變電站輪式消防機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及防碰撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究
為了提高變電站對(duì)早期火災(zāi)的防控水平，設(shè)計(jì)了一種變電站用消防機(jī)器人，包括主控計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、滅火裝置、視頻導(dǎo)航裝置及防碰撞系統(tǒng)。實(shí)踐證明，該機(jī)器人承載能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定且?guī)Х琅鲎蚕到y(tǒng)，能解決相應(yīng)的火災(zāi)防控問(wèn)題。
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量變電站的投用，變電站消防問(wèn)題也漸漸凸顯出來(lái)。變電站內(nèi)存在的高電壓、大電流生產(chǎn)設(shè)備，隨著設(shè)備服役年限的增加易因設(shè)備故障、絕緣老化、過(guò)載過(guò)流、自燃或外界因素等引發(fā)火災(zāi)，輕則損毀設(shè)備，重則導(dǎo)致電力供應(yīng)中斷，對(duì)社會(huì)生產(chǎn)、生活造成負(fù)面影響。目前，變電站的消防設(shè)施主要有火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、排油注氮滅火系統(tǒng)、細(xì)水霧滅火系統(tǒng)、防火封堵及少量的移動(dòng)式消防系統(tǒng)等，少數(shù)極重要的功能區(qū)則配置有自動(dòng)滅火裝置及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但是這些消防設(shè)施主要在重要的功能分區(qū)才安裝，現(xiàn)有的移動(dòng)式消防系統(tǒng)均存在承載能力弱，反應(yīng)、移動(dòng)速度慢，自身安防系統(tǒng)不到位等情況。為此，本文針對(duì)變電站內(nèi)工作場(chǎng)所，設(shè)計(jì)一種承載能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定且?guī)Х琅鲎蚕到y(tǒng)的移動(dòng)式消防機(jī)器人來(lái)提高變電站對(duì)早期火災(zāi)的防控水平，
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)包括主控計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、滅火裝置、視頻導(dǎo)航裝置及防碰撞系統(tǒng)，圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成原理圖，圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。主控計(jì)算機(jī)采用嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)與變電站監(jiān)控中心互傳數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集線和控制線與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、滅火裝置、視頻導(dǎo)航裝置及防碰撞系統(tǒng)相連接，集中控制各裝置動(dòng)作。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括底盤(pán)和安裝在底盤(pán)上的4個(gè)車(chē)輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)械自鎖裝置等，接收主控計(jì)算機(jī)控制指進(jìn)行動(dòng)作。滅火裝置包括視頻導(dǎo)引探頭、滅火噴槍、干粉滅火器和三維機(jī)械臂。三維機(jī)械臂由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有3個(gè)自由度，電機(jī)接收主控計(jì)算機(jī)控制指。當(dāng)主控計(jì)算機(jī)接收到明火報(bào)警且機(jī)器人移動(dòng)到著火點(diǎn)附近后，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)視頻導(dǎo)引探頭采集的圖像信息確定著火點(diǎn)，并控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)三維機(jī)械臂將滅火噴嘴對(duì)準(zhǔn)著火點(diǎn)；三維機(jī)械臂動(dòng)作到位后，主控計(jì)算機(jī)控制電磁閥開(kāi)啟，釋放干粉滅火器內(nèi)的滅火劑；滅火劑經(jīng)導(dǎo)管由滅火噴槍噴出，對(duì)著火點(diǎn)進(jìn)行快速滅火，控制初期火災(zāi)蔓延，為救援工作贏得時(shí)間。視頻導(dǎo)航裝置包括視頻導(dǎo)航探頭和RFID讀卡器，采用基于RFID定位的視覺(jué)導(dǎo)航方法，利用視頻導(dǎo)航探頭攝取前進(jìn)方向的地面圖像信息，通過(guò)圖像處理算法提取圖像中的條帶狀路徑引導(dǎo)線，由主控計(jì)算機(jī)控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)按照引導(dǎo)線路徑行駛；同時(shí)，用RFID讀卡器讀取路徑引導(dǎo)線附近的射頻卡上預(yù)存的位置信息，獲取機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航定位。防碰撞系統(tǒng)包括多個(gè)紅外傳感器，紅外傳感器分別安裝在機(jī)器人前、后、左、右側(cè)面，探測(cè)周?chē)恼系K物并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后發(fā)送到主控計(jì)算機(jī)中進(jìn)行信號(hào)處理；做出動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，向底盤(pán)控制器發(fā)出運(yùn)動(dòng)合，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)做出避開(kāi)障礙物的運(yùn)動(dòng)。
2運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及防碰撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
圖3為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制原理圖，圖4為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)包括底盤(pán)和安裝在底盤(pán)上的4個(gè)車(chē)輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)械自鎖裝置、電機(jī)減速器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、底盤(pán)控制器、嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器。每個(gè)車(chē)輪都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)減速器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)減速器之間設(shè)置有機(jī)械自鎖裝置，嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送運(yùn)動(dòng)命合給底盤(pán)控制器，底盤(pán)控制器發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制命合給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器并發(fā)送自鎖解鎖命合給機(jī)械自鎖裝置。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)電機(jī)減速器驅(qū)動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。底盤(pán)控制器采集電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器。
2.2防碰撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)
防碰撞系統(tǒng)由多個(gè)紅外傳感器組成紅外傳感器陣列，分別安裝在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)裝置的前、后、左、右側(cè)面，控制原理如圖5所示，結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。紅外傳感器的信號(hào)接口與嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的輸入/輸出端口相連。紅外傳感器探測(cè)周?chē)恼系K物，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后發(fā)送到嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器。嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)接收的紅外傳感器信號(hào)進(jìn)行處理，做出動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，并向底盤(pán)控制器發(fā)出運(yùn)動(dòng)合，由底盤(pán)控制器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)做出避開(kāi)障礙物的運(yùn)動(dòng)。
紅外傳感器采用博光E18-DSONK型，為紅外線發(fā)射與接收功能的一體化光電傳感器，最大有效檢測(cè)距離為80cm，是一種有效的接近覺(jué)傳感器，具有角度分辨率高、反映靈敏、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在有效檢測(cè)距離內(nèi)沒(méi)有障礙物時(shí)，紅外傳感器的信號(hào)接口輸出為低電平；當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)裝置在運(yùn)動(dòng)中遇到靜止或移動(dòng)的障礙物時(shí)，相應(yīng)位置的紅外傳感器的信號(hào)接口輸出為高電平。嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器檢測(cè)到紅外傳感器信號(hào)接口的電平變化后，根據(jù)所有輸出為高電平的紅外傳感器的分布信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)決策，判斷周障礙物的位置，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人下一周期的動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃，并將運(yùn)動(dòng)合發(fā)送給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)裝置的底盤(pán)控制器。底盤(pán)控制器對(duì)嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送的運(yùn)動(dòng)合進(jìn)行解析，將其分解為四路驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)速度和方向信息，再由控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)裝置做出相應(yīng)的動(dòng)作避開(kāi)障礙物，達(dá)到防碰撞的效果。
3結(jié)語(yǔ)
在實(shí)際工況下模擬火災(zāi)，消防機(jī)器人通過(guò)巡檢、發(fā)現(xiàn)火災(zāi)、迅速移動(dòng)到火場(chǎng)附近、快速滅火等程序，實(shí)現(xiàn)了高效滅火。基于導(dǎo)航裝置進(jìn)行自動(dòng)巡檢的機(jī)器人，承載能力強(qiáng)、移動(dòng)速度快、調(diào)整迅速、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、能源利用率高；采用滅火裝置對(duì)突發(fā)火災(zāi)進(jìn)行快速滅火，控制初期火災(zāi)蔓延，為救援工作贏得了時(shí)間。該系統(tǒng)加強(qiáng)了早期火災(zāi)防范和撲救，更有效地改善了變電站的消防安全狀況。
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