防爆型消防偵察機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用

摘

要：當(dāng)前每年火災(zāi)、化學(xué)品等物質(zhì)的泄漏、燃燒、爆炸等事故，給人民群眾的生命安全和財產(chǎn)造成了巨大損失。針對常規(guī)室內(nèi)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人無法進(jìn)入高危災(zāi)害場所偵察現(xiàn)場的情況，設(shè)計了一種可替代工作人員進(jìn)入復(fù)雜惡劣環(huán)境，并可對高危事故現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)實時偵察的防爆型消防偵察機(jī)器人，并對機(jī)器人進(jìn)行了綜合試驗和典型應(yīng)用場景驗證，證明了防爆型消防偵察機(jī)器人的有效性。關(guān)鍵詞：特種機(jī)器人；消防偵察；履帶式移動平臺

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防爆型消防偵察機(jī)器人研發(fā)背景在發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故后，消防人員在高危事故現(xiàn)場的救援和勘察過程中存在很多困難。比如，在面臨易燃易爆氣體、有毒有害氣體、高溫濃煙等災(zāi)害情況時，由于缺少有效裝備及設(shè)施，救援人員若貿(mào)然采取行動必將給消防人員帶來很大危險。消防人員雖然可著防護(hù)設(shè)備進(jìn)入火場，但需攜帶諸多探測設(shè)備進(jìn)行火場參數(shù)測量，給消防員造成沉重的體力負(fù)擔(dān)，甚至?xí)璧K消防人員在爆炸等緊急情況的逃生。目前國內(nèi)偵察機(jī)器人主要針對室內(nèi)結(jié)構(gòu)性環(huán)境而設(shè)計，普通的輪式機(jī)器人無法適用于復(fù)雜的地面環(huán)境；常規(guī)的機(jī)器人因自身防護(hù)性能不足，極易在充滿易燃易爆氣體的場所點燃危險源，從而發(fā)生二次災(zāi)害。

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防爆型消防偵察機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計與組成針對上述需求，本文設(shè)計了適用于高危事故現(xiàn)場的防爆型消防偵察機(jī)器人，其機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該偵察機(jī)器人主要包括：履帶式移動底盤（本體、懸掛系統(tǒng)）、偵察組件（回轉(zhuǎn)云臺、攝像系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、環(huán)境探測傳感器組）、無線通信組件、避障測距組件、運動驅(qū)動組件。電氣方面，該消防偵察機(jī)器人包括控制模塊、運動驅(qū)動模塊、參數(shù)采集模塊、避障導(dǎo)航模塊、通信模塊、電源管理模塊以及故障診斷模塊，電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。偵察機(jī)器人通過無線通信模塊與地面控制站進(jìn)行實時通信并將機(jī)器人自身狀態(tài)參數(shù)、采集的環(huán)境參數(shù)信息實時回傳顯示，另外操縱人員還可通過地面控制站實時控制指揮機(jī)器人偵察作業(yè)。3

防爆型消防偵察機(jī)器人核心關(guān)鍵技術(shù)研究為使偵察機(jī)器人適用于復(fù)雜的惡劣環(huán)境中，機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)如下：防爆等級為Exd（ib）Ⅱb+H2T6Gb，防水等級為IP67，整機(jī)重量≤500kg，運行速度≥1.5m/s，爬坡角度≥40°（可爬樓梯），攀爬臺階高度≥280mm，續(xù)航能力≥4h。針對上述指標(biāo)，本文對偵察機(jī)器人的動力學(xué)性能以及控制技術(shù)進(jìn)行了研究。3.1

研究機(jī)器人動力學(xué)優(yōu)化技術(shù)，提高移動平臺爬坡越障性能本文建立了復(fù)雜地面環(huán)境下防爆型消防偵察機(jī)器人的動力學(xué)模型，對消防偵察機(jī)器人的各類組件開展理論、受力仿真等研究，論證防爆型消防偵察機(jī)器人尤其是運動機(jī)械組件的結(jié)構(gòu)、位置等合理性，為消防偵察機(jī)器人在復(fù)雜地面環(huán)境下實現(xiàn)高性能爬坡越障提供機(jī)械組件力學(xué)的理論和設(shè)計依據(jù)。通過建立復(fù)雜地面環(huán)境下防爆型消防偵察機(jī)器人的動力學(xué)模型的運動學(xué)模型，對消防偵察機(jī)器人的各類運動模式（如直行、轉(zhuǎn)彎等）開展理論、仿真研究，研究驅(qū)動組件和外部行走部件與地面交互作用等之間的作用力，為機(jī)器人在復(fù)雜地面環(huán)境下的高性能爬坡越障提供依據(jù)，也為目標(biāo)驅(qū)動型防爆型消防偵察機(jī)器人算法研究提供平臺基礎(chǔ)。3.2

研究機(jī)器人自抗擾控制算法，提高機(jī)器人控制抗擾性能和控制精度本文開展了基于目標(biāo)驅(qū)動原則的控制算法研究，引入反饋機(jī)制，偵察機(jī)器人中的控制器首先進(jìn)行地圖構(gòu)建，并確定機(jī)器人行走路線和目標(biāo)點坐標(biāo)位置；在該過程中，控制器實時通過避障及測距模塊等實現(xiàn)多傳感器融合并提取相關(guān)信息，將處理后的有效數(shù)據(jù)與慣性導(dǎo)航模塊融合，實現(xiàn)對消防偵察機(jī)器人的驅(qū)動，降低機(jī)器人對控制器實時驅(qū)動策略的依賴性。在目標(biāo)驅(qū)動策略下，控制器通過自抗擾控制算法實現(xiàn)對左右兩個伺服驅(qū)動器的控制，將外部由于復(fù)雜地形變化導(dǎo)致的驅(qū)動器負(fù)載變化所引起的速度或位置擾動視為外繞進(jìn)行實時補(bǔ)償控制，提高了消防偵察機(jī)器人目標(biāo)驅(qū)動算法的抗干擾性、高效性和運動精準(zhǔn)性，使消防偵察機(jī)器人不僅適用于復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)地面環(huán)境，更適合需要對機(jī)器人位置或速度進(jìn)行精準(zhǔn)控制的場合。

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防爆型消防偵察機(jī)器人樣機(jī)試驗驗證偵察機(jī)器人設(shè)計主要經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計、各模塊研制和調(diào)試、算法研究，后經(jīng)過系統(tǒng)聯(lián)調(diào)形成機(jī)器人試驗樣機(jī)。目前，機(jī)器人工作狀態(tài)和性能指標(biāo)良好，已被部署于煙臺、威海消防中隊、萬華化學(xué)品廠等單位。防爆型消防偵察機(jī)器人實物圖如圖3所示。5

結(jié)語本文設(shè)計了一種適用于易燃易爆等高危場所的防爆型消防偵察機(jī)器人，可代替消防人員進(jìn)入高危災(zāi)害現(xiàn)場，并對機(jī)器人的高性能爬坡