探究消防灭火机器人及配套装备技术

陈杰

（江苏省盐城市射阳县消防救援大队，江苏 盐城 224313）

面对日益复杂化、多样化的火灾事故，单纯依靠人力开展消防救援工作需现场调配大量人员、装备等，难以达到高效处置火灾险情的目标，同时也将给救援人员带来了较大的生命安全威胁。采用消防灭火机器人作业，代替人员进入高温、爆炸、有毒等危害环境中完成灭火任务的同时，能够加强事故现场数据采集和反馈，辅助指挥员制定科学灭火救援决策，最大限度降低火灾带来的损失。因此，应加强消防灭火机器人研究，推动消防装备向着精细、智能等方向发展，充分发挥现代消防装备优势，为人民生命财产安全提供有力的保障。

1 消防灭火机器人研究

1.1 设计要求

消防灭火机器人应兼具监测和灭火功能，可以沿着既定路径运动，到达指定位置灭火，也可以根据指令实时修正运动路径，灵活开展灭火工作。作为由传感器、执行器和控制器等组成的特种消防装备，灭火机器人在火灾发生后应做出快速反应，能够根据周围环境判断是否存在火源，并根据具体情况做出自动喷水、启动消火栓等处置，避免火势迅速蔓延，确保可以有效应对火灾现场的突发事件。在监测到火灾后，机器人应将报警信号传至消防控制中心，并发出警告声，提醒周围人员撤离。此外，灭火机器人应适用于高温的工作环境，具有防水、防辐射、远程遥控、行走爬坡等功能，可以通过控制消防水炮姿态等方式精确灭火和清障，降低消防救援难度，保护消防人员安全。

1.2 结构分析

从灭火机器人基本结构来看，多由机器人本体、摄像机、传感器、遥控终端、灭火装置等构成，通过搭载高精度定位装置、激光雷达、火源探测器等采集和传输位置、火源等数据信息，并利用无线模块、数传模块等实现数据远程传输，代替消防人员进入现场搜集信息和开展灭火救援工作。灭火机器人本体作为各种装备的主要载体，由行走驱动机构、控制机构等构成。

1.2.1 行走机构

由于消防场地较为复杂，目前，主流灭火机器人均采用双履带驱动机构，如图1所示，机器人履带为特制的阻燃橡胶，强度和韧度较高，内部采用钢骨架和多层帘布。机器人在火灾现场行走和灭火，不仅将遭遇复杂路面，同时也将承受消防水炮等装备工作产生的大后坐力，容易发生行走不稳的情况。因此，在行走机构设计上，多采用悬挂系统减震，由承重轮、弹簧减震装置、驱动轮、导向轮、张紧轮等多个部件构成。承重轮沿着履带轮廓保持均匀分布，为主要承重结构。各承重轮均安装独立弹簧悬挂缓冲行走产生的载荷波动，确保机器人获得较强的机动性，维持较快的移动速度，增强机器人的环境适应性。导向轮前沿超出主体不稳，避免机器人行走过程中主体受到直接撞击。驱动轮依靠电机驱动，并使用减速装置带动履带传动系统，在机器人即将发生碰撞时能够减速。张紧轮连接位置安装弹簧，确保机器人行走过程中履带保持一定的张紧度。

图1 消防灭火机器人

1.2.2 控制机构

灭火机器人控制机构用于实现本体运动控制的同时，需要实现水炮等消防装备姿态控制。根据灭火机器人的设计需求可知，需通过环境分析生成最佳消防路径，确保机器人尽快到达火灾现场。因此，机器人需选用高性能控制器，多采用嵌入式工控机，生成多路PWM脉冲信号，实现机器人驱动电机控制，并采用CAN总线实现水炮转台控制。在控制机器人行走过程中，控制机构通过天线和GPS装置构成RTK定位系统，获取当前位置和航向信息，然后通过激光雷达采集周围障碍物信息。通过搭载火源探测、温湿度传感器、气体传感器、摄像头等装置，灭火机器人能够识别火源和判断周围是否存在危险性气体。控制器单片机通过读取相关数据，可以在第一时间发现火情，完成火源定位和最佳灭火路线计算，在机器人到达指定位置后，评估周围障碍物分布情况，生成灭火装置姿态调整指令，做到对准火源自动开展灭火作业。

2 消防灭火机器人配套装备技术

2.1 导航装备

从配套装备技术运用来看，首先，应加强灭火机器人自主导航装置的开发，确保机器人可以自主寻找火源。根据相关技术指标要求可知，消防机器人火源寻找成功率应达到90%以上，定向误差应不超过5°，导航定位误差不超过40cm。现阶段，消防机器人导航方式包括固定导航、激光导航、惯性导航、视觉导航等。采用固定导航装备，包括坐标导航、磁导航等，使机器人沿着固定路径运动，影响了机器人的机动性。激光导航是在机器人定位火源后，通过点射方式发射雷达激光，遇到障碍物反弹后，根据激光反射时间确定机器人与障碍物间的距离。通过多次测量修正导航地图，实时更新机器人位置，能够实现精准定位，但无法用于场所反射率较高的环境。惯性导航使用陀螺仪等设备获取机器人三轴角速度和加速度，换算为坐标和方向，与规定路线比较，完成速度值和设定值矢量差计算，从而纠正机器人航向。但长时间使用后，陀螺仪会产生积累误差，影响导航定位的精准性。采用视觉导航装备，能够根据机器人实时采集的影像进行火源定位，根据图像角度预留导向标记，与现有位置不断比较引导机器人行走，直至到达火源附近，灵活性较高，但定位精度不高。在新型智能消防灭火机器人研发中，为了获得较高定位精度和灵活性，通常采用融合导航技术，使视觉导航、激光导航等装备相互配合，有效减少导航建图累计误差，并通过RTK定位系统实现高精度定位。将激光雷达、视觉导航观测数据加入分布函数，采用粒子滤波器算法实现全局地图更新和修正，能够分析得到最优局部路径和全局路径，确保机器人迅速到达导航目标点。

2.2 探测装备

消防灭火机器人在开展灭火作业前，需通过探测装置完成火源精准探测，在精准判断火情的基础上自动选择适合的灭火方法。为加强火场环境监测，需在机器人前后护罩位置安装广角摄像机，自动探测环境光强度。判断强度足够，摄像机启动标准模式，关闭红外线灯，拍摄彩色画面。判断光强度不足，开启夜视模式，使用红外线灯拍摄黑白画面。在消防水炮上方，通常搭载复合火源探测器，配备红外热成像、可见光和红外光摄像头，采用加权平均值法、阈值分割法等方法完成红外观和可见光图像识别后，完成同区域温度值分析处理，根据热成像温度特征识别火源。在火源探测的过程中，机器人将控制水炮来回摇摆，使安装在其上的摄像机转动完成180°范围内的图像拍摄。在探测到图像中存在火源后，机器人将发出报警，同时生成火源区域平均温度、像素点面积、中心位置等信息，回传给消防指挥中心，辅助人员制定科学灭火决策，合理操控机器人进行现场灭火作业。在机器人前护罩中间位置，多配备避障传感器，能对2m范围内障碍物进行检测，确保机器人做好停止准备，以免与障碍物发生碰撞。此外，火灾现场火情变化迅速，灭火机器人需配备温度传感器精准监测周围环境温度变化，判断是否可以继续执行灭火任务。传感器可在-25～125℃范围内工作，检测精度达到0.1℃。

2.3 灭火装备

从灭火机器人配备的灭火装备来看，多选用移动消防水炮和水幕喷淋装置。水炮作为主要灭火装置，将根据机器人类型选择不同型号。通常灭火机器人配备120°消防水炮，能在0～70°灵活切换角度，并根据灭火需要调节流量大小。在水炮关节位置，安装射流电机、水柱电机和水雾电机，做到连续调节射流状态。通过配备上、下电机，能够在垂直方向上完成水炮俯仰角调节，并利用左、右电机在水平方向调节水炮喷射方向。独立灭火机器人无须外接供水带，可以通过自带灭火剂灭火，同时也可以连接DN40以下水带或3～4L/s水枪灭火，保持较高的机动作业能力。而消防炮流量通常在20～40L/s，需要使用DN80水带公式，有效扑灭中小型火灾。此外，消防灭火机器人进入火灾现场后，周围环境温度迅速上升将给机器人正常运行带来不利影响，因此，需配备水幕喷淋装置完成周围环境降温。该装置由底座、主轴、流量调节手轮和温流装置构成，多使用双层水幕喷洒方式，一级维持固定喷射角度，二级可调节水幕角度。水源压进喷头过程中，需经历一级和二级喷洒口，为防止出现压力损失，在轴心安装稳流装置固定主轴，防止水流旋转。水流进入二级喷雾时，可通过首轮调节旋转流量，细化水颗粒，取得理想的喷雾降温效果（如图2）。

图2 水幕喷淋装置

3 结语

研究消防灭火机器人，应确认机器人可以实现火源自主探测和定位的基础上，可以移动至火灾现场利用配套灭火装置开展灭火作业。在明确机器人设计要求的基础上，完成由行走机构和控制机构构成的消防灭火机器人设计，并通过配备导航、灭火等装备为消防灭火机器人配备有效消防器材，高效配合消防人员开展灭火救援活动，从而实现人与装备的完美结合，降低灭火作战难度，确保顺利完成救援任务。