消防机器人在灭火救援中的运用

■ 汪志明 张家口市消防救援支队

目前消防机器人的作用显著，可以有效解决灭火救援中的各类难题，因此相关的研发工作也逐步地开展起来。目前，消防机器人正在向智能化、自动化的方向发展，我国也在积极引进国外先进的机器人技术，并根据国内的具体情况和技术水平进行本土化研究，目前救援机器人研发工作已经逐渐迈向新的阶段。不仅如此，我国消防事业也在不断的发展中，新的消防格局已经逐渐形成。在实践应用的过程中，应该不断地总结经验和教训，为机器人的研发提供更多参考依据。

一、消防机器人的结构设计

消防机器人的种类有很多，随着研究的深入，机器人也在不断更新换代。目前来看，消防机器人根据发展的情况可以分为三代，分别是：简易遥控消防机器人、计算机辅助遥控消防机器人、智能化消防机器人。但在实际设计的过程中，需要根据消防机器人的应用范围进行结构设计，具体设计方式如下：

（一）规划路径设计

消防机器人主要从事救援和灭火两项工作，因此需要具备侦查灾情的能力，且在巡视侦查目标时，要确保在巡视的过程中可以自主、安全的行走活动。所以，要对消防机器人的行动路径进行规划设计[1]。首先，需要坚持全局性的原则，从整体性的角度设计侦查路线，确保规划的合理性。在设计的过程中，要对多项因素进行考虑和分析，侦查的目标不同，规划路径也会存在一定的差异，因此还需要提升消防机器人的区分能力、扫描能力。其次，为了协助救援任务或者独立完成救援任务，消防机器人还必须完善智能化功能，不仅要具备掌握周围环境的能力，还要根据环境条件做出清晰准确地判断，从而为下一步操作做出规划。在行动的过程中，为了解决障碍问题，需要安装传感器，利用传感器对周围障碍物、台阶、墙壁等进行感应。灾害会造成环境混乱，地面会出现凹凸、物品散落等各种障碍，因此还必须要求传感器可以对各类障碍进行分类，进而做出合理的行动方案。最后，在遇到障碍的情况下，要根据传感器的分析采取有效的规避方案，越过或绕过障碍，从而确保机器人可以正常运作。

（二）起火点识别定位

消防机器人需要具备识别火源的功能，在遇到火灾事故时，可以准确地对周围环境作出分析，在安全位置对信息、数据进行采集分析，并通过分析判断确定火源位置和起火原因等信息[2]。消防机器人的主要任务就是救援和灭火，所以在对火源距离进行准确的计算后，要第一时间携带灭火装置进行灭火救援。

（三）传感器设计

在消防机器人设计的过程中，传感器设计是十分重要的一项内容，传感器可以检测周围环境，具有测量距离的功能，但会受到场地、环境等因素的影响。目前，普遍采用超声波测距、激光测距、红外测距等多种类型的传感器。在灭火作业完成后，需要利用传感器对火源进行检测，分析潜在的危险隐患，然后采取有效的解决方案，所以传感器是十分重要的构成部分。

二、消防机器人灭火救援的硬件设计

（一）电机驱动模块

消防机器人的主要硬件包括单片机、电机驱动、火源检测等多个模块。在机器人设计的过程中，硬件组合是十分重要的环节，要确保各个硬件都能够充分发挥作用，因此需要采用TWI 总线对硬件进行规范协调。例如，AVR 单片机ATmega 128 是系统中的主要模块，ATmega 8系统则是底层控制模块，可以满足前进、后退等移动功能的要求。在电机驱动模块方面，采用直流电机进行控制，通常选择L298，该电机利用芯片对两个直流减速电机进行驱动，然后利用EA/EB 与PWM 进行连接，P1-P4 与单片机进行连接，改变EA、EB 和PWM 的占空比就可以实现启动、停止、加速、减速等操作，满足控制电动机的要求。

（二）火源检测模块

对于消防机器人来说，火源检测模块尤为重要，模块主要包括光敏电阻、光电三极管两种设计形式。前者利用各种光强下的阻值差异确定小车转向，具有原理简单、应用便捷的特点。但在实际应用中也存在一些缺陷，一方面是检测距离受限制，另一方面是受到外界因素的影响较大，难以有效保障测定值的准确性。所以一般采用光电三极管的设计方式将其排列成半圆状，根据适量合成的原理进行设计，由于传感器测光强有所不同，因此可以将各个值作为测定中心，明确小车的具体位置。这种方式比光敏检测更具优势，因为其不会受到外界因素和距离的限制影响。

（三）障碍规避模块

为了确保消防机器人可以正常运行，需要设计合理的障碍规避模块。第一，可以采用光电开关的设计方式，其具有经济实用、设计成本较低的特点，但这种设计对距离要求较高，只能检测范围内的障碍物。第二，可以采用超声波测距的设计方式，这种方式更具智能化，主要是利用超声波传感器进行测量并计算超声波与物体之间的准确距离，具有科学、准确、智能的特点，但应用成本较高。因此光电开关经过算法优化可以满足设计需求，应用更加广泛。

三、消防机器人灭火救援的软件设计

在软件设计上，主要针对火源寻找进行设计。因为火灾环境比较复杂，所以可以从搜索、灭火、检测三个方面入手。寻光算法是一种合理的寻光计算和障碍规避的计算方式，要根据传感器环路结构来确定和应用[3]。例如，ATmega 128 控制的轮式移动机器人，采用直流伺服系统对机器人进行驱动。将小车的左右设为X 轴，从0°、45°、90°等8 个比较特殊的角度进行光敏三极管位置的确定。计算信号幅度最大的三极管与90°位置的三极管之间的夹角，小车应该位于夹角内，可以接受较大幅度的信号，满足条件后向前运行；在障碍算法方面，依旧设为X 轴，光电开关放置在0°、45°、90°、135°、180°五个位置，输出TTL 电平，转换为二进制分量。如果传感器为高电平，则说明有障碍物被探测到。

目前来看，消防事业还在不断地完善中，且消防工作的范围也不断扩大，包括侦查、洪水、救援、通信等方面，这些都需要技术创新的支持。所以，消防机器人需要进一步向智能化、先进化的方向发展，且要增加移动式消防水炮、消防车载水炮，实现各个设施的联合作业，提升救援灭火的效率。

四、结语

综上所述，消防机器人在消防灭火和救援工作中发挥着十分重要的作用，所以要积极开展消防机器人的设计和研究工作。不仅要明确消防机器人的结构特点，还要做好硬件和软件上的设计，提升消防机器人的智能化水平，使其可以在更复杂的环境和条件下发挥作用。