消防機(jī)器人課件

消防機(jī)器人小組成員：陳丹，于倩，武樂(lè)消防機(jī)器人的介紹

消防機(jī)器人作為特種消防設(shè)備可代替消防隊(duì)員接近火場(chǎng)實(shí)施有效的滅火救援、化學(xué)檢驗(yàn)和火場(chǎng)偵察。它的應(yīng)用將提高消防部隊(duì)撲滅特大惡性火災(zāi)的實(shí)戰(zhàn)能力，對(duì)減少?lài)?guó)家財(cái)產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡將產(chǎn)生重要的作用。消防機(jī)器人-背景介紹隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，建筑和企業(yè)生產(chǎn)的特殊性，導(dǎo)致化學(xué)危險(xiǎn)品和放射性物質(zhì)泄漏以及燃燒、爆炸、坍塌的事故隱患增加，事故發(fā)生的概率也相應(yīng)提高。一旦發(fā)生災(zāi)害事故，消防員面對(duì)高溫、黑暗、有毒和濃煙等危害環(huán)境時(shí)，若沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)備貿(mào)然沖進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，不僅不能完成任務(wù)，還會(huì)徒增人員傷亡，這方面公安消防部隊(duì)已歷經(jīng)諸多血的教訓(xùn)。尤其是當(dāng)新消防法出臺(tái)后，搶險(xiǎn)救援已成為公安消防部隊(duì)的法定任務(wù)，面對(duì)新時(shí)期面臨的新情況新任務(wù)，也為了更好地解決前述難題，消防機(jī)器人的配備顯得日益重要。消防機(jī)器人-發(fā)展歷史機(jī)器人自60年代初問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷40余年的發(fā)展，己取得長(zhǎng)足進(jìn)步，社會(huì)各行各業(yè)皆可見(jiàn)其身影。從1986年日本東京消防廳首次在滅火中采用了“彩虹5號(hào)”機(jī)器人后，消防機(jī)器人就逐漸在滅火救災(zāi)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，消防機(jī)器人技術(shù)也得到快速的發(fā)展。截至目前，消防機(jī)器人已經(jīng)穩(wěn)步向第三代高端智能機(jī)器人前進(jìn)。消防機(jī)器人-發(fā)展現(xiàn)狀

常言道水火無(wú)情，這其中道出了水火對(duì)人類(lèi)的威脅及人們對(duì)水火的無(wú)奈。提起火災(zāi)，人們會(huì)聯(lián)想起一起起悲劇。據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，僅1995年一年我國(guó)就發(fā)生火災(zāi)38000起，死亡2233人，受傷3770人，直接經(jīng)濟(jì)損失10.8億多元。1997年發(fā)生火災(zāi)14萬(wàn)余起，死亡2722人，傷4930人，造成財(cái)產(chǎn)損失15.4億元。多么觸目驚心的數(shù)字啊。面對(duì)無(wú)情的火災(zāi)，公安部上海消防研究所、上海交通大學(xué)、上海市消防局共同制定了研制消防機(jī)器人的計(jì)劃。經(jīng)過(guò)3年的研究，我國(guó)第一臺(tái)消防機(jī)器人已經(jīng)誕生。消防機(jī)器人可以行走、爬坡、跨障、噴射滅火，可以進(jìn)行火場(chǎng)偵察。消防機(jī)器人-優(yōu)缺點(diǎn)1、無(wú)生命損傷性。消防機(jī)器人作為一種無(wú)生命載體，在面臨高溫、有毒、缺氧和濃煙等各種危險(xiǎn)復(fù)雜的環(huán)境時(shí)，在人力所不及之處可充分發(fā)揮其作用，大大減少消防人員傷亡。2、可重復(fù)使用性。消防機(jī)器人作為一種特殊武器裝備，在細(xì)心維護(hù)保養(yǎng)的同時(shí)，可反復(fù)多次使用，發(fā)揮其效能。

3、人工智能性?，F(xiàn)代機(jī)器人是人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制、電力電子、模糊控制和機(jī)械工業(yè)等高端學(xué)科的結(jié)合體。1、維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜。由于消防機(jī)器人屬于高新技術(shù)的結(jié)合體，對(duì)操控、維護(hù)保養(yǎng)人員有一定的要求，專(zhuān)業(yè)方面要求有一定的知識(shí)。2、造價(jià)高昂。由于消防機(jī)器人屬于高等學(xué)科知識(shí)和各項(xiàng)先進(jìn)高新技術(shù)的集合體，研制時(shí)間較長(zhǎng)，研制經(jīng)費(fèi)較高，且生產(chǎn)數(shù)量并不多，造成價(jià)格普遍昂貴，不能大量配備消防部隊(duì)。消防機(jī)器人-分類(lèi)行走方式（1）輪式行走消防機(jī)器人

（2）履帶式行走消防機(jī)器人

（3）履帶輪式行走消防機(jī)器人等。主要功能（1）滅火機(jī)器人

（2）火場(chǎng)偵察機(jī)器人

（3）破拆機(jī)器人（4）危險(xiǎn)物品泄漏探測(cè)機(jī)器人

（5）救人機(jī)器人

（6）多功能消防機(jī)器人等?？刂品绞剑?）線控消防機(jī)器人

（2）無(wú)線遙控消防機(jī)器人

（3）自適應(yīng)消防機(jī)器人等。感覺(jué)功能（1）視覺(jué)消防機(jī)器人

（2）嗅覺(jué)消防機(jī)器人

（3）溫感消防機(jī)器人

（4）煙感消防機(jī)器人

（5）觸覺(jué)消防機(jī)器人等。智能化程度（1）程序化控制消防機(jī)器人

（2）有感覺(jué)功能計(jì)算機(jī)輔助控制消防機(jī)器人

（3）智能化消防機(jī)器人等。消防機(jī)器人–功能介紹移動(dòng)功能：操作人員通過(guò)遙控臺(tái)遠(yuǎn)距離控制消防機(jī)器人本體駛?cè)牖饒?chǎng)；消防功能：接近火源，噴射滅火劑滅火，進(jìn)行冷卻，稀釋?zhuān)逑?，隔離等消防、化學(xué)救援作業(yè)；探測(cè)功能：探測(cè)火場(chǎng)內(nèi)有毒及可燃?xì)怏w種類(lèi)、濃度及變化趨勢(shì)；探測(cè)火場(chǎng)內(nèi)輻射熱、風(fēng)速、風(fēng)向；防爆功能：本體在易燃、易爆環(huán)境中作業(yè)不會(huì)引起火災(zāi)和爆炸；冷卻功能：本體在高溫的惡劣環(huán)境中能保護(hù)自身的安全，正常工作；救護(hù)功能：呼喚火場(chǎng)內(nèi)部可能有的未撤離人員；觀察功能：安裝有兩個(gè)CCD攝像機(jī)，可以觀察火場(chǎng)和機(jī)器人本體情況；通訊功能：有圖像聲音數(shù)據(jù)傳輸功能，傳輸距離150米；預(yù)警功能：功能：根據(jù)探測(cè)結(jié)構(gòu)可以預(yù)報(bào)緊急情況發(fā)生，并有相應(yīng)應(yīng)急處理能力。消防機(jī)器人——系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

消防機(jī)器人系統(tǒng)主要由五部分組成：機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)，人機(jī)接口（機(jī)器人控制臺(tái)），控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視系統(tǒng)（立體場(chǎng)景顯示）和上、下位機(jī)通訊系統(tǒng)。操作員通過(guò)監(jiān)視器和立體場(chǎng)景顯示了解機(jī)器人的姿態(tài)和有關(guān)環(huán)境信息，操縱操作桿控制機(jī)器人的速度和轉(zhuǎn)向角速度，通過(guò)鍵盤(pán)或控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行功能切換，通過(guò)串行通訊將上位機(jī)的控制指令發(fā)給下位機(jī)，下位機(jī)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制機(jī)器人。

消防機(jī)器人的后方控制臺(tái)以及供電、泡沫消防車(chē)等構(gòu)成了消防機(jī)器人的后方控制和供應(yīng)系統(tǒng)，另一部分以消防機(jī)器人的車(chē)體為主體，集行走、化學(xué)偵檢、溫度和輻射熱探測(cè)、火情偵察、火情偵察、滅火、正壓防爆等主要功能與一身。車(chē)體運(yùn)動(dòng)所需電力控制、偵檢、視頻等信號(hào)均通過(guò)電纜傳輸，消防炮的供水或泡沫液通過(guò)水帶輸送，對(duì)消防機(jī)器人的控制通過(guò)對(duì)后方控制臺(tái)的操作完成，操作人員根據(jù)對(duì)車(chē)體運(yùn)行姿態(tài)，炮的噴射點(diǎn)直接觀察以及后方控制臺(tái)顯示的從前方送回的溫度、輻射熱、前后擺臂狀態(tài)、火場(chǎng)場(chǎng)景及化學(xué)偵察結(jié)果等通過(guò)人際操作界面對(duì)車(chē)體發(fā)出相關(guān)的控制指令。車(chē)體所攜帶的控制系統(tǒng)一方面根據(jù)從后方控制臺(tái)發(fā)來(lái)的指令對(duì)相應(yīng)的設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)，另一方面負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)采集的各項(xiàng)參數(shù)，信號(hào)傳送給后方控制臺(tái)，以幫助操作人員進(jìn)行科學(xué)合理的決策。消防機(jī)器人--系統(tǒng)工作原理消防機(jī)器人——控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

消防機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，分別以ICP（工控機(jī)）和PLC（可編程序控制器）為控制核心。

上位機(jī)負(fù)責(zé)采樣操縱桿的模擬信號(hào)和控制臺(tái)控制按鈕的狀態(tài)信息。操縱桿有兩個(gè)正交的電位器，分別用來(lái)測(cè)量X,Y方向上的電壓信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)轉(zhuǎn)接板DI（數(shù)字信號(hào)輸入）板傳給上位機(jī)。上位機(jī)讀取該數(shù)字信號(hào)，并由此計(jì)算機(jī)器人左右驅(qū)動(dòng)輪的行駛速度，通過(guò)串行通訊將它傳送到下位機(jī)控制器的頻率設(shè)定選擇輸入點(diǎn)來(lái)控制移動(dòng)載體的行駛速度。左、右輪的速度控制參數(shù)由下述公式計(jì)算：V左=(J橫向+J縱向）/2V右=(J橫向+J縱向）/2J為操縱桿電位器電勢(shì)測(cè)量值。V為左右驅(qū)動(dòng)輪的速度，符合為正表示正轉(zhuǎn)，為負(fù)表示反轉(zhuǎn)。通過(guò)左右驅(qū)動(dòng)輪的正反轉(zhuǎn)和不同的速度檔控制移動(dòng)載體的前進(jìn)、后退和左右轉(zhuǎn)向?？刂婆_(tái)操作面板主要是控制四個(gè)擺臂、水炮的運(yùn)動(dòng)、CCD的調(diào)焦和變焦、噴霧、正壓以及探測(cè)。

下位機(jī)主要由S7-CPU214、三個(gè)數(shù)字量輸出模塊EM222、一個(gè)模擬量輸入模塊EM231（輸入點(diǎn)數(shù)為3，模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間為25us），2個(gè)變頻器、探測(cè)傳感器，采樣控制模塊以及電源系統(tǒng)等組成。CPU214作為下位機(jī)的控制核心，主要是存儲(chǔ)和運(yùn)行控制程序、與上位機(jī)以及擴(kuò)展模塊之間的通訊和控制左右驅(qū)動(dòng)輪的速度。我們將變頻器的參數(shù)設(shè)定為最大速度模式，具有制動(dòng)啟動(dòng)和停車(chē)功能，防止在斜面上行進(jìn)時(shí)出現(xiàn)失控現(xiàn)象和頻繁急啟、停車(chē)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)造成損壞。利用上位機(jī)發(fā)送的速度信號(hào)控制變頻器的頻率設(shè)定選擇實(shí)現(xiàn)移動(dòng)載體的速度控制。DLKG模塊為多輸入三輸出模塊，由采樣控制模塊來(lái)控制選通傳感器輸入。因?yàn)镋M231只具有3路A/D轉(zhuǎn)換，而需要采樣的傳感器信號(hào)有16路，因此要對(duì)這16路信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采樣。上，下位機(jī)的信息通過(guò)串行通訊來(lái)進(jìn)行通訊。上位機(jī)的通訊口為ICP的COM1口，通訊協(xié)議為RS232通訊，器通訊距離較短，而消防機(jī)器人的遙控距離最遠(yuǎn)為150米，另外，PLC的通訊協(xié)議采用的是RS485通訊，為此選用RS232/PPI轉(zhuǎn)換模塊，采用PPI通訊方式。上位控制系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)圖線程1主要監(jiān)測(cè)機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中的姿態(tài)，前后四個(gè)擺臂的擺角，車(chē)體的側(cè)傾角和俯仰角，以及速度和傳感器檢測(cè)的結(jié)果，線程2的控制臺(tái)監(jiān)測(cè)主要檢測(cè)控制臺(tái)操縱桿和各控制按鈕的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，線程3負(fù)責(zé)上位機(jī)的通信，將上位機(jī)的控制參數(shù)向下發(fā)送到下位機(jī)和接收下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù)，并