（天津工业大学 电气工程与自动化学院 天津 300387）
摘要：针对地下电力隧道设计研发的智能一体化巡检与消防处置方案研发了一种多功能有轨沟道自动巡视与消防处置机器人系统。该系统以轨道机器人为核心，同时结合专业的远程监控平台、数据服务器以及相关附件，可以实现对电力隧道环境与设备的不间断的全线巡视消防处置作业。
关键词：机器人；消防；硬件；软件
1.引言
从20世纪70年代到20世纪80年代初期，工业机器人变为产品，到现在很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人，其应用领域也在不断拓宽[1-3]。近几十年来，大量高层、地下建筑与大型石化企业不断涌现，使得发生火灾时，不能快速高效的实施灭火[4]。为了解决这一问题，许多消防机器人应运而生。
从二十世纪八十年代开始，从美国、苏联到后面的日本、英国、法国等国家都开始了对消防机器人的研究，目前已有多种不同类型的消防机器人用于各种火灾场合[5-7]。本文针对地下电力隧道因空间狭长，出入口有限，且高压线缆密集，不易进行灭火的情况，提出了一种多功能有轨沟道自动巡视与消防处置机器人，可实现对电力隧道环境与设备的不间断的全线巡视消防处置作业。
.机器人系统设计
轨道机器人采用轨道移动方式，由轨道直接供电并通过载波技术进行数据通讯，其搭载高清摄像机及红外热成像仪，实现隧道实时监控与红外热成像智能诊断。同时配备以有害气体、烟雾、光照度、温湿度等传感器以及测距定位装置和语音对讲系统，具有5米升降平台可逐层进行电缆观测与消防处置，使用户实时掌控隧道内环境与各电缆信息，并通过远程监控平台实现对前端巡检机器人的控制，数据接入、存储、统计、隧道内定位，结合三维影像系统实现可视化立体的隧道作业展示。
3.控制系统设计及方案
本机器人控制系统采用ATMEGA128单片机作为主控制器，用ST178型光电对管进行避障，TTS型热释电非接触式温度传感器作为本系统的火焰传感器，L298作为直流电机的驱动芯片的设计方案。
3.1 整体方案设计
本系统主要由控制器模块、电源模块、直流电机及其驱动模块、避障传感器模块、避障模块、火焰传感器、灭火系统及其驱动模块等模块构成。
图1系统方框图
3.2硬件总体设计方案
硬件总体设计方案如下：采用Atmega128单片机作为主控制器；用ST178型光电对管进行避障；热释电红外测温传感器作为本系统的火焰传感器；L298作为直流电机的驱动芯片；使用蜂鸣器进行灭火报警。
4.硬件单元电路设计
以AT89S52为主控制器，设计相关的硬件电路。主要硬件电路有：寻线与控制电路、电机驱动模块、火焰检测电路、灭火风扇驱动电路以及声音报警电路。
4.1 电源电路
ATMEGA128需要4.5 - 5.5V直流电压、150mA的峰值电流，在考虑到其它外围芯片的供
电电压和功耗，最终选择LM2940芯片提供5V供电。
4.2微控制器模块的设计
微控制器主要包括复位电路、晶振电路、低通滤波器电路以及各种滤波电容。
4.3 电机驱动电路的设计
用L298芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良，从稳定性方面考虑，采用电机驱动芯片L298作为电机驱动。
4.4 巡视电路的设计
寻线的原理：若机器人在运动时，机器人中轴线位于地面引导线上，位置状态=010，使机器人前进；若机器人中轴线位于地面引导线的左侧，位置状态=100，使机器人右转；若机器人中轴线位于地面引导线的右侧，位置状态=001，使机器人左转。
4.5 火焰检测电路的设计
TTS1000和TTS2000系列热释电体两面的电极之间连接高阻抗负荷，为了将温度变化引起的表面电荷量的变化转换为输出电压的变化，内部装场效应晶体管，同时加上阻抗匹配的电路。
4.6 声音报警与灭火
4.6.1 灭火驱动电路
如图2，其中Port1，Port2分别接到单片机的P0.5、P0.6接口上。单片机输出Port1，Port2控制信号用以驱动灭火电机动作。由于选用的是增强型MOS管，所以，当Port信号为高时，MOS管在VGS下开始工作，MOS导通，电磁阀开始动作，进行灭火；当Port信号为低时，由于增强型MOS管特点，VGS=0时，iD=0。此时，MOS截止，风扇不动作。
图2 灭火驱动电路
4.6.2 声音报警电路
图3 声音报警电路
控制信号为“SPEAK”，接至单片机的I/O口的P1.6脚。当“SPEAK”为高电平时，三极管基级为高电平，此时，三极管处于截止状态，蜂鸣器不工作；当“SPEAK”为低电平时，三极管处于放大工作状态，驱动蜂鸣器，开始发声，蜂鸣器工作。
5.软件实现
5.1主巡视程序流程
用左手法则搜索整个房间，可以容易地检测到房间各个角落，避免出现检测盲区。在机器人行进过程中检测火焰，一旦发现火焰则切换到趋光程序，计算火焰位置，准确定位并启动灭火器控制电磁阀灭火，灭火后检测火焰是否被扑灭，确定火焰被扑灭后计数并回到发现
火焰的位置继续搜索房间，直至扑灭有火焰后启动回家程序，回到原始位置。
5.2 灭火程序流程
当机器人检测到火焰时，由于有障碍物的存在，需要对不同坐标上的火焰分别进行判断。由于设计中使用一个风扇，安装在机器人的正前方，没有使用舵机的方案，风扇只能朝前方吹风。为了提高灭火的准确度，我们要让机器人正面对准火焰，否则，可能会出现长时间灭不了火的现象。对火时让机器人走到火焰附近，判断左右两边火焰强度，左边火焰强，左转一点，右边火焰强，右转一点，每对一次火，前进一点。
6.结论
本文分别从硬件及软件设计方面介绍了一种自动巡视与消防处置的机器人系统，该系统能够高效快速的完成对电力隧道环境与设备的不间断的全线巡视消防处置作业。目前，消防机器人的功能虽然还不够多样化，但是随着人工智能的不断发展，相信在不久的将来消防机器人会在危险区域完全代替消防员，避免消防员生命伤亡。
参考文献
[1]孙英飞，罗爱华.我国工业机器人发展研究[J].科学技术与工程,2012,12(12).
[2]董晓坡，王绪本.救援机器人的发展及其在灾害救援工作中的应用[J].防灾减灾工程学报，2007,27(1).
论文作者:杨蕊
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/4
标签：机器人论文; 火焰论文; 电路论文; 隧道论文; 模块论文; 传感器论文; 蜂鸣器论文; 《电力设备》2017年第14期论文;