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基于 STM32 的智能消防机器人的设计与开发
引用本文：Changzhong Wu et al 2021 J. Phys：Conf.1748062019
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基于 STM32 的智能消防机器人的设计与开发
摘要
随着经济的快速发展，各种危险场所火灾频发。据调查，在古代惨烈的火灾案例中，智能移动消防设备的数量非常少，普通的灭火器和消防火车无法及时快速地扑灭火灾。智能消防机器人作为机器人的一种，在灭火救援中发挥着越来越重要的作用。本文对消防机器人的设计进行了研究。智能消防机器人主要由消防运动系统、消防喷水系统、消防控制系统等部分组成。各部分相互配合，共同完成灭火任务。
1.导言
智能消防机器人的概念已经诞生，但由于种种困难，一直没有得到普及。随着火灾频发，安全问题越来越多。如今，随着城市化进程的加快，大量地下室建筑和石油化工企业不断建成[1]。然而，普通的灭火器和灭火列车无法及时、快速地扑灭火灾[2]。有时，灭火行动可能会危及灭火人员的生命安全。为了解决这一问题，消防机器人的研究迫在眉睫。
2.基于 STM32 的智能消防机器人总体功能设计
智能消防机器人的整体结构如图 1 所示。它主要由消防运动系统、消防喷淋系统、消防控制系统等部分组成。各部分是一个整体，协调活动，完成灭火任务。机器人采用履带式行走方式，由车体后部的一对驱动轮带动，利用差速原理转动。火器位于车体上方，可以模拟人的上肢运动，灵活性较好。车体上还装有摄像头、供电系统等部件，辅助机器人完成灭火任务。控制箱位于车体后部上方，控制箱上布置有接收信号的天线。机器人进行灭火工作时，由外部水源供水。
图 1.总体结构
机器人的操作主要由机器人本体完成。它可以在操作员的控制下以适当的速度运行，而且相对稳定。它可以平稳地驶过有一定坡度的地形，适应各种类型的火灾环境。机器人电源采用蓄电池，设置在车体内部，为整个系统供电。
摄像机设置在机身中央和消防枪后方，可将火灾现场的具体情况和消防枪的工作状态传输到操作屏幕上。摄像机设置在云台上方，可旋转
消防臂系统由主臂、中臂、
3.基于 STM32 的智能消防机器人功能结构设计
3.1 消防运动系统的设计
消防运动系统主要由机器人车体和直流电机组成。作为整个系统的移动载体，消防机器人的车体可以在消防员的控制下完成前、后、左、右等动作，并保持适当的速度运行，而且比较稳定，可以驶过有一定坡度的地形，适应各种复杂的消防救援环境。行走机构由一对驱动轮驱动，驱动轮位于车体后部，转弯采用差速原理。
消防机器人的灭火环境通常比较复杂，需要合适的移动载体，要求车体重心低，防止侧翻，车体重量尽量轻，还需要具备一定的越障能力，因此车体采用履带行走方式比较合适[3]。在行走机构的张紧外管中，有一种张紧槽式。在拉槽式的前方，有一个小轮轴。从动轮装配在小轮轴上。通过调节螺钉，可以调整张力槽型的延伸长度。从动轮和驱动轮之间的距离也会相应改变，从而可以调整轨道的张紧程度[4]。
3.2 消防水喷淋管道系统的设计
为了提高灭火的效率和质量，采用喷淋灭火是一种较为理想的方式。消防水喷淋灭火系统主要由消防枪及其内部零件组成，是整个消防机器人的核心部件。消防枪的设计要合理，尽量减少机构占用的空间，使结构简单轻便，有利于制造。根据消防机器人面临的实际火灾情况，消防机械臂的设计应从结构、材料等方面综合考虑，保证合理性，满足特殊火灾扑救的要求。从结构上看，需要计算和设计消防臂各臂长的尺寸。从材料上看，消防臂的材料不仅要重量轻，还要保证强度和刚度的要求。因此，在火力臂的设计中，硬铝具有较好的刚度和较轻的重量。消防臂用铝板焊接，中间是空心的，便于控制线穿过。
消防臂系统由大臂、中臂、小臂及其支架组成，控制线置于消防臂内，可避免工作时控制线外露造成的断线或缠绕，减轻自身重量，适当提高消防臂的刚度。摇臂内部设置了一系列驱动机构和水切割枪，可利用水切割枪喷出高压水流进行灭火，并可自适应调节，瞄准火源，完成灭火作业。枪械系统具有四个自由度，可灵活调整位置和运动状态。它在完成灭火任务中发挥着重要作用，具有一定的通用性。
图 2.消防枪结构图
图 3.火器的整体结构
3.3 消防控制系统的设计
火控系统的硬件主要由上位机和下位机组成。上位机和下位机都采用以 STM32F407 为核心的控制板来实现功能。上位机与下位机之间采用无线通信技术实现信号传输。在 Keil 环境下，控制板采用 C 语言编程。由于 STM32 芯片集成了单周期 DSP 指令和浮点运算单元，提高了运算能力，可以大大节省实际运算的时间。同时，它还支持程序执行和数据传输与处理。数据传输速率非常快[5]。在发生火灾时，消防官兵可以控制机器人进入火灾现场，对机器人进行远程操作，控制机器人的各个部分，完成灭火任务。
在实现控制的过程中，消防机器人通过无线通信技术将检测到的现场工况传输到上位机，并显示在控制端的屏幕上。消防员控制机器人。上位机读取控制手柄的控制信号。经过 A / D 转换后，利用无线模块 NRF24L01 将命令传输给下位机。下位机的控制芯片通过驱动模块
3.4 其他部分
摄像头：摄像机：在机器人本体的中间设置了一个摄像机，可将火灾现场的环境条件和枪支的工作情况传输到上层计算机。摄像头设置在平台上方，可旋转
4.基于 STM32 的智能消防机器人的创新性与实用性
将重型部件安装在整车底盘上可降低整车的质心高度，提高稳定性。
采用 STM32 作为控制板，利用遥控手柄对机器人进行远程控制，从而降低消防员进入火灾现场的风险。
Wi-Fi 摄像头用于远程监控现场和收集数据。
水喷淋器可在大范围内自动展开、旋转和灭火，占用空间小，稳定性高。
保护盖可以保护设备免受损坏。
5.结论
智能消防机器人主要由三部分组成：消防运动系统、消防喷水系统和消防控制系统。各部分相互配合，共同完成灭火任务。发生火灾时，消防员可以远程控制消防机器人进入火灾现场，通过摄像头观察环境状况和消防机械臂的工作状态，控制机器人的运动，调整消防机械臂的状态，快速灭火。消防机器人可以代替人参与到危及生命的事情中，完成一些高难度的任务和工作，进入易燃易爆危险事故现场进行数据采集、处理和反馈。机器人可实现实时远程监控操作，有效灭火，保障人们的生命安全和财产安全[6]。
致谢
本研究得到了国家青年科学基金项目（批准号：51705200）的资助。
关于作者
Changzong Wu（1977-），男，山东省潍坊市，电子邮件：me_wucz@ujn.edu.cn；电话：+86-8-8-8-8-8-8-8-8-8-8-8-8-8-8-8-8：
13698637583 .
参考资料
[1] Ni Y T, Lu D Y, Wang Z H. 消防机器人研究现状综述与展望[J].自动化应用，2017（02）：28-29.
[2] Dang H C. 消防机器人在我国灭火救援中的应用现状及前景分析[J].消防技术与产品信息，2016（03）：69-71.
[3] 王恩德.消防机器人履带行走装置设计与运动学仿真[D].东北林业大学，2015.
[4] 徐立文，魏丙英. 消防机器人行走控制系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2017，25（01）：66-69.
[5] 张杰.消防机器人结构设计与控制系统研究[D].河北工业大学，2015.
[6] 魏海明.远动消防机器人系统关键技术研究[D].东南大学，2018.
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