北方工业大学控制工程专业在读研究生 北京 100144
摘要:面对日益严峻的消防安全问题，本文根据实际应用的需求，设计出一种基于 STM32F103 单片机的监控、数据采集、消防等多功能于一体的智能消防机器人。完成了消防机器人的机械结构、控制系统硬件和软件设计，智能消防机器人已经设计完成，经测试得出机器人功能多、智能化强、实用性强、运行稳定等特点。
关键词:红外视觉；STM32F103；智能消防机器人；控制系统；
Abstract:In the face of increasingly severe fire safety issues, this paper designs an intelligent fire-fighting robot based on STM32F103 single-chip monitoring, data acquisition, fire protection and other functions in accordance with the needs of practical applications. The mechanical structure, control system hardware and software design of the fire-fighting robot have been completed. The intelligent fire-fighting robot has been designed and completed. After testing, the robot has many functions, strong intelligence, strong practicability and stable operation.
Key words: infrared vision; STM32F103; intelligent fire fighting robot; control system;
0 引言
消防和人员救援仍然是当今消防领域的问题， 随着先进工业技术和自动化技术的发展，智能消防机器人应运而生。面对易燃，易爆，有毒气体等高风险条件，很容易造成消防人员的无谓伤亡。 因此，消防机器人的出现对于消防工作的顺利开展具有重要而深远意义，可以提高灭火效率，解救被困人员。消防机器人能够代替消防员进入浓烟、高温、缺氧等不明的高危险性灭火救援现场完成监测排查、排烟降温、灭火控制等任务，在保护消防员安全的同时提高了消防部队灭火救援效率。
1 系统概述
本文根据实际应用的需求，设计出一种基于红外视觉，实现高温异常点自主定位和消防的智能消防机器人。机器人基于STM32F103 芯片作为主控芯片来实现多任务处理的功能。机器人具备温度、气体和激光测距等火场各项相关数据采集，控制传输采用最新的433MHz 数字通信模块并且在炮壁位置安装了热成像模块进行视频显示传输。
消防机器人由消防装置、多种传感器检测模块、运动系统和通讯系统组成，其工作原理如图 1 所示。
图 1 消防机器人工作原理图
2 机械装置结构设计
根据实际应用的需求，消防机器人的转动机械结构考虑到高效实用，设计采用由云台加俯仰的炮壁组成，即两轴的机械结构足以满足需求；另热成像模块则放在炮壁口，在巡逻侦查的同时能实时观察到现场的状况；消防装置则采用超细干粉灭火器，超细干粉颗粒比普通干粉细，是一种无毒、无害，对人体皮肤无刺激，对保护物无腐蚀，是普通干粉灭火效率的6-10倍。
3 控制系统硬件设计
本产品的硬件控制系统主要由上位机和下位机两部分构成，上位机为以Windows操作系统为平台的机载笔记本电脑，而下位机则使用STM32F103为核心芯片的主控板来完成。 上位机读取红外视频图像，并由上位机进行图像处理来识别出火源点，即得出火源的实时坐标。经 A/D 转换后通过数传模块传送到下位机的主控制器中。
上位机控制台除控制炮壁上仰、下俯、左右摆动还有控制显示等。
下位机主要由stm32f103主控板、图传模块及气体、温度、激光测距等传感模块组成。首先读出目标的异常高温点坐标信号，计算出舵机的控制量并将PWM信号输出到电机驱动器，控制云台和炮壁的转动等。各个模块的数据通过串口读入下位机主控制器，然后通过数字传输模块发送到上位机，由上位机显示屏显示。
下位机实现云台、炮壁转动和消防装置控制功能。
为了避免炮体的过度转动对机械装置造成意外损坏，为云台转动限定转动阈值，炮体的转动则限定上下转动阈值，同时设置了云台的自摆功能，开启时炮口将在一定的范围内自动左右摆动，提升机器人的消防能力。
4 控制系统软件设计
4.1 控制系统工作流程
由于STM32F103最高72MHz工作频率，集成了单周期乘法和硬件除法功能，极大的提升了计算能力，使系统运行高效，同时它还支持数据传输和程序执行并行处理，数据传输速率非常快，完全符合实际工作需求。对控制板的编程在 Keil 环境下完成，使用 C语言编写控制程序。
上位机控制程序流程如图3所示。系统上电后，首先对系统和通信模块进行初始化，然后开始主循环，一旦发现消防异常，控制信号将经过数模转换后发送到数传模块并传送到下位机；并且通过数传模块主控板读取由下位机各个传感器检测得到的数据并发送至上位机显示屏上。
图 2上位机程序流程图
机器上电时，下位机先进行系统和通信模块的初始化，然后读取每个传感器中的数据并将其存储在寄存器中，并通过无线数据传输将寄存器中的数据周期性地发送到上位机的显示屏。 上位机发现消防异常，并向下位机发送控制信号，计算出云台电机和炮体电机的实际控制量，并将控制信号模拟成相应的PWM波控制信号，一旦达到左右转动最大阈值，则停止左或右旋转，然后通过串行端口发送每个部件的命令。
4.2 图像处理
由于热成像的图像为二维彩色图像，所以，对图像进行红、黄颜色区域（高温区）识别即可找出高温区，即火源区或阴燃区。
5 实际测试与仿真结果
目前，智能消防机器人已经研制完毕，其实物图如下图 4 所示。如下对消防机器人进行实际性功能试用与分析：
(1)转动装置测试：炮壁以每秒30°的角速度转动扫描，并能够在发现异常后及时报警，并迅速对高温异常区域进行定位并启动消防装置喷射干粉进行灭火。同时炮壁以限位30°的进行左右自摆，直至异常排出后报警解除，机器人复位，满足实际应用的要求。
(2)图像仿真：如图 6 根据 opencv仿真出火灾现场热成像图像画面，屏幕显示图像准确识别出高温异常点，准确快速，达到设计要求；
(3)喷射检测：超细干粉灭火器足以对5m范围内进行有效的灭火。
图 4 图像仿真结果图
6 结论
本文基于热成像视觉的应用，设计出一种智能消防机器人，通过现场大量的测试工作，本产品完全达到设计的目标和要求，实用，高效，成本低廉，该消防机器人的成功研制，能够有效的协同甚至代替消防员冲在火场第一线进行的大部分消防工作，对消防安全事业具有重要的实际意义。目前，机器人运行高效，稳定性高，可以大面积的进行推广使用。
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论文作者:万耀
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/20
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