着事半功倍的作用。该项目对“智慧消防”课题开展研究，针对我国火灾防控体系还不够完善，智能化程度较低，且各地分散研发应用，没有统一标准这一现象，该文设计了一款基于UWB定位技术的消防巡检机器人系统，系统根据用户指定的路线通过算法进行路线识别和位置识别，自主精确循迹。用户可以通过蓝牙对系统进行参数设置以及运动控制，从而增强其实用性。

关键词：UWB定位  红外热成像  zigbee无线通讯  智慧消防

中图分类号：TN925    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）09（b）-0012-02

国际上最早开展消防机器人研究的是美国和前苏联，稍后，英国、日本、法国、德国等国家也纷纷开始研究该类技术。目前已有很多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。我国在近些年来“智慧消防”的研究与推广中也取得了丰硕成果，确立了自上而下的“一库三网”体系建设框架。

该控制系统以MK60N512VMD100为主控芯片，操作员利用Zigbee无线通讯技术，实现对机器人的控制。车载红外热像仪通过图传模块将采集到的视频信息发送给上位机进行显示处理。UWB模块定位目标物体位置，进行自主循迹。实现全智能化预防火灾，减小火情。极大程度上降低了消防工作所需要的人力物力。并能够根据采集到的视频信息及时采取有效的救护措施。

1  系统整体设计

整个控制系统主要包括了UWB定位模块，红外热像仪测温模块，ZigBee无线通讯模块，图传模块，消防灭火机构5部分组成，其中Zigbee和图传模块实现上下位机的交互，UWB和红外热像仪分别实现定位和监控。

2  系统硬件设计

2.1 动力结构设计

为了更好的适应周围路况环境，选用了履带式轮系结构，加大了轮子与地面的接触面积，增大了对地面的附着力。具有良好的通过性，可以适用于多种恶劣的路面情况。应用范围广。

2.2 主控电路设计

主控电路主要由主控芯片、显示模块、电机驱动、电源稳压、按键调试电路等组成。电源输入7.2V电压，其中主控芯片选用恩智浦公司生产的MK60N512VMD100，144引脚的有多达100多个IO口，支持ADC采集、UART串口发送、定时器、flash存储、PWM输出等强大功能。还有丰富的外设模块可以使用。

3  系统软件设计

3.1 UWB定位算法设计分析

UWB是一种无线射频信号。UWB发射极短的脉冲，瞬间脉冲有着急剧的波峰波谷，因此信号发射的起止时间更容易测量。这意味着两个UWB设备之间的距离可以通过测量电波在设备之间传输所用时间精确，相比于信号强度估计距离更精确的距离。本文选用了TDOA定位算法，这种定位方法不需要基站与定位标签时间同步，只需要保持参考节点之间同步。在实际应用中更容易实现，成本也相对较低。

3.2 下位机软件设计

下位机控制流程如图3所示，整个控制分为3个中断，其中包括1個定时器中断2个串口中断。首先进行初始化，每隔10ms对电机进行一次控制量输出，同时等待接收上位机发来的控制信号以及UWB发送的位置数据

3.3 上位机软件设计

上位机工作流程如图4所示，首先对各模块进行初始化，建立摄像头和串口的连接，直至连接成功后判断是否接收到操作员的控制信号，如果有则将控制信号发给下位机，此时上位机还会通过蓝牙接收zigbee发来的数据解析、存储并显示到界面。

4  结语

该文设计的智能消防巡检机器人系统解决了消防工作所需要的大量人力物力的问题，还可以代替仓库、工厂、小区等巡逻安保人员，对所检测的环境进行实时监控并通过红外热像仪对周围环境进行热量分析，达到火灾预防的目的。下位机通过Zigbee进行无线通信，传输距离远且功耗低，大大提高了机器人的灵活性。同时履带式的轮系结构具有良好的通过性，可以适用于多种恶劣的路面情况。

参考文献

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