摘 要:对消防机器人进行分析，其主要的工作场所就是火灾发生现场，甚至是存在二次爆炸可能的环境，危险性与复杂性十分明显。一旦发生火灾或者爆炸，现场的温度会升高且地面状况更加复杂，直接增加恶劣消防机器人行走的难度。消防机器人最基本的任务就是在发生火灾或爆炸以后，替代消防工作人员进入事故现场，开展侦查与灭火工作，尽快向指挥中心传送火灾现场状况。通过这类消防机器人避障控制系统的合理设计，能够有效地提高机器人在实践运用中的性能，从而更加出色地完成消防任务，有效地保障人们的生命财产安全。
关键词:电力隧道;消防机器人;避障控制系统
引 言：近年来，在科技水平不断提高的背景下，机器人得到了广泛应用，特别是消防机器人，在火灾救援中发挥着重要作用。为了解决电力隧道消防救援的难题，需要对消防机器人避障控制系统设计方法进行研究。采用当前机器人避障控制系统设计方法在电力隧道中对消防机器人进行控制时，存在响应性差和避障有效性差的问题。
1 消防机器人总体设计
1.1 消防机器人系统需求
一般情况下，消防机器人的行走方式以履带式移动系统为主，智能水炮则被当做灭火装置，同时配备无线摄像头和探照灯。在机器人后方设置手持控制器，并配置显示屏幕，能够参考摄像头所传回数据信息，完成行进任务，调整水炮开关与转向等。其中，探照灯的作用就是在暗黑状况下，不断优化摄像质量，而水炮和车体动作要求有电机的辅助。
1.2 消防机器人体系结构
消防机器人是可以将行为、感知、决策、规划和建模等模块结合起来的框架，可以在电力隧道中完成救援任务。电力隧道消防机器人实时避障控制系统设计方法将分层式体系结构作为消防机器人的基本骨架，按照功能将机器人实时避障控制系统划分为运动的控制层、任务的协调层、以及行为的规划和控制层。任务协调层在通信模块的基础上获取系统中的任务，基于消防机器人的环境信息和运动状态通过接收行为规划层请求任务对接收到的任务进行协调、综合和分解。采用无线通信单元将消防机器人的环境信息、运动状态和完成以上操作协调后的任务传递给远程监控端或用户端，并将任务信息通过ＲS232传输到系统的规划层。行为规划层对控制系统中的传感器进行融合处理，根据处理结果确定消防机器人的环境、位置信息，通过信息对消防机器人进行定位。规划消防机器人完成任务的行为模式，并将规划结果传送到任务协调层和控制行为控制层。行为控制层在控制系统中的较为重要，通过行为控制层完成消防机器人具体的工作。接收规划层传送过来的行为控制指令，控制系统中的底层运动。运动控制层能够将命令转化为模拟信号，驱动电机。对传感器信号进行预处理，完成消防机器人的速度控制和转向控制。
1.3 电源模块
电力隧道消防机器人实时避障控制系统的基础是电源部分，电源的稳定对整个电力隧道消防机器人实时避障控制系统具有重要作用。24V是电力隧道消防机器人实时避障控制系统的最高电压，直流电机驱动在控制系统中的供电为12V，控制系统AＲM内核电压为1.8V，外围供电为5V，I/O口和存储器的电压为3.3V。设计电力隧道消防机器人实时避障控制系统的电源模块时，分开对驱动板和控制板的供电，隔离控制电路对电机的干扰，电力隧道消防机器人实时避障控制系统的电源为24V的蓄电池。
1.4 激光雷达测距
激光雷达具有价格适中、精度高以及探测距离远的优点[1]。激光雷达采用时间测量方法对目标进行测距时，生成一束光脉冲发射到目标物体上，并返回来被光电器件接收，光电器件可以测量光脉冲发射与反射回来之间的传播时间。
1.5 伺服控制模块
运动控制模块与控制系统的主控制模块之间是连接的，电机可以将控制系统行为规划层中的指令变为每个执行机构中的行为。
1.6 电机驱动电路
通过直流力矩电机驱动消防机器人，消防机器人在移动的过程中需要不停的切换状态，需要对电力隧道消防机器人实时避障控制系统的直流电机进行调速控制，得到的控制结构为双向可逆的[2]。H型全桥式电路被广泛的应用在驱动直流电机中，电力隧道消防机器人实时避障控制系统设计方法选用A3952SB作为电机的驱动芯片。
2 消防机器人避障算法
借助人工势能场原理计算目标点和障碍物产生的吸引力和排斥力，通过栅格法对消防机器人收取到障碍物信息范围进行分割，将其分为多个视窗单元格。对每个单元格中的目标点和障碍物产生的吸引力和排斥力进行计算，得到消防机器人在电力隧道中受到的合力，根据合力对消防机器人进行控制，完成消防机器人的避障控制。消防机器人在充满势场力的场地中移动时，目标点生成的吸引力会对消防机器人进行影响，使消防机器人向目标点移动，同时阻碍物生成的排斥力会对消防机器人产生影响，使消防机器人向障碍物的反方向移动[3]。设xd代表的是目标点在电力隧道中的坐标;0代表的是电力隧道中的障碍物;x代表的是消防机器人在电力隧道中的坐标;Uart(x)代表的是消防机器人在x处的势场，Uart(x)的表达式为:
Uart(x)=Ud(x)+U0(x) (1)
式中，Ud(x)和U0(x)分别代表的是通过目标点和障碍物构成的势场。如果对重力的影响进行考虑，需要在公式(1)的基础上加上重力场Ug(x)，得到下式:
U(x)=Uart(x)+Ug(x) (2)
由势场力定义可知，势场函数的梯度函数可以用势场力进行表示:
Fd=－grad［Ud(x)］ (3)
F0=－grad［U0(x)］ (4)
式中，Fd代表的是目标点在电力隧道中对消防机器人的吸引力;F0代表的是障碍物在电力隧道中对消防机器人的排斥力。为了避免消防机器人与障碍物表面发生碰撞，障碍物构成的势场U0(x)需要接近无限大，通过f(x)=0对电力隧道中障碍物的边界方程进行定义，得到下式:
式中，W代表的是消防机器人的宽度;Fcr代表的是斥力的比例系数;d(i，j)代表的是消防机器人与单元格的距离;Ci，j代表的是单元格的水平值;x0，y0代表的是消防机器人在电力隧道中当前的位置;xi，yi代表的是障碍物在电力隧道单元格中的位置;n代表的是正整数。通过公式(8)可知，当消防机器人与电力隧道中障碍物之间的距离越小时，消防机器人受到的斥力越大;当消防机器人与电力隧道中障碍物之间的距离越大时，消防机器人受到的斥力越小，消防机器人在电力隧道势场中受到的斥力Fr计算公式为:
目标在任意时刻对消防机器人生成的吸引力Ft计算公式为:
Ft=Fct［x(xi－x0)+y(yi－y0)］/d （10）
式中，Fct代表的是引力的比例系数;dt代表的是消防机器人与目标点之间的距离。Ｒ代表的是消防机器人在隧道中受到的合力，通过合力对消防机器人进行控制，躲避电力隧道中存在的障碍物，完成消防机器人的避障控制，Ｒ的计算公式为
Ｒ=Fr+Ft （11）
结束语：
本文提出一种电力隧道消防机器人实时避障控制系统设计方法，实验结果表明，所提方法的响应性高、避障有效性好，解决了当前方法中存在的问题，为电力隧道的消防救援工作提供了保障。
参考文献：
[1]徐振亚,姜树海.森林消防机器人执行机构的设计与仿真[J].制造业自动化,2017,39(12):62-65+72.
[2]党海昌.消防机器人在我国灭火救援中的应用现状和前景分析[J].消防技术与产品信息,2016(03):69-71.
[3]王军华,李丁,刘盛鹏.基于改进RANSAC的消防机器人双目障碍检测[J].计算机工程与应用,2017,53(02):236-240.
[4]张楠,姜树海.消防机器人研究进展及其在森林消防中应用前景[J].世界林业研究,2015,28(02):42-47.
论文作者:徐云龙
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第06期
论文发表时间:2019/7/31
标签：机器人论文; 的是论文; 隧道论文; 控制系统论文; 电力论文; 障碍物论文; 斥力论文; 《当代电力文化》2019年第06期论文;