作者：黃飛揚(yáng) 郝萌研 夏雅雯 周富城

單位：江漢大學(xué)

指導(dǎo)老師：侍中樓 秦工

一、作品簡(jiǎn)介

1. 概述

1.1作品簡(jiǎn)介

? ? ? ?智能消防機(jī)器人基于全向移動(dòng)底盤、多連桿機(jī)構(gòu)、視覺(jué)識(shí)別、液壓傳動(dòng)等方式，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢，自動(dòng)識(shí)別火源，自動(dòng)滅火等功能。通過(guò)對(duì)2022年國(guó)際青年人工智能大賽探索者創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目主題：智能制造場(chǎng)景中的其他裝置的思考，并結(jié)合場(chǎng)景調(diào)研與考察，我們發(fā)現(xiàn)目前市面上的消防設(shè)備不能很好的滿足智能制造工廠的需求，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了這款智能消防車，用以提高智能制造工廠的消防安全。

? ? ? 本作品主要由識(shí)別單元，運(yùn)動(dòng)單元，滅火單元組成，由探索者套件為主體拼裝而成。結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)出這款智能消防機(jī)器人，后續(xù)可根據(jù)需求繼續(xù)改善。本作品源于智能制造工廠需求，圍繞大賽機(jī)器人的場(chǎng)景和應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)，符合實(shí)際、有效可行、市場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)。

1.2 設(shè)計(jì)背景

? ? ? 火災(zāi)是一種非常嚴(yán)重的社會(huì)災(zāi)害，嚴(yán)重危害人們的財(cái)產(chǎn)和生命安全。如果一些特殊的企業(yè)，如化工，紡織等企業(yè)發(fā)生火災(zāi)，造成的損失更大，撲滅難度更高。如果火災(zāi)被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和撲滅，就能大大降低損失。我們希望設(shè)計(jì)一款智能消防機(jī)器人，能應(yīng)用于日常的消防安全巡查中，晝夜不停的進(jìn)行巡查，能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)火情并撲滅，降低火災(zāi)造成的損失。

1.3 設(shè)計(jì)方案

1.3.1 設(shè)計(jì)思路

? ? ? 本產(chǎn)品利用多傳感器信息融合技術(shù)識(shí)別火災(zāi)的發(fā)生并定位著火點(diǎn)；智能消防車基于AGV導(dǎo)引方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行進(jìn)，并基于優(yōu)化算法快速到達(dá)著火點(diǎn)；到達(dá)后，智能消防車立即發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)小車配備多種滅火器和多種傳感器，可利用多傳感器信息融合技術(shù)識(shí)別周圍環(huán)境并結(jié)合火災(zāi)傳感器的位置判斷火災(zāi)類別，進(jìn)而選擇相應(yīng)的滅火器，實(shí)現(xiàn)快速滅火；小車可通過(guò)多傳感器信息融合技術(shù)識(shí)別火災(zāi)是否被撲滅，滅火完成后，小車將繼續(xù)巡檢，同時(shí)留下工作記錄，待相關(guān)工作人員到達(dá)后，為小車補(bǔ)充相應(yīng)的滅火介質(zhì)并處理火災(zāi)發(fā)生后造成的損失及相關(guān)影響。

1.3.2 作品結(jié)構(gòu)

? ? ? 本產(chǎn)品主要由運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)械臂系統(tǒng)、識(shí)別系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。電控部分以Arduino作為主控，控制相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)。

2. 場(chǎng)景調(diào)研

2.1 市場(chǎng)分析

2.1.1 相關(guān)政策支持

? ? ? 根據(jù)政府相關(guān)文件指示，要推進(jìn)“智慧消防”的建設(shè)，“智能化”和信息化的引入，可以幫助加速現(xiàn)代科技與消防工作的深度融合，更好的適應(yīng)火災(zāi)防控新形式，新挑戰(zhàn)。

2.1.2 巨大市場(chǎng)潛力

? ? ? 隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長(zhǎng)，工業(yè)得到了迅速的發(fā)展，智能車間的數(shù)量不斷增加，但是各類生產(chǎn)車間場(chǎng)所的火災(zāi)以及由火災(zāi)引發(fā)的事故也隨之不斷發(fā)生。我國(guó)近年來(lái)頻繁發(fā)生火災(zāi)等安全事故，截至2021年我國(guó)共接報(bào)火災(zāi)數(shù)量74.8萬(wàn)起，同比增長(zhǎng) 196.83%，造成直接經(jīng)濟(jì)損失67.5億元，同比增長(zhǎng)68.33%。

? ? ? 自2014年以來(lái)，中國(guó)消防機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，到2018年增長(zhǎng)至11億元，同比增長(zhǎng)54%；初步估計(jì)到2023年，我國(guó)消防機(jī)器人市場(chǎng)行業(yè)規(guī)模達(dá)到37億元，消防小車有著巨大的市場(chǎng)潛力。中國(guó)消防機(jī)器人數(shù)量較少，應(yīng)用較為有限，而且具有較強(qiáng)的區(qū)域性，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的配備情況較好，但是數(shù)量也是十分有限，一般在2～5 臺(tái)，而且當(dāng)前配備的機(jī)器人多以進(jìn)口為主。而隨著中國(guó)加重對(duì)消防機(jī)器人的研發(fā)，預(yù)計(jì)未來(lái)國(guó)產(chǎn)消防機(jī)器人將逐步替代進(jìn)口，中國(guó)目前主要消防機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)有山東硅兔智能裝備有限公司、天長(zhǎng)市安康消防設(shè)備有限公司等。

2.2 市場(chǎng)調(diào)研

? ?? 經(jīng)調(diào)查，市面上常見(jiàn)的智能消防設(shè)備具有以下幾大特點(diǎn)：體積巨大、造價(jià)昂貴、技術(shù)欠缺、滅火介質(zhì)單一等問(wèn)題，因此若有一款體積小巧、可無(wú)人化滅火、配備多種消防介質(zhì)、同時(shí)可并聯(lián)到消防系統(tǒng)的機(jī)器人會(huì)具有良好的市場(chǎng)前景。

3. 作品創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

3.1 創(chuàng)新點(diǎn)

1. 本產(chǎn)品利用多傳感器信息融合技術(shù)識(shí)別火災(zāi)的發(fā)生并定位著火點(diǎn)，以達(dá)到更精確，更及時(shí)的識(shí)別。

2. 相比市面上傳統(tǒng)滅火器材，本裝置更智能、更有效。

3. 順應(yīng)國(guó)家機(jī)器人工程的發(fā)展趨勢(shì)，能為現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)及市場(chǎng)方面產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)足，提供新的借鑒和參考。

3.2 應(yīng)用前景

? ? ? 本作品設(shè)計(jì)體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊，具有無(wú)人化滅火、配備多種消防介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，可滿足當(dāng)前智能制造工廠對(duì)火災(zāi)防護(hù)的需求，極大的提高了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)機(jī)器人還可并聯(lián)到消防系統(tǒng)，及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)情況反饋至控制中心，極大的提高消防安全系數(shù)。

二、技術(shù)說(shuō)明

1. 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

1.1運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

? ? ? ?運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人工作的基礎(chǔ)，根據(jù)使用環(huán)境的需求，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提出以下要求，平穩(wěn)可靠，移動(dòng)靈活，有一定的負(fù)重能力。對(duì)比市面上的移動(dòng)機(jī)器人底盤，我們選擇了四輪驅(qū)動(dòng)的麥克納姆輪。由于麥克納姆輪的特殊結(jié)構(gòu)，控制四個(gè)輪子的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，就可實(shí)現(xiàn)其全向移動(dòng)。

? ? ? ?其具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

1.2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模型建立

? ? ? 首先將底盤的運(yùn)動(dòng)用三個(gè)獨(dú)立的變量進(jìn)行描述：

? ? ? 底盤的運(yùn)動(dòng)可以分解為平動(dòng)速度vt和旋轉(zhuǎn)速度w，其中平動(dòng)速度可以分解為X軸平動(dòng)、Y軸平動(dòng)，因此可以用三個(gè)運(yùn)動(dòng)變量表示，且這三個(gè)變量之間相互獨(dú)立，如下圖所示：圖中Vtx表示底盤沿X軸運(yùn)動(dòng)的速度，正方向?yàn)橛?；Vty表示底盤沿Y軸運(yùn)動(dòng)的速度，即前后方向，正方向?yàn)榍埃粀表示底盤繞yaw軸自轉(zhuǎn)的角速度，正方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颉Ｒ陨先齻€(gè)量一般都視為四個(gè)輪子的幾何中心（矩形的對(duì)角線交點(diǎn)）的速度。

? ? ? 用上述分解的三個(gè)變量表示出每個(gè)輪子在軸心位置處的速度；則由下圖，主輪的速度方向?yàn)樗{(lán)色箭頭V，vr 為中心連線的切線方向。

可知，主輪的總速度 v 等于底盤的速度矢量與切線方向的速度矢量之和，即

分別計(jì)算 X、Y 軸的分量為：

式中 a 為沿水平方向分量 Rx，b 為沿豎直方向的分量 Ry，其他三個(gè)輪子軸心的速度同理可以計(jì)算得出。

由軸心速度計(jì)算單個(gè)輪子與地面接觸的輥?zhàn)拥乃俣?；根?jù)輪子軸心的速度v，可以分解出沿輥?zhàn)臃较?vt 和垂直于輥?zhàn)臃较虻乃俣?vn，如下圖所示：

其中 vn 用于讓輥?zhàn)涌辙D(zhuǎn)，可以忽略,則沿軸線的速度 vt 可得：

由輥?zhàn)铀俣扔?jì)算出單個(gè)輪子的真實(shí)轉(zhuǎn)速，從而給定電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由上述輥?zhàn)拥乃俣?，如下圖所示：

可計(jì)算出輪子轉(zhuǎn)速為：

綜上，當(dāng)給定底盤的移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)下式分別計(jì)算得出各個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速：

2. 液壓系統(tǒng)

? ? ? 空氣壓縮機(jī)工作將空氣壓縮到氣瓶，氣瓶中有滅火介質(zhì)。電磁閥初態(tài)時(shí)氣路關(guān)閉，待合適位置后，電磁閥工作，氣路導(dǎo)通，高壓氣瓶中壓縮空氣帶著滅火介質(zhì)輸出，以此達(dá)到滅火功能。

3. 機(jī)械臂系統(tǒng)

? ? ? 為應(yīng)對(duì)著火點(diǎn)出現(xiàn)的隨機(jī)性，滅火終端需根據(jù)著火點(diǎn)的位置實(shí)時(shí)改變自身在空間中的位置。此外，在單位時(shí)間內(nèi)因輸出高壓力，高流量的滅火介質(zhì)。因此，對(duì)裝置的反作用力較大。根據(jù)實(shí)際情況，我們對(duì)復(fù)合連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得終端角?的運(yùn)動(dòng)范圍為- 90°-120°。驅(qū)動(dòng)角α與終端角?之間的角度變換關(guān)系近似為3：1。保證們采用復(fù)合連桿結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)行需求。該結(jié)構(gòu)承載大、不易磨損、傳動(dòng)效率高。此裝置可以充分滿足我們的需求。

? ? ? 根據(jù)相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件，繪制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，構(gòu)建其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行相關(guān)分析，如下圖所示。得出輸出結(jié)果，若系統(tǒng)輸入穩(wěn)定，則輸出的速度與力穩(wěn)定。如若收到擾動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

4. 識(shí)別系統(tǒng)

? ? ?識(shí)別模塊主要由安裝在室內(nèi)的MQ-2煙霧氣敏傳感器和搭載于作品機(jī)身上的openmv 機(jī)器視覺(jué)模塊組成：煙霧氣敏傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)的煙霧濃度是否超過(guò)閾值，實(shí)現(xiàn)粗定位，即確定火災(zāi)所處的房間；機(jī)器視覺(jué)模塊檢測(cè)當(dāng)前畫面中是否存在火焰，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，即確定火焰的具體位置。

4.1 煙霧檢測(cè)裝置

? ? ? MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。處于200～300攝氏度時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會(huì)引起表面導(dǎo)電率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息，煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號(hào)就越大。

? ? ? 在發(fā)生火情時(shí)，MQ-2中氣敏材料的電阻隨煙霧氣體濃度的增大而減小，MQ-2模塊輸出的模擬信號(hào)也會(huì)隨之變大。本設(shè)計(jì)選擇了AD信號(hào)采集方法，即主控芯片通過(guò)內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為精確的煙霧濃度值。MQ-2傳感器內(nèi)部電路如下圖所示：

4.2 視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)

? ? ? 視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)由Open MV和舵機(jī)云臺(tái)構(gòu)成：舵機(jī)云臺(tái)用來(lái)左右、上下旋轉(zhuǎn)使Open MV得以識(shí)別室內(nèi)是否存在火焰，Open MV則識(shí)別當(dāng)前環(huán)境下是否存在火焰。

? ? （1）基于功能需求，設(shè)置了二自由度云臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)（如下圖所示），具有Yaw（回旋）和 Pitch（俯仰）2 個(gè)方向的自由度。云臺(tái)整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)架由探索者套件設(shè)計(jì)，它是負(fù)責(zé)Open MV的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，可以實(shí)現(xiàn)攝像頭在水平方向上160°、垂直方向上 90°高度旋轉(zhuǎn)和精確定位的依托。選用兩個(gè)M01標(biāo)準(zhǔn)伺服舵機(jī)對(duì)于云臺(tái)的控制，分別負(fù)責(zé)水平旋轉(zhuǎn)和垂直旋轉(zhuǎn)。

? ? （2）Open MV 攝像頭是一款開(kāi)源、小巧、低功耗、低成本、功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺(jué)模塊，Open MV4 H7 PLUS以STM32H743處理器為核心，集成了OV5640感光元件，攝像頭本身內(nèi)置了一些圖像處理算法，支持RGB565以及灰度等多種圖像格式，其中引出了UART、I2C、SPI、PWM、ADC、DAC 以及 GPIO等接口方便擴(kuò)展外圍功能。全速USB接口（12 Mbps）用于連接電腦上的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 Open MV IDE，協(xié)助完成編程、調(diào)試和更新固件等工作，通過(guò)Micro Python語(yǔ)言，可以很輕松地完成機(jī)器視覺(jué)（machine vision）應(yīng)用。TF卡槽支持大容量的TF卡，擁有100 Mbps 讀寫速度，可以用于存放程序和保存照片。

? ? ? 火焰識(shí)別功能采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)需要識(shí)別的物體進(jìn)行模型訓(xùn)練，再將訓(xùn)練模型導(dǎo)入Open MV。訓(xùn)練時(shí)首先使用Open MV IDE構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)集，將該數(shù)據(jù)集上傳到云中的 Edge Impulse，利用Tensor Flow深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，生成一個(gè)Tensor Flow Lite卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），該網(wǎng)絡(luò)將在Open MV Cam上運(yùn)行。這個(gè)數(shù)據(jù)集包括各種火焰圖片，當(dāng)火焰圖片顯示在圖像中時(shí)，攝像頭調(diào)用內(nèi)部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫(kù)進(jìn)行識(shí)別，并生成相應(yīng)的信任程度，因此當(dāng)置信度大于80%時(shí)，通過(guò)串口發(fā)給控制板，從而達(dá)到火焰識(shí)別的要求（如下圖所示）。

5. 控制系統(tǒng)

5.1 控制系統(tǒng)的選擇

? ? ? 基于本作品需要大量IO接口，故控制器選擇使用Arduino Mega 2560。Arduino ?

? ? ? Mega 2560是采用USB接口的核心電路板，其最大的特點(diǎn)就是具有多達(dá)54路數(shù)字輸入輸出。Mega2560的處理器核心是ATmega2560，同時(shí)具有54路數(shù)字輸入/輸出口，16路模擬輸入，4路UART接口，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，1個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。

5.2 控制整體介紹

本作品以Arduino Mega 2560為控制核心，選擇舵機(jī)和電機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)舵機(jī)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的配合完成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

6. 難點(diǎn)及解決方案

6.1 機(jī)器人機(jī)械臂穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)

? ? ? 最初，采用多個(gè)舵機(jī)連接疊加的方法設(shè)計(jì)機(jī)械臂，但是在最終實(shí)物上出現(xiàn)執(zhí)行末端因受到外界擾動(dòng)而發(fā)生劇烈抖動(dòng)的情況。

? ? ? 為解決此問(wèn)題，查詢相關(guān)資料，對(duì)比分析后設(shè)計(jì)出多連桿機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人輸出末端可穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，以此保證滅火的精確性。如下圖所示：

6.2 微型空氣壓縮機(jī)的工作環(huán)境

? ? ? 因功能需要，機(jī)器人配備了一臺(tái)微型空氣壓縮機(jī)，但是在實(shí)際工作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)工作過(guò)程中震動(dòng)劇烈，極大影響了機(jī)器人的正常運(yùn)座。

? ? ? 為解決此問(wèn)題，可在微型空氣壓縮機(jī)安裝位置安裝緩震墊，以此來(lái)抵消壓縮機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的劇烈震動(dòng)。如下圖所示：

三、程序代碼

1. 示例程序

① 智能消防機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序（main.ino）：

② 控制攝像頭運(yùn)動(dòng)程序（Untitled.m.ino）：

2. 資料下載

資料內(nèi)容：

①程序源代碼

②樣機(jī)stp圖

資料內(nèi)容詳見(jiàn)：https://www.robotway.com/h-col-247.html

四、參考文獻(xiàn)

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