声波灭火机器人的设计

声波灭火机器人的设计

陈智 陈平柠 覃明媚 冷远航 唐立培

河池学院物理与机电工程学院 广西河池 546300

摘要：本设计从安全与自动化灭火的方向出发，通过对传统灭火机器人灭火机构的结构、原理、优缺点进行深入研究，其次经过收集整理资料调查发现机器人在灭火的时候遇到的高效与污染问题。我从声波灭火原理所受到启发，设想出一款声波灭火机器人，实现节约资源、高效灭火和污染小，让灭火趋于更加简洁、轻便、环保的方向发展，并解决传统灭火机器人无法大量投入使用的问题。

关键词：灭火；声波；机器人

1 引言

目前国内经济技术的发展，智能化已成为发展的趋势，而机器人就是智能化的结晶，各行业机器人在不断地出现，消防行业对灭火类机器人的需求也越来越急迫，现有的消防机器人体积大，还受制于消防水携带，这限制它们进入建筑内部进行有效的灭火。而能进入建筑内的灭火的机器人存在，但无法长时间工作，且会对周围环境造成二次污染的问题，因而灭火介质的选用决定了消防机器人资源利用率，促使消防机器人的普及难度大，投入使用量低。现有的灭火机器人一般使用的灭火介质为泡沫与清水，但以水和泡沫作为灭火介质的灭火机器人无法应用于电气之类的火灾，因此不能适应多样的环境，又因结构的原因无法进入建筑内部进行有效的灭火。显然传统灭火机器人无法满足这样的要求，也无法保证对环境不被污染。为了降低火灾造成的生命威胁和财产损失，保障消防员的安全，保护建筑不遭破坏，避免对环境的二次污染，因此，研制了一款新型消防灭火机器人，可应用于多样事故现场环境成为紧要的问题[1]。

2 总体结构设计

声波灭火机器人主要由控制系统、传动装置、感应装置、降温装置和灭火装置五部分组成。选择arduino作为控制系统通过感应装置获取现场的火焰距离、温度、障碍物距离等信息，从而有效控制声波灭火机器人的前进和停止方向、灭火、降低内部环境温度的目的。声波灭火器的转动方式及方向，声波灭火器的材料的选用及校核，选定声波灭火器最简单省力的旋转方式，声波灭火器的转动方向的选择是否符合可行性；传感器选择，根据频率响应特性、灵敏度特性、线性范围、稳定性、价格、精度，选用火焰传感器、声波传感器、红外测距传感器、灰度传感器；当火灾发生时温度高达400℃，因此声波灭火机器人需要降温装置进行降温，为提高机器人的灵活性，本设计不采用外部水源进行降温，而采用内部循环系；考虑到火灾现场环境情况复杂且温度高，在平面存在无障碍物的概率接近于0，所以要求声波灭火机器人要有一定的翻越障碍物和避开障碍物的能力，同时要求声波灭火机器人要有一定的耐高温性能，显然轮式运动结构不足以达到此目的，故选择具有良好越障能力隔燃橡胶的履带结构[2]。

3 控制系统设计

3.1 控制系统

在工作状态下，灭火机器人可利用超声波传感,红外线传感器实现自主路径、自主避障的功能,利用火焰传感器和灭火装置实现自动识别火源,精准定位灭火的作用。感应技术:机器人能否顺利检查、准确寻找及扑灭火源，关键取决于火焰传感器。行走技术:机器人在行走过程中应能避开障碍物，因此主程序控制采用避障算法,避障算法通过读取多个PSD传感器信号判断障碍物的情况，从而控制机器人无碰撞地沿墙行走。本项目所设计的灭火机器人控制系统稳定性强,敏捷性高和设计可靠，具有高效灭火功能,能够满足控制系统的设计需求。本文设计的基于arduino的灭火机器人系统,利用火焰传感器检测火源,通过电机驱动声波灭火器来灭火;采用红外模块、超声波模块来检测距周围墙壁的距离,并通过红外测距模块作为辅助避障工具实现自主路径，自主避障,自主寻找火源。

3.2 PID算法控制

控制系统是机器人的核心，就是控制机器人运动的系统驱动方式，通过对比验证，步进电机体积小，成本相对的低廉，驱动简单，速度快等性能，符合整体设计的需求。直流电机广泛应用于工业建设中，直流电机的控制转速的算法很多，其中PID算法是最为常见的，其在工业建设中采用的也是最为多样化，能精准的控制电机的转速，在操作方面也是简单、稳定。具有优越的性能，能贴合本设计的要求。

计算公式：PID=Uk+KP*[E(k)-E(k-1)]+KI*E(k)+KD*[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]

3.3 限幅滤波算法

在使用传感器的时候，我们经常会需要对各种数据进行处理解析，而滤波在数据的处理上是必不可少的，因此总结一下了一些简单的数据滤波的程序算法，为了获得稳定的信号，减小误差的影响，本系统采用限幅滤波算法减少因方波信号过大而产生的误差影响[3]。

4 机械结构系统设计

4.1 齿轮的传动装置

(1)根据负载、以及运动状态来计算驱动功率；(2)初步估定齿轮模数；(3)进行的结构设计，确定传动比、以及传动级数；(4)根据总传动比进行分配，计算出各级的分传动比。

4.2 降温装置

过高的温度会影响电路中信号的传输，从而干扰声波灭火机器人的工作，为提高灭火机器人在高温地的工作时间，机器人运动结构内部中设计一个的冷却装置，以气体的循环带走热量来降低温度，来保护灭火机器人的控制精确。当温度传感器达到50℃时，气压泵工作使冷凝气体沿着管道从控制电路板周围运动，当气体经给循环后，带走电路附近的温度，使控制电路板的温度降低从而达到降温的目的。

4.3 灭火装置

主要通过持续的低频声波影响火源的压力、温度、氧气浓度影响燃烧反应的过程达到灭火达到。从化学角度来说，在固定空间内，压力的减小会降低燃烧反应的速度；从能量角度来说，高能量会向低能量流动，火焰在燃烧过程中会释放大量的能量，当低能量的声波持续作用于火源时，会促使火源周围高温朝着低温趋势发展;从氧浓度方面解释，氧浓度的变化一定程度影响化学反应自由基的链引发和传递过程,低频声波扰动火焰区域,在一定时间内,减少了氧气的浓度,采用隔氧法进行灭火，从而使燃烧化学反应的速率降低,降低火焰。由于声波在传递过程中会发生折射和衍射使声波传递距离降低，为了使声音传递距离变远，不易发生扩散，所以声波灭火器采用渐开线结构。

5 小结

本设计的灭火机器人不需要这些灭火介质，所以不会受制于建筑区外，移动范围广，同时不需要使用水，也不需要使用泡沫、干粉等进行灭火，只需要电源驱动和少量的水进行这灭火减少了浪费，节约资源。在保证消防人员人身安全的同时确保不会污染环境。目前市面上尚缺乏能适应各种火灾场地、体积小、无二次危害、也不会对物品造成二次破坏的声波灭火机器人，市场上没有同类产品的竞争，代表市场广阔，因此改产品具有极高得推广应用价值。

本项目由2019年自治区级大学生创新创业项目支持（NO. 201910605081）

6 参考文献

[1]徐林雅，宋振森．消防灭火过程中火灾温度场研究[J]．石家庄铁道大学学报（自然科学版）．2019

[2]张广纯，刘承志．增大声波在管壁中传播距离的探讨[J]．钢铁研究学报．1992

[3]柏龙灏，柏硌，赵刚要．智能灭火机器人的设计与实现方法研究[J]．合肥学院学报，2015

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