基于北斗定位的智能山地防火机器人设计与分析

刘文昊

（青岛黄海学院，山东 青岛 266427）

火灾是自然界三大灾害之一，会给人们日常生产及生活带来严重损失与伤害。2019年澳洲森林大火足足燃烧了4个月才得以扑灭，严重影响整个生态环境。及时发现火灾并进行有效控制是缓解火灾危害的有效办法。因此，设计基于北斗定位的智能山地防火机器人，及时发现火灾并进行灭火具有重要意义。基于北斗定位的智能山地防火机器人由电力及动力源、行走装置、检测装置和灭火装置组成。采用太阳能板及锂电池结合的方式为机器人提供电力，并通过舵机转换为动力；运用仿生学，设计六足行走器，可以快速在复杂的山地里行走、翻越障碍物、避险等；机器人搭载着对火源极其敏感的红外复合型火焰传感器，能够在半径25m 内及时发现火源，并调动灭火装置，喷洒最适合扑灭森林火灾的干粉进行有效灭火。机器人配置北斗卫星定位系统，通过程序控制进行巡逻，并实时反馈位置信息，便于监测。基于北斗定位的智能山地防火机器人能够及时发现火灾并进行有效控制，可以使火灾消灭在萌芽中，降低火灾损失、保护自然。

1 六足机械设计分析

山地防火机器人行走装置运用仿生学技术设计六足行走装置，正向对称分布机械腿，可以实现快速有效地行走、攀爬、避障等功能。仿生六足运动行走常见的行走方式是三角步态，使三对机械腿分为两组，用三角形结构支架交替往前行进。六条机械腿均匀分布在机器人躯体的两侧，使躯体左侧的前、后机械腿及右侧的中间机械腿为一组，使右侧的前、后机械腿和左侧的中间机械腿分为另一组，使之组成两个三角形支架，依靠大腿前后划动分别实现支撑和行走过程。机械腿的执行机构需要满足山地防火机器人全地形、全方位空间的操作要求。山地消防机器人运动机构必要在保证山地防火机器人运动行走的过程中，在平稳的前提下，需要具有较好的承载力和较快移动速度。山地防火机器人各个腿的关节和膝节采用的是弧形结构。山地消防机器人六条机械腿均匀的分布在躯体周围，这种设计可以减少运动过程中各个机械腿之间的互相干涉，使山地防火机器人行走运动过程中稳定性和安全性得到进一步提升。

1.1 机械腿运动学分析

验证更好的机构设计的合理性，要通过对运动平台进行运动学与动力学的分析。山地防火机器人行走过程中根据运动状态的不同分为摆动腿和站立腿，摆动腿通过从山地防火消防机器人自有重量、构件强度以及负载能力的方向出发，山地消防机器人的材料为铝合金，机器人总体重量大约为15kg，每条腿的重量大约为1.75kg。根据仿生机器人实际运动情况下设定每个关节的约束，山地防火机器人的机械腿与躯体和各个机械腿关节之间添加转动副，并通过舵机驱动，根据在现实中遇到的不一样地形条件来添加更合适的驱动函数。

1.2 运动仿真分析

山地防火机器人在消防作业过程中根据不同的地况来灵活运用相对的前进方式。在山地消防作业过程中，上坡、躲障、紧急避险是机器人应具备的基本功能。在行走过程中平稳性是检验机器人结构设计合理性的重要标准。在平整的路面前进时，山地防火机器人的腿部可以实现快速的移动。当遇到石块时能稳定的抬升机体，从而越过石块等物体。运动过程中根据机械腿部的变化从而产生不同的行走运动姿态和爬坡运动过程的仿真，此时机器人运动过程的稳定性最高。山地防火机器人在运动速度最快时的运动形态，山地防火机器人通过调节腿部关节，关节位置放低使躯干最低端距离地面最高，山地防火机器人的腿部机构最大程度得到伸展，身体躯干靠近地面，能在平坦路面快速移动。山地防火机器人在翻越随机地形时的斜坡和陡坡运动过程中，根据相应的地形情况自动寻找合适的着力点，从而使山地防火机器人能更平稳、安全地地通过斜坡和陡坡。

山地防火机器人运动整体比较平稳，但在行走过程中的开始行走阶段和上坡时每个腿关节所受力矩比较大，主要是在机体与腿相连的关节处。山地消防机器人在行走过程中关节力矩较大会对舵机造成一定的伤害。山地消防机器人的运动结构设计还需要进一步加强优化，从而为以后山地消防机器人火灾的巡逻检查、提前预警、积极扑救等工作研究奠定非常良好的前提基础。

2 系统硬件设计

2.1 火焰传感器

红外复合型火焰传感器是机器人专门用于搜寻火源的传感器，利用红紫外线对火焰非常敏感的特点，使用特制的红紫外线接收管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化电平信号进行反馈，因此，设计使用红外复合型火焰传感器对山地火源进行准确检测。火焰传感器识别与火焰燃烧中产生的紫外线和红外线。

2.2 北斗定位系统

该项目机器人配置北斗卫星定位系统，通过定位及地形图规划巡逻路径，设定控制程序进行运动路径规划，并实时反馈监测及位置信息。可实现全天候自动巡逻，提高监测效果，及时发现火源并进行有效控制。

3 机器人创新方式

3.1 复杂地形行走效率化

运用仿生学技术，使机器人的运动方式模仿蜘蛛类型的六条机械腿，可以快速行走方便发现火源，可以跨过障碍物，在山地里复杂地形穿梭。如果遇到坑洼地形，可以通过爪子翻转实现机器人正常行走。

3.2 火源搜寻精确化

采取红外复合型火焰传感器，装载在山地防火机器人两端，通过传感器里的红紫外线准确监测火源，在检测到火源后及时触发灭火装置，并反馈位置信息，通知消防局。

3.3 灭火方式多元化

以最适合森林灭火的干粉为主进行灭火，并采用水基灭火辅助干粉灭火。水基灭火器可以扑灭小型火源，干粉灭火器不仅能更好的扑灭中小型火灾还便于携带，遇到大型火灾则将水基和干粉进行结合灭火，并自动定位报警。

3.4 自动巡航智能化

利用北斗导航定位系统，获得山体地形图规划巡逻路径。通过人工设定程序行走路线，并实时反馈检测和位置信息，可实现全天候自动巡逻，提高监测效果，及时发现火源并进行有效控制。

4 技术路线

山地防火机器人分四个路线。第一由六足机器人山地行走控制，基于六足机器人设计山地行走模块，实现山地行走测试实地观察效果。第二由于复杂的环境火源的寻找，选用红紫外线等复合传感器进行工作，能在户外林地等复杂情况下观察使用情况。第三判断火源确定灭火方式，采用干粉为主，水基为辅的灭火方式。并人工模拟火灾场景观察灭火能力。第四可以野外复杂地形巡逻控制，实现山地无线信号传输，远程导航山地地形图，规划巡逻路径。通过人工设定程序行走路线。

5 结语

在全球变暖的今天，防火意识必须增强。随着智能制造技术的发展，研究者们需要创造可以解决此类问题的智能机器人。人们也越来越需要机器人在人类到达不了的地方进行工作。智能机器人不仅可以发挥出他们的特点和能力，也可以减少各种损失。尤其在森林山地救火方面，必须第一时间考虑消防队员生命安全的保护。据报道，近10年来森林火灾人为原因占到97%，及时有效的发现火源是有效控制火灾的关键。所以，发明能及时消防救火的智能机器人刻不容缓。对比世界消防机器人技术，我国这两年突飞猛进，运用各种新材料、新技术，引领着消防智能机器人的发展方向。同时对我国通讯信息技术，大数据研究技术等学科领域的发展起到了积极的推动作用。