作品描述 1 項目背景 倉庫是物資集中儲存倉儲機器人銷售電話的場所，包括由國家、集體和個體經營儲存物品倉儲機器人銷售電話的各類倉庫、堆棧、貨場，一旦發生火災，經濟損失巨大，社會各方面影響惡劣，后果嚴重。如2015年8月12日天津塘沽特大爆炸事故的發生，其教訓非常慘痛。倉庫火災之所以能造成如此大的經濟損失及人員傷亡，其根本原因是倉庫火災具有以下幾點特殊性： (1) 火災初期階段陰燃時間長，不易被發現，具有燒大火的條件倉儲機器人銷售電話； (2) 撲救難度大，作戰時間長，消防用水量大，燃燒面積大，經濟損失大； (3) 危險物品對倉庫火災危害大，容易產生二次傷害，施救難度高，極易造成事故； (4) 在大型倉庫發生火災時，消防隊員無法及時獲取火場信息，采用高壓水槍等措施進行滅火，沒有針對性，并很難進入倉庫中滅火，如果強行打開門窗進行救援，則會加快空氣流動，加劇火情，而且即使消防隊員進入到倉庫中，也無法及時找到火源位置。 綜合分析以上特點得出：在倉庫火災預防以及施救方面，單靠人的力量還具有一定的局限性。因此，我們電子系統研究所員工通過查閱大量資料和實際市場調研，提出倉庫自動消防機器人平臺的設計方案，該平臺的主要作用在于幫助人們實現對火災的預防以及對已發生火災進行緊急施救工作。 2 項目實施方案 2.1 整體方案的設計 倉庫自動消防機器人是典型的機電一體化裝置，它是機械、電子、控制、檢測、通信和計算機的有機融合。機器人的制作是一個跨學科、多技術、智力和動手能力高度統一的系統工程，涉及到機械設計、檢測傳感技術、機電一體化技術、單片機技術、機器人學等學術領域。因此在設計過程中需要用到機械原理、機械設計、材料工程、傳感檢測、單片機控制等方面的知識。 研究過程中按照由整體到局部，機械系統與控制系統相互結合的方法。在機械結構的設計中，采用多種方案相互對比的方法，比較各種方案的優缺點，然后進行選擇，再進行機械的設計。 由于倉庫火災的現場條件十分復雜，要求消防機器人能夠快速靈活的在倉庫中移動，并且可以在狹小的空間范圍內完成諸如火源檢測、火情預處理、信息反饋、搶救物資和轉移危險物品等任務。根據上述要求，可以確定消防機器人應具有走行底盤、機械手、機械臂、滅火等功能模塊，如圖1所示。

圖1 倉庫自動消防平臺整體示意圖

2.2 底盤架構及組成 針對目前廣泛使用的三種走行方式，分別進行了研究。 第一種是步行式，其主要是模仿人或動物的行走機理，采用腿足行走方式，這是目前智能化水平較高的一種走行方式。其優點就在于對于地形的適應能力強，但是由于現在這方面的技術還不太成熟，要求的控制系統較為復雜，在要求靈活性和準確可靠性的倉庫中不便于使用。 第二種是履帶式，其主要的優點是著地面積大，與地面的粘著力較好，可以在凹凸不平的地面上行走，有效地適應了地形，但是由于履帶式機器人沒有專門的轉向機構，要靠兩個履帶的速度差實現轉彎的任務，轉彎的阻力大，而且在前面方向、與前進方向垂直的方向都會出現滑移，轉動的精度不高，不適于在倉庫中精確地碼放貨物。 第三種是輪式結構，其主要優點是結構簡單，速度快，適合在平整地面上進行精確地行走，這樣的優點正適合在倉庫中碼放貨物。然后分別對三輪式底盤和四輪式底盤進行了模擬仿真。三輪式底盤采用雙后輪驅動，前輪是一個萬向輪，只起到導向和支撐作用，三個輪子成等腰三角形排列，依靠兩后輪的轉速差實現轉向。四輪式底盤同樣采用雙后輪驅動，前面兩個輪子都是萬向輪，四個輪子成矩形排列，同樣通過兩后輪的轉速差實現轉向。通過模擬，我們發現，在四輪式底盤的行走過程中，如果整個機身的重心偏離其幾何中心，四個輪中就會有一個輪翹起而不著地，這樣導致只有三個輪子著地，其穩定性與可靠性受到了很大影響，最終，我們選擇了三輪式底盤，如圖2所示。

圖2 三輪式底盤行走模塊

2.3 轉盤及傳動系統 為了能夠很好的解決機械手不能移動和轉動的弊端，我們將機械手安裝到一個帶有提升機構的轉盤上。機械手借助轉盤的360度旋轉和絲杠的上下提升，能夠在到達空間允許范圍內的任意一點。大大增加了機械手的活動空間，提高工作的靈活性，打破工作環境的局限性，提高了應對復雜多種工作情況的能力。 為了達到機械手精準定位，對轉盤的旋轉速度要求不能過高，防止轉速高后出現控制精準度低、難度加大、減速時加速度大、以及離心加速度大的缺點。為此我們對電機輸出進行減速處理，采用傳動精度比較高的同步帶實現傳動和減速。一方面實現了限制轉盤轉速的目的，同時也避免了電機直接裝在底盤下面而造成底盤高度被迫抬升的弊端。 因為轉盤上面要承受絲杠、滑槽、導向軌、機械手、電推桿等物體的重力，如果將這部分重力直接加在軸承上，則對軸承的破壞作用極大，嚴重縮短軸承的使用壽命。故此，需要增加其他附加機構來分擔這部分軸向力，或者選用一個能承受較大軸向力的軸承。單一用軸承來承受較大的軸向力和徑向力顯然是不合理的，我們選用第一種方案，外加其他承載機構來承受抵消這部分軸向力。我們把圓盤尺寸在限定范圍內做的稍微大一點，這樣以來便可以能夠承受較大的傾覆力矩，再在圓盤的周邊安置三個萬向輪，主要來承受上體產生的軸向載荷，同時能夠滿足轉動時的靈活性要求。這樣以來，不僅避免了軸向力對軸承的損害作用，而且還使得圓盤和軸的旋轉變得更加靈活，摩擦阻力大大減小，對電機的要求降低，可以選用較小的功率的電機即可將整個圓盤帶動起來，如圖3所示。

圖3 轉盤及傳動系統

2.4 提升與伸縮機構 為了能夠抓取不同高度的重物我們采用絲杠提升機構，帶動機械手上下移動。被廣泛使用的提升機構還有： 1、剪叉式升降平臺 剪叉式升降平臺通常由平臺、剪叉式起升機構和底座三個部分組成。具有結構緊湊、承載量大、通過性強和操作性好的特點，但該機構對動力源的要求較高，而且占用空間較大，如圖4所示。

圖4 剪叉式升降平臺

2、有軌升降 此種方式就是單級提升方式。待提升機構以滑塊形式沿著固定的軌道上升、下降。軌道只起導向作用，驅動方式多種多樣，如圖5所示。

圖5 有軌升降

這種有軌提升中，軌道的精度對提升機構影響很大。由于直線運動具有摩擦低、精度高的特點，因此在機器人中廣泛應用。絲杠提升就是其中一種升降方式。 絲杠提升相對于其他提升機構來講，具有提升精度高，結構簡單，易于控制。剛性好，能精確定位，斷電后也能自鎖。 系統結構簡單、緊湊，無須各種復雜的泵閥、油箱或氣源及管路系統等。無噪音、無流體泄漏，對環境污染小，是一種較理想的綠色環保產品。可構成閉環伺服控制系統，實現自動化控制，如圖6所示。

圖6 滾珠絲杠

至于推動機構也有各種各樣的形式，基本形式還是跟提升機構差不多，只是提升的角度改到了水平方向而已。這里我們采用電推桿作為推動機構，該機構具有明顯的優越性。氣動、液壓的工作形式被普遍的用到直線運動機構里，電動推桿也可作為直線運動機構，從而在某些情況下可以代替氣缸、液壓缸達到同樣的工作效果，而在自動化控制中，更容易實現控制的簡單化。電動推桿在使用中的優點：電動推桿是一種將電動機的旋轉運動轉變為推桿的直線往復運動的電力驅動裝置。電動推桿可用于各種簡單或復雜的工藝流程中做為執行機械使用，以實現遠距離控制、集中控制或自動控制。與液壓氣動等執行機械相比，具有如下優點：造價低，省去了油泵、油箱、空壓機以及許多復雜的管路和其它輔助設施；能耗低，由電機直接驅動省去了中間的能量轉化環節，整機效率高，從而降低了能耗；無油液污染，由于避免采用油或氣體傳動，無油液的滲漏，使污染問題得到了根本解決；保護功能完善，精心設計在推桿內部的行程和過載保護裝置，使整機外部無多余附件，且調整方便、安全可靠。當推桿運行到設定距離或過載時，能自動切斷電源，不至引起機件損壞或造成其他事故；安裝維護極為簡單方便，只需簡單地將推桿安裝在支架或吊架上，接通電源，即可使用。 行程控制裝置：經電機齒輪上的渦桿帶動渦輪轉動，使渦輪內的小絲桿作軸向移動，由連接板帶動限位桿相應作軸向移動，至所需行程時，通過調節限位塊壓下行程開關斷電，電動機停止運轉（正反控制相同）。 過載保護裝置：推桿機體內設有過載自動保護裝置，當推桿行程至極限位置或超過額定推（拉）力時，載荷壓縮彈簧，使滑座軸向移動，通過滑座上的拔桿壓下過載行程開關斷電，推桿自動停機，達到過載保護目的，如圖7所示。

圖7 電推桿

為了方便控制伸縮機構的伸縮，在機器人的伸縮機構前端安裝了接近開關，當其距離物體到達一定的位置后，伸縮機構前端的限位開關會檢測到物體，使伸縮電機停止運動。提升時，為了防止絲杠上的滑塊沖出滑軌，在絲杠的上下兩端安裝了限位開關，當滑塊接觸到限位開關時，絲杠會停止運動。在提升需要到達的高度上，由于不能安裝限位開關，在機器人設計的過程中，選擇了光電對管作為絲杠高度提升的傳感器，光電對管原理是其內部有一個紅外發射管和接收管，當凹槽內有遮擋時接收管就無法接收到發射信號，無遮擋時輸出低電平，有遮擋時輸出高電平。 2.5 機械手模塊 機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。 為了能夠夾持多種物體，單一的機械手肯定是滿足不了要求的，因此，我們考慮把機械手做成可拆卸的，即可以將多種不同特點的機械手安裝在同一個機器人身上。對于不同的被夾持物，可以根據它的外形特點換用不同的機械手工作，從而增大了機械手的適應范圍。 1號機械手：該機械手采用一個并行輸出機構，將舵機的轉動轉化為機械手角度變化，從而實現夾取貨物的目的。該機械手能夠夾取體積較大的貨物，因為它有一個較大的開口角度，同時也具有一定的局限性，因機械手臂不是平行移動的，而是通過縮小角度來實現夾取貨物，因此夾取貨物不是特別容易。但該機械手結構簡單，容易實現，如圖8所示。

圖8 1號機械手

2號機械手：該機械手的具有以下幾大特征：并行輸出，僅僅通過一個舵機的轉動即可轉化為左右兩個手的夾持動作；手臂平動加緊，傳統機械手臂一般都是成一定角度，通過縮小角度來夾持物體，但那樣反而會使物體在夾持的過程中從手臂中被擠出。 因此在每個手臂根部采用平行四邊形機構，變傳統的角度夾持為平動夾持，這樣可以防止物體在夾持的過程中被擠出，同時夾持時還會產生一個向手心的夾持力，使物體不易滑落，如圖9所示。

圖9 2號機械手

3號機械手：該機械手又稱萬能機械手，因為它能夾取外形任意變化的物體，即不受限于物體的外形，都能成功的抓取貨物。機械手中有兩根鋼絲，一根是拉緊用的，另一根是松弛用的。兩者的繞行方式略有差別。當該機械手靠近貨物時，只要拉緊鋼絲一拉緊，手臂便會沿著物體的邊沿輪廓貼合，最終將貨物夾緊。當需要把貨物放下時，只需放松松弛鋼絲，機械手臂便會松弛下來，貨物自然脫落。該機械手最大特點是能適應各種不同外形的物體，靈活多變，易于操作，實現容易。但撓度偏大，用時宜避開。如圖10所示。

圖10 3號機械手

4號機械手：該機械手是在2號機械手的基礎上改進的。適宜抓取上下不等截面的旋轉體。機械手臂不再是單一的一對手臂，而是改為兩對上下相互獨立而又緊密配合的手臂，兩個手臂通過兩個舵機分別控制。同時為了夾取上下截面不一的旋轉體，我們在機械手臂前端安置兩對圓弧輔助機構，另外再給該機構加一個自由度，使該輔助機構在包裹貨物的過程更加靈活可靠。兩個舵機分別控制，機械手臂的張開角度可以根據物體的截面大小自由調整，以期達到穩定抓取的目的。如圖11所示。

圖11 4號機械手

3工作原理 3.1 自動巡邏系統 自動巡邏系統是通過各種傳感器系統感知外界環境和自身狀態， 在復雜的已知或者未知環境中自主按特定的軌跡移動并實時監測火源信息，當有火情發生時，小車停止巡線行走，啟動超聲波避系統，由目前的位置直接到達火源附近，然后進行相應火情預處理。自動巡邏預警系統工作流程圖如圖12所示：

圖 12 巡邏預警系統的工作流程圖

整個巡邏預警系統包括一下五大模塊，如圖13所示。

圖13 自動巡邏預警系統

1、主控模塊，作為整個消防機器人的“大腦”，將采集光電傳感器、超聲波等傳感器的信號，根據控制算法做出控制決策，驅動電機完成對整個小車的控制。 2、電源模塊，為整個系統提供合適而又穩定的電源。 3、電機驅動模塊，驅動直流電機幫助完成消防小車的加減速控制和轉向控制。 4、路徑檢測模塊，作為消防車的“眼睛”，可以通過一定的前瞻性，提前感知前方的信息，為消防車的“大腦”做出決策提供必要的依據和充足的反應時間，保證小車按規劃路徑進行巡邏預警。 我們的目的是設計一種利用紅外反射式傳感器來實現小車自動尋跡導航移動平臺，借助超聲波傳感器、光電接近開關傳感器滿足在一定的復雜環境中完成自主尋跡移動、避障任務。 通過學習和研究相關技術資料了解到，路徑識別模塊是系統的關鍵模塊之一，路徑識別方案的好壞，直接關系到最終性能的優劣，因此確定路徑識別模塊的類型是決定系統總體方案的關鍵。隨著科學技術的發展，機器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應用領域為自主式智能導航系統，對于視覺的各種技術而言圖像處理技術已相當發達，而基于圖像的理解技術還很落后，機器視覺需要通過大量的運算也只能識別一些結構化環境簡單的目標。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動聚焦。但CCD傳感器的價格、體積和使用方式上并不占優勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統中考慮使用接近覺傳感器是一種實用有效的方法。機器人要實現自動導引功能就必須要感知導引線，感知導引線相當給機器人一個視覺功能。使得小車自動識別路線，準確區分路面和貨物，選擇正確的行進路線。采用與地面顏色有較大差別的線條（黑色線條）作引導，使用傳感器感知導引線和障礙判斷。 (1)、傳感器選擇 實現機器人的視覺和接近覺功能有多種方式：a、可使用CCD攝像頭進行圖象采集和識別方法，但是不適用在小體積系統使用，并且還涉及圖象采集、圖象識別等領域；b、電容式接近傳感器，基于檢測對象表面靠近傳感元件時的電容變化；c、超聲波傳感器，根據波從發射到接收的傳播過程中所受到的影響來檢測物體的接近程度；d、紅外反射式光電傳感器，它包括一個可以發射紅外光的固態發光二極管和一個用作接收器的固態光敏二極管（或光敏三極管）。 根據使用場合的具體情況，傳感器要感知的對象是物體的有無和物體的接近程度，與精確的測距系統有相似之處，但又有不同，只要求判斷出簡單的閾值或提供遠、近分檔的距離。因此使用較簡單的接近傳感器實現小車尋跡和避障是有依據可循的并且是可行的。為了簡單起見，系統中使用了八個紅外反射式光電傳感器，其中三個用于尋跡，三個用于障礙判斷，兩個用于主動輪測速。 (2)、紅外反射式光電傳感器特性與工作原理 反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發光二極管，普通發光二極管，以及激光二極管，前兩種光源容易受到外界光源的干擾，而激光二極管發出的光的頻率較集中，傳感器只接收很窄的頻率范圍信號，不容易被干擾但價格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測區域反射表面可受到光源照射同時又能被接收管接收到的范圍就能進行檢測，然而這是一種理想的結果。因為光的反射受到多種因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發射和接收管進行測量將因為干擾產生錯誤信號，采用對反射光強進行測量的方法可以提高系統的可靠性和準確性。紅外反射光強法的測量原理是將發射信號經調制后送紅外管發射，光敏管接收調制的紅外信號原理如圖14所示。 反射光強度的輸出信號電壓Vout 是反射面與傳感器之間距離x的函數，設反射面物質為同種物質時，x與Vout 的響應曲線是非線性的，如圖15所示。設定輸出電壓達到某一閾值時作為目標，不同的目標距離閾值電壓是不同的。 (3)、具體設計與實現 由于接近傳感器應用場合不同，感覺的距離范圍從幾毫米到幾米不等，所以我們在選擇時也要分類討論。對于自動尋跡和小車輪子的測速傳感器，反射距離都在１cm左右，探測環境都在陰影之下，不易受到可見光的干擾。因此，這兩種探測的傳感器都選用FS-359F反射紅外傳感器，048W型封裝。該封裝形狀規則，便于安裝。對于障礙物的檢測，可以使用超聲波傳感器，效果也較好，但電路系統龐大，還需占用大量MCU時間。激光傳感器雖然性能不錯，但價格較貴。最終選用了價格、性能基本適合的043W封裝的反射紅外傳感器。在使用約40ｍA的發射電流，沒有強烈日光干擾的房間里，探測距離能達８cm，完全能滿足探測距離要求。紅外傳感器的電路有多種形式，在這里為了安裝調試方便，我們采用了圖16的電路形式。

圖16 紅外光電傳感器電路

傳感器的使用數量應該盡量少以減少單片機的信號處理量，尋跡小車一共安裝有八個紅外光電傳感器，選用運算放大器LM324，光電傳感器檢測到的信號經放大器放大整形送微處理器判斷、運算、控制。LM324是14腳DIP封裝，內置四個運算放大器的集成器件，用兩個LM324便能完成所有傳感器與MCU的連接，并且電路簡單，響應速度快，波形規則，調試簡單。 尋跡用接近傳感器安裝位置如圖17所示，Ａ、Ｃ傳感器騎在黑線兩測用于檢測是否跑偏，Ｂ傳感器在黑線范圍內用于輔助檢測，以確保小車機器人隨時在以如圖9的狀態運行。測障礙傳感器安裝位置分別位于小車前、左、右三個方向，用于檢測前方、左邊和右邊的障礙（詳見超聲波避障模塊）。測速度傳感器安裝在緊靠車輪兩側。

圖17 尋跡傳感器安裝位置示意圖

5、超聲波避障模塊，當有火源發生時，小車停止巡邏預警，開啟超聲波避障模塊，由現在的方位直接向火源方位行駛，在小車行駛過程中可以準確避開貨物以及地面障礙物，使得小車可以選擇最優路徑到達著火附近。 在多種探測手段中， 超聲波傳感器系統由于具有成本低， 安裝方便， 易受電磁、光線、被測對象顏色、煙霧等影響且時間信息直觀等特點， 對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環境下有一定的適應能力， 因此我們主要采用超聲波傳感器進行準確避障繞行。 超聲波是指頻率高于20KHz的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發射超聲波的時候，將電能轉換，發射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號。 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發射到遇到障礙物返回所經歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。 傳感器用一段時間發射一串超聲波束，只有待發送結束后才能啟動接收，設發送波束的時間為D，則在D時間內 從物體反射回的信號就無法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發送結束后還留有一定的余振，這種余振經換能器同樣產生電壓信號，擾亂了系統捕捉返回信號的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動系統進行回波接收，以上兩個原因造成了超聲傳感器具有測量一定的測量范圍。此超聲波最近可以測量5cm，最遠可以測量3m，完全符合要求。 在機器人底盤前端的前、左、右三個方位上分別安裝了超聲波傳感器，通過三個超聲波傳感器控制機器人下一步的走行方向，判斷的情況如下： (1) 當前方的超聲波傳感器檢測到障礙物，左、右都未檢測到障礙物時，機器人將向左（或右）轉彎； (2) 當前、左兩個超聲波傳感器檢測到障礙物時，機器人將向右轉彎； (3) 當前、右兩個超聲波傳感器檢測到障礙物時，機器人將向左轉彎； (4) 當前方超聲波未檢測到障礙物時，機器人繼續前進。 機器人通過判斷三個超聲波傳感器傳回的數據，確定行進的方向，實現機器人的直線運動和轉彎等動作。 6、輔助調試模塊主要用于智能車系統的功能調試、行走工作狀態監控等方面。 3.2 火源監測識別 在火災發生時，為了讓機器人能夠自己找到火源的位置，我們設計了2種火源監測方案，當機器人檢測到火焰后，會向機器人和控制中心同時發送信息，機器人會自己尋找火源前去進行滅火。火焰傳感器如圖18所示，其主要的原理是利用紅外線對火焰非常敏感的特點，使用特制的紅外線接收管來檢測火焰，然后把火焰的亮度轉化為高低變化的電平信號，輸入到中央處理器中，中央處理器根據信號的變化做出相應的程序處理，以實現消防機器人對火焰的檢測。

圖18 A710系列火焰探測器及其外形圖

本設計中采用火焰探測器，其優點在于以下方面： 1、防誤報能力強：通過特定的傳感器選型、火焰識別技術、軟件算法，使得活火焰探測器對日光、電弧焊、人工光源、熱輻射、電磁干擾等具有極強的防誤報警能力； 2、靈敏度高：能夠有效識別背景噪聲，結合軟件算法，對火焰輻射敏感； 3、自適應、自檢測功能：可靠的故障自診斷，自動根據探測窗口污染情況調節探測靈敏度； 4、監視范圍大：軸線探測距離長（最長大60米）、監視角度大（120度），保護范圍大； 5、防護等級高：防塵、防水、防爆，適用于各種惡劣環境； 6、維護成本低：探測器在日常使用一段時間后，需進行清洗維護工作，一般可直接用水清洗，對存在油污等情況下可直接用酒精清洗外監視窗口，無需專人、專用工具。 A710系列火焰探測器的設計選型如下表：

第一種火源監測方案：我們將3個火焰探測器以夾角為120°安裝在消防車的頂部，在小車進行巡邏的過程中，這3個探測器同時進行監測，由于采用的探測器最大探測角度為120°，最長距離為60米，從而保證了火源探測系統可以在360°范圍內進行探測，可靠性高。 第二種火源監測方案：我們將火焰探測器裝在倉庫中，在消防機器人上只裝一個信號接收器，當有火源產生時，火焰探測器將火源的信息傳送到機器人的接收器上，接收器再將信號傳到主控模塊，從而使消防小車做出相應的判斷進行滅火。 具體布置方式如下： ①用一只探測器監視房間，適用于中等大小的空間，邊長小于42米，對角線小于60米，如圖19所示。 ②用兩只探測器監視房間，適用于方形較大空間，最大邊長小于42米、對角線距離大于60米，如圖20所示。

圖19一個探測器監測圖

圖20 兩個探測器對角放置

③用兩只探測器監視房間，適用于狹長空間，窄邊小于42米，長邊大于42米，小于84米，如圖21所示。

圖21兩個探測器并列放置

④用四只探測器監視房間，適用于超大空間，最大邊長小于84米，對角線距離小于120米，如圖22所示。

圖22四個探測器對角放置

在安裝的過程中，對于類似于隧道等狹長的倉庫，火焰探測器之間的距離必須掌握好，否則出現盲區現象。經計算可得，兩個探測器之間的距離應小于50米，如圖23(a)、(b)、(c)所示。

圖23(a) 正視圖

圖23(b) 側視圖

圖23(c) 俯視圖

3.3 火情預處理 火情預處理倉庫消防機器人的主要功能，機器人在進入滅火射程時，根據遙控指令或者通過對自身傳感器信息的處理，能夠噴射相應的滅火劑進行滅火。 危險化學品倉庫著火后，首先要根據危險化學品的不同性質，正確選用滅火劑，積極采取針對性的滅火措施。 1、大多數易燃，可燃液體火災都能用泡沫撲救。其中水溶性的有機溶劑應使用抗溶性泡沫撲救，如醇、醚類火災； 2、可燃氣體火災使用二氧化碳、干粉等滅火劑撲救； 3、有毒氣體和酸、堿液可以使用噴霧、開花射流或設置水幕進行稀釋； 4、遇水燃燒物質，如堿金屬、堿土金屬火災，不能用水和二氧化碳進行撲救，應使用干粉、干沙土或水泥粉等覆蓋滅火； 5、遇水反應物質，如乙硫醇、乙酰氯等，與水和水蒸氣接觸能發生反應，產生有毒或易燃氣體，因此，此類火災不能用水撲救，應使用二氧化碳、干粉、水泥粉、干沙土等撲救； 6、粉狀物品，如硫磺粉、粉狀農藥等，不能用強水流沖擊，可用霧狀水撲救，以防止發生粉塵爆炸，擴大災情。 消防小車上裝有碳納米管傳感器，該傳感器是利用碳納米管的獨特結構、電子、界面、場致誘導效應、聲學和力學等性能而構建的一類新型敏感檢測元件，在不同種類的危化品檢測方面有很好的應用前景。檢測到火源信息后，通過自身的判斷啟動小車上自帶的消防裝置，噴射針對性的滅火劑進行火情處理。 3.4 信息反饋系統 為了采集火災發生現場的實時圖像，我們在機器人的頂部安裝了攝像頭，可以傳回現場的圖像，在控制中心的屏幕上顯示，以方便工作人員查看現場的情況，在火災發生時，也可以通過了解現場的信息而控制機器人。 火場中危化品的種類、性質、有毒氣體濃度、火源發展形勢等也通過消防平臺反饋給控制終端，終端進而控制機器人和倉庫中的各類滅火裝置，確保火情撲救成功。 4市場分析 經過查閱相關文獻、整體方案設計、機械結構設計、各類傳感器的選擇與布置、計算校核，最終機器人能夠完成設想的倉庫消防巡邏預警、火源定位識別、火情預處理、信息反饋、危險品轉移與物資搶救等幾大功能。在設計的過程中，也發現了機械本體存在的問題，目前仍在改進中。倉庫消防機器人由于其靈活、高效的特點，使其在倉庫火災搶險中具有廣闊的市場應用前景。 5競爭力分析 按照消防機器人的發展過程，消防機器人大概可以分為三代：第一代為遙控消防機器人，第二代為具有傳感器的遙控消防機器人，第三代為智能消防機器人。 國外從20世紀80年代開始研制消防機器人，日本研制的“彩虹5號”消防機器人，具有輪式移動和履帶式移動兩種運動模式。在平坦的地面上運動時采用輪式移動，速度較快；在遇到障礙或地面不平坦時，可以運用履帶式運動在困難路段行進，實現越障功能；并能通過遙控機器人隨身攜帶的滅火器進行滅火。英國在80年代末研制的機器人消防車，裝有雙臂、水槍、探測器、紅外線裝置等，可以在火災現場的外圍進行滅火，并能通過遙控裝置對機器人進行控制，實現搬移物品等動作。隨著耐高溫材料的發展，美國在90年代研制的消防機器人外殼采用阻燃材料，能夠承受火災現場的高溫，可以有效地保護機器人自身的安全，更好的完成消防任務。 進入21世紀后，國外開始發展第三代智能消防機器人，英國、美國研制的消防機器人已經可以通過傳感器采集現場信息，通過機器人自身的控制器對信息進行有效地處理，并將現場信息傳回控制中心，控制中心通過觀察現場信息，遠程遙控機器人進行滅火和救援任務，該消防機器人實現了信息采集、滅火等功能，已經是具有低智能的消防機器人。圖24為日本研制的消防機器人，該機器人還可以在火災現場實現對受傷人員的快速轉移。

圖24 日本研制的消防機器人

國內的消防機器人起步較晚，從上世紀80年代開始主要針對遠程遙控消防機器人的研究，并取得了一定的成果。進入21世紀，國家863項目“ZXPJ01型自行式消防水炮”的研制，填補了我國消防機器人領域的空白，它可以實現滅火、危險場所救援等任務。該機器人已經在陜西、內蒙古等地投入使用，并完成了多次消防救援任務。在此基礎上，我國又自行研制了消防機器人“夢幻一號”，如圖25所示，它可以實現遠程遙控功能，在火災現場外圍進行滅火，它還可以通過遠程遙控沖入火災現場，實現更近距離的消防救援。

圖25 消防機器人“夢幻一號”

近幾年來，有更多的研究公司加入到研究消防機器人的行列中，也取得了一定的成果。安徽明光消防車廠生產出遙控滅火消防車，撫順起重工程有限公司也研制出“多功能消防機器人”，這些消防機器人都可以完成外圍消防救援的任務。江蘇、遼寧、云南、湖北等地的消防部隊先后陸續配備了一部分國產消防機器人。 目前，國內消防機器人的發展較為迅速，但是和發達國家相比還有一定差距，各機器人研究部門也在努力開發更加實用的消防機器人。 消防機器人進行滅火的主要方法是在火災現場外圍運用消防炮等設備進行滅火，由于大型火災具有初始階段陰燃時間長，不易被發現，現場危險品多等特點，采用消防炮滅火，空氣的流通使得氧氣得到了補充，初始火源會繼續蔓延，增加消防難度。所以滅火的最好方法就是能夠轉“外部圍攻”為“內部突破”，在現場內部進行針對性的滅火，在火災還沒有擴大之時就進行撲滅。日本正在研制的消防機器人，能夠在火災發生時沖入現場，通過自身攜帶的傳感器采集現場信息，并通過對信息的處理作出一定的決策，以實現滅火和救援等任務。這種可以在火災發生時沖入現場的方式，可以有效提高滅火的效率。 從消防機器人的發展過程我們可以看出，隨著計算機技術和控制方法的發展，智能消防機器人是目前消防機器人的主要發展方向，即在火災現場較為復雜的環境中可以通過采集現場的信息，自主的作出決定，在一定程度上降低盲目性，可以更加有效地實現滅火功能。 除了智能化消防機器人，消防機器人還有以下幾個發展方向： （1）多傳感器融合技術的應用。為了應對倉庫火災現場極其復雜的情況，機器人應該具有多種傳感器。為進一步提高機器人的智能化和適應性，多種傳感器的融合使用是關鍵技術，其研究熱點在于有效可行的多傳感融合算法。 （2）新材料技術。消防機器人的工作環境具有高溫的特點，所以對消防機器人來說，如何保證自己的安全是極其重要的，新材料的發展可以保證機器人在高溫下正常工作，我國正在研制納米防火阻燃材，該材料使用后，機器人可以在火災時沖入現場而自身不受到傷害。 （3）多功能融合技術。多功能融合是指消防機器人與其他的機器人功能相互融合，如日本已經研制出的爬樓梯消防機器人，可以適應更加大型的倉庫，可與消防機器人融合的功能還有排障、越障等。 倉庫火災與一般的現場火災有所區別，倉庫是物資集中的場所，具有燒大火的條件，一旦發生火災，發生危險的可能性極大，所以需要在火災剛發生時就給予有效地控制，這就需要專門的倉庫消防機器人，能夠在倉庫火災發生時迅速找到并到達火源地點完成消防和救援任務。由于倉庫火災的特殊性，倉庫消防機器人的應用對于減少倉庫火災的損失具有明顯的作用，可以在初始火源還沒有充分燃燒的時候就將火滅掉，與傳統的消防炮等倉庫滅火方法相比，該消防機器人可以更早的對火源進行處理，為滅火爭取寶貴的時間。 6投資預算 表1 倉庫自動消防機器人平臺投資預算

注：表1中給出的預算適用于面積小于400平方米的倉庫。