智能侦查灭火机器人

2009年11月第16卷增刊控制工程

Contr ol Engi neering of China

Nov.2009Vol.16,S 3

文章编号:1671-7848(2009)S 3-0116-06

收稿日期;收修定稿日期作者简介程鹤鸣(),男,湖北黄冈人,研究生,主要研究方向为机械制造及其自动化等。

智能侦查灭火机器人

程鹤鸣,龙

飞,任

才,王国文,吴敬兵

(武汉理工大学机电工程学院,湖北武汉

430070

)

摘要:以遥控电动小车为研究对象,基于三菱FX2N 系列PLC ,建立智能侦查灭火机器

人模型,对控制系统进行优化,使灭火机器人的各模块之间能够平滑、稳定地协同工作。采用L298芯片分别控制2台电机,通过不同的转速实现机器人的灵活转向,并利用PL C 产生不同占空比的PWM 波实现机器人的无级变速,确保机器人平稳运行。同时,利用编码器检测电机转速并将信息反馈给PLC 构成闭环控制,从而实现机器人行走路线的精确控制与调整。智能侦查灭火机器人的火焰、避障以及行走模块协同工作,使其能够更快速、安全地发现并到达火源,实现灭火。关

键

词:智能侦查灭火机器人;PLC ;L298芯片;智能侦查

中图分类号:TP 27

文献标识码:A

Intelli gent Detecti on ofF ire -fi g hti ng Robot

C HE NG H e -m i ng,L O NG F ei ,REN Ca i ,W A NG Guo -wen ,WU J in g-bing

(M ec h an i cal and E lectri cal Eng i neeri ng ,Wuhan Un i versity ofT echnolo g y ,W u h an 430070,

Ch i n a)

Abstr ac t :Taki ng e l ec tric re m ote co ntrol ca r as t he research o b j ec t ,based o n M itsub i sh i FX2N -PL C,t he i nte lli gent detecti on fire -

fi ghti ng ro bot controlm o de l is establi shed and control syste m i s opti m i zed .The ro bot fire -fi ghti ng a m o ng the var i ous m o dules can be s m ooth and stab l e work together .L298ch i ps are used to co n trol t wo motors runn i ng ,through d iffe rent speed fl exi b l e ro bot t urn and take advantage of PLC have d ifferent duty cycle of the P WM wave ro bot 's co ntinuously va riab l e to ens u re the s m ooth operati on of robots .M ean while ,t he detecti on ofm ot or speed usi ng enco der feedback to t he PLC will constitute a c l osed -l oop control to ach i eve prec ise con -trol and adj ust m ent of robots routes .Each module i nte lli gent de tecti on fire -fi ghti ng robot can work togethe r m ore qu i ckly and safe l y to fi nd and reach t he fire source and fi ght it .

K ey word s :i n telli gent detectio n of fire -fi ghti ng ro bot ;PLC ;L298ch i ps ;

intelligent detectio n

1引言

最近几十年,随着中国经济的高速发展,大量的各类高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现,而此类建筑的结构与构建材料的特殊性,使得其在发生火灾时,消防人员不可能在短时间内到达高处的火灾发生地点,阻止火势的进一步蔓延,在地下建筑中,由于环境比较潮湿,烟气不易扩散,消防人员难以快速的判定火源位置;而在石化企业发生火灾时,会产生大量的有毒气体,使得消防人员在灭火时极易中毒。火灾现场对在场的任何人都有着极大的危害,尽快救助火灾中的受害者,最大限度地保证消防人员的安全,消防机器人的研究被提上日程,机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证。存在的问题,灭火的要求,已有的条件使得消防火机器人应运而生。

智能机器人在中国正处于高速发展阶段,但无论是其技术的研究和应用,还是技术的普及与教

育,我国与机器人强国还是存在不少差距。

三菱公司的FX2N 系列PL C [1]

是1种高性能、高稳定性的控制器,非常适用于智能侦查灭火机器人控制系统中,三菱的CC -li nk 总线是1种开放式

的现场总线,通信速率高,将CC -link 总线[2]

应用于电动汽车控制系统,易于实现控制的网络化,分散化,由软件逻辑替代传统的直接线束控制,可靠性是传统控制系统的数10倍,同时可实现实时诊断,测试和报警功能,系统功能扩展不受限制。

2项目简介

/智能侦查灭火机器人0项目研究以遥控电动小车模型为研究对象,建立智能侦查灭火机器人控制模型采用三菱FX2N 系列PLC 对控制系统进行优化,使灭火机器人中各模块能够平滑、稳定地工作并具有全局侦查发现火源及报警,最佳路线选择,识别障碍与避障方案选择,火灾程度判定与应对方案选择,最后自动归位功能,在其工作的同时,将

:2009-08-18:2009-09-18:1984-

现场的情况通过摄像头及无线路由器传递给后方控制面板上,然后由无线遥控适时地调节应对措施,实现人机对话,使之能够适应复杂的实际路况和火灾现场控制系统先将机器人内功能模块按功能和位置分类,再通过控制单元连接相连接,控制单元通过相应模块与PLC进行连接,实现分散控制。

通过FX2N系列PLC控制直流电机和连接各控制单元模块,可以实现机器人的前进启动,倒车启动,刹车,加减速和转向控制,并采用保护装置确保行驶安全,并接收来自操作面板的信号,并将操作指令发送到各控制单元模块。

PL C连接仪器可包括报警器,无线控制器,灭火器,传感器,红外感应器,火焰感应器,并预留4-8个I/O口备用,便于系统扩展。

3运动控制系统设计

1)电源方案选择

方案1:单电源供电优点是供电电路简单;缺点是由于电机的特性,电压波动较大,严重时可能造成控制系统掉电。

方案2:双电源供电将电机驱动电源其它电路电源分离,利用光电耦合器传输信号。优点是减少耦合,提高系统稳定性;缺点为电路较复杂,电池占空间较大。

由于车耗电量较大,用12V车载电瓶,可以提供较大功率供电,可以满足电量要求,为了防止控制系统受电机启动特性影响,使用双电源供电。同时设计电源电路板,使12V电源可通过150W 逆变器转换成220V50H z交流电供给PLC,同时可以由变压器,整流电路和7812稳压管将220V 50H z交流电变为12V直流给电瓶充电。

另取电源712V通过7805稳压管后向控制系统和传感器供电,另一路加到电机驱动电路,并在电机端口两端加上了011uF去耦电容。

考虑如上,使用双电源供电方案。

2)电机驱动调速方案选择电机驱动调速方案的控制目标是实现电动机的正、反转及调速。

方案1:电阻网络或数字电位器调整分压

采用电阻网络或数字电位器分压调整电动机的电压。但电动机工作电流很大;分压不仅会降低效率,而且实现很困难。

方案2:采用继电器开关控制采用继电器控制电动机的开或关,通过开关的切换调整车速。优点是电路简单,缺点是响应时间慢、控制精度低、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性低。

方案3型WM电路采用电子开关组成型WM电路[3]。型电路保证了简单的实现转速和方向的控制;用硬件电路来控制电子开关工作的占空比,精确调整电动机转速。

最终选择方案3。

机器人采用两轮驱动方式行走,前后2个万向轮辅助平衡,用2个直流电机分别控制两轮转动,实现以转速差的方式控制机器人转向。

电动机的调速系统中采用改变电枢电压的方法,并且是采用脉宽调速方式,即P WM控制系统。改变脉冲的占空比,可以实现变频也变压的效果。

具体电路,如图1

所示。

图1H型驱动模块的设计

本电路采用的是基于P WM原理的H型驱动电路。采用H桥电路可以增加驱动能力,同时保证了完整的电流回路。

当U1为高电平,U2为低电平时,Q3,Q6管导通,Q4,Q5管截止,电动机正转;当U1为低电平,U2为高电平时,Q3,Q6管截止,Q4,Q5管导通,电动机反转。电机工作状态切换时线圈会产生反向电流,通过4个保护二极管D1,D2,D3, D4接入回路,防止电子开关被反向击穿。

采用P WM方法调整电动机的速度,首先应确定合理的脉冲频率。脉冲宽度一定时,频率对电动机运行的平稳性有较大影响,脉冲频率高马达运行的连续性好,但带负载能力差;脉冲频率低则反之。经试验发现,脉冲频率在50H z以上,电机转动平稳,但机器人行驶时,由于摩擦力使电机转速降低,甚至停转。当脉冲频率在10H z以下时,电机转动有明显的跳动现象,经反复试验,在脉冲频率为15~20H z时控制效果最佳。为方便测量及控制,在实际中采用了20H z的脉冲。

脉宽调速实质上是调节加在电机两端的平均功率,其表达式为

1

T Q

KT

P m a x dt=KP ma x

式中,x为电机全速运转的功率;K为脉宽。

设为电机两端的平均功率;当K=时,相当于加直流电压,这时电机全速运转,=x;当K=时,相当于电机两端不加电压,电机靠惯

#

117

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增刊程鹤鸣等:智能侦查灭火机器人

:H P H P H P m a

P1

P P m a 0

性运转。

当电机稳定开动后,有:

P =fV(f 为摩擦力)

则:KfV max =fV 。所以:V=KV max 。

由上式知机器人的速度与脉宽成正比。

由上述分析,U 1,U 2这对控制电压采用20H z 的周期信号控制,通过对占空比的调整,对车速进行调节。同时,可以通过U 1,U 2的切换来控制电动机的正、反转。

在实际调试中,发现因桥式电路中4个三极管的参数不一致,使控制难度加大,因此使用一片L298便可完成对两路电机的控制。

3)机器人转向及方向反馈控制系统设计

机器人的转向方式选择机器人转向方式设

计需先考虑机器人行走方式,在设计时曾先后考虑过以下方案:

a)四轮行走,前轮转向,其工作状态稳定,具有越障能力,且有现成的参考模块,但机构比较复杂。b )履带行走,两端履带通过速度差转向,工作状态稳定,具有很强的越障能力,但零件价格较贵,制作成本高。c)三轮行走,单轮转向,结构简单,制作方便,但工作状态不稳定。d)三轮行走,双轮以速度差转向,其工作状态稳定,机构简洁,制作方便,易于控制。

综上对比,选择方案d),也就是三轮行走,双轮以速度差转向。

机器人的反馈控制系统设计机器人在行动

过程中,需要解决3大问题:1.我在哪,2.我要去哪,3.怎么去。解决的核心便在于对行动动作的精确控制。

机器人实现不同行动方式和路线的关键在于2个电机转速的精确控制。在电机上加装编码器,便可将电机的实际转速信息反馈给控制系统,控制系统将其与所要求的转速进行对比,并可实时地对输出的P WM 波的占空比进行微调,进行闭环控制,即可实现。

机械人行动反馈控制原理,如图2

所示。

图机器人行动反馈控制原理图

传感器模块设计

)红外避障模块设计

方案1:超声波探测采用超声波器件。超声波波瓣较宽,一个发生器就可以监视较宽的范围。其优点为抗干扰能力强,不受物体表面颜色的影响。缺点为实现电路复杂,且用通常的测量方法在较近距离上有盲区。

方案2:光电式探测采用光电式发射、检测模块。由于单个发射器的照射范围不能太小,因此不使用激光管。用波瓣较宽的脉冲调制型红外发射管和接收器。其优点是电路实现简单,抗干扰性较强。

要寻找火源,但火焰在某种程度也相当于障碍,同时从电路实现的难易程度考虑,最终选择了方案2。

避障模块工作基本原理红外避障基本模块

为红外发射端和红外接收端。其中,红外发射端又包括红外波发生器和红外波发射管,红外接收端包括红外接收管和信号反馈器。

红外避障模块启动后,由红外波发生器产生红外波,输送给红外波发射管,再由红外波发射管对外发射。当前方无障碍时,则没有红外波信号被反射回来,信号反馈器便认为前方无障碍,并将此信息反馈给PLC ;当前方有障碍时,则有红外波信号被反射回来,信号反馈器便认为前方有障碍,并将此信息反馈给PL C 。

PLC 接收到不同方向的障碍信号后,进行综合处理,得出最佳的行动路线,并将动作信号输送给电机,驱使电机做出正确的动作。避障原理,如图3,图4

所示。

红外避障实现的具体方式

)发射端设计发射端取3z 的红外波为载波,由于取的接收管为脉冲型接收管而不是电平型接收管(具体原因在下文解释),必须对其进行调

#118#控制工程第16卷

241a 8k H

制。因此,以120H z 的方波对其调制,则其输出的波为120H z 的调制波,载波为38k H z ,再经过三极管放大后,输送给发射管,将红外波发射出。

b)接收端设计接收端用S M0038接收管,这是1种脉冲型接收管。脉冲型接收管区别于电平型接收管,电平型接收管只要接收到38k H z 的红外波便有信号反馈,极易受到干扰,产生误动作,而脉冲型接收管必须是接受到指定调制的载波才会有信号,其调制相当于是加了一道密码,可大大地减少干扰。

接收管接收到信号后,经过处理后将信号输送给信号反馈器,但此信号同样有可能是由干扰而产生的,如日光灯和太阳,其发出的无数波长中就可能有一段是类似于调制后的载波。此时就必须进行解调,查看它的调制是否就是设定的发射波的调制,如果不是,则认为此信号无效;如何是,则说明发射的红外波遇到障碍被反射回来,由信号反馈器将前方信息反馈给PL C 。

2)火源的方向及距离感应模块设计采用固定方向安装方式,将2个火焰传感器固定在车头的左右两边指向前方,当车头对准光源时,2传感器输出平衡;当车的方向不准时,通过2传感器输出的差别控制车原地转向来来对准火源。其火焰原理图和电路图如图5

所示。

图5火焰侦查原理图

火源侦查模块由3个火源方向侦查管和1个火源距离侦查管组成,于机器人前方放置3个火源方向侦查管,感知火源相对于机器人的位置,是在正前方、左边还是右边;1个火源距离侦查管,感知正前方火源相对机器人的距离。

机器人在一定的范围内按规则行走,将所有空间侦查到,当感知右方有火源,将此信息返回,并使机器人右转,直到右方火源信号结束,正前方火源信号出现,便开始前进。当上方的火源距离侦查管有信号时,说明火源距离机器人只有30c m 了,此时,机器人停止行动,开始灭火,并发出警报。当左方有火源时动作类似。

5侦查救援模块设计

在火灾现场对搜救工作来而言,最大的难题是怎么快速了解现场情况,其火势如何,蔓延方向,受困人员的位置和处境。同时,火灾现场的情况又

在不断变化,随时有爆炸和墙壁倒塌的危险,如对以上情况了解不足,贸然进入起火建筑中,不仅难以控制火情,甚至可能使救援人员陷入困境,此时就需要有机器人代替人进入现场并将情况反馈。

侦查救援模块包括遥控模块,摄像头,声音传感器,无线发射器,扬声器。侦查救援原理,如图6

所示。

图6侦查救援模块原理图

在机器人的前方装有摄像头,可实时地将机器人周边环境的状况、受困人员的位置反馈给后方人员,后方人员获得实时的资料,可以迅速而有效地对后续的救援工作进行安排和调整。机器人的中部装有声音传感器和扬声器,当机器人在火灾现场发现受困人员时,指挥人员可以与受困人员交流,指导其应对困境。

6

PLC 程序设计

1)PLC 模块本机器人是基于三菱FX2N 系列PLC 控制的。PL C 可靠性高,抗干扰能力强、适应恶劣环境下工作。机器人集侦察、避障、灭火于一体,要实现的功能很多,且是在火灾现场或环境很恶劣的情况下使用,所以对控制系统的稳定性要求非常高,因此选用三菱的PLC 作为控制中心,然后根据需要的功能设计输入输出模块,具体,如图7

所示。

图控制系统结构图

#

119#增刊程鹤鸣等:智能侦查灭火机器人7

要实现侦查、避障、灭火、报警、和返回等基本功能,基本思路如下:

在火灾现场当不明内部情况时放机器人进入1个着火的房间、仓库或走道。通过机器人上的摄像头将信息传到主机实行实时监控,机器人本身可以通过PLC 内部程序和电路模块驱动小车运转,在前进过程中如遇到障碍,红外避障传感器会将信息传给PLC ,PLC 通过程序和电路控制机器人避开障碍。

当机器人的火焰传感器探测到火焰信号后会反馈给主机,主机会做出判断,驱动车体接近火焰,如果在接近火焰的过程中遇到障碍的话,车体会选择优先避障,然后再继续执行接近火焰的程序。当小车到达距火源一定距离时会停下来,然后打开电磁阀对准前方喷出灭火剂。喷完之后会报警示意,也可通过摄像头看见具体情况。然后小车会原地旋转180b ,进而返回初始地点。

在行进过程当中如果出现突发事件,需要机器人快速撤离现场的话,可以用遥控接管机器人,使其快速返回。

2)程序设计本次设计选用三菱FX2N -80MT 型号的PL C 一台。

配合程序介绍PL C 及相关模块,PLC 外部整体的接线图,如图8

所示。

图8PLC 外部接线图

电机输入方式为从X0~X3分别是控制两电机正反转,X 是总切断开关。输出分别为Y ~Y3,一接通开关会通过L 电路驱动电机自保持运转,程序开始时给个初始脉冲使小车向前行进。

驱动部分程序如图

所示。

图9电机驱动部分程序

避障模块有左、前、右3个红外避障传感器,分别有X5,X6,X10表示输入接通。左边和前边有障碍就往右转,右边有障碍就往左转。除了红外避障外,为了以防万一加了4个碰撞开关分别由X7,X13,X25,X12接通信号。且碰撞开关的优先级别比红外避障高。它们的部分程序,如图10

所示。

图10红外避障部分程序

火焰传感模块由X25,X26,X11,X14输入表

示,左边的传感器接到信号会接通X25,右边有信号会接通X26,正前方信号会接通X11,上方传感器有输入会接通X14。火焰传感器不但负责接受火焰信号,还可以起到定位的作用。

具体如下:前方有信号,小车会接近火源,当左方有信号的话说明左方有火(前提是传感器的指向性很直,用套管套在传感器上使它的指向性很好),会优先让小车向左转1个小角度,以保证前方指向火源中心,右方有火源是同样的道理。当两边都有信号时说明火源范围很大,直接接近火源就行了。当上方的传感器有输入说明小车已经距火源3了,然后会启动灭火装置,进而报警,返回。

报警部分程序和遥控接管部分程序,分别如图,图所示。

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当行进过程中遇到紧急情况要快速返回时就用遥控人工接管,使机器人能快速返回。

用的是一键通断程序[5]

,当按一下键时会接通,再按一下会切断。遥控模块设置了7个键X15,X16,X17,X20,X21,X22,X23分别对应着遥控器上的1,2,3,4,5,6,7。他们的功能分别是:接管、总停止、左轮反转、右轮正转、左轮正转、右轮反转、启动灭火装置。

7结语

本文机器人控制的自动化程度较高,以三菱PL C 为主体的控制系统稳定性好,能够适应于机器人工作的恶劣环境,与市场上已有的一些消防机器人相比,大大提高了工作效率。本设计表达对消防侦查灭火机器人进一步智能化控制的愿望,在这个以人为本,和谐进步的社会里,让更多的人健康、安全的生活。参考文献:

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[3]王兆安,黄俊.电力电子技术[M ].北京:机械工业出版社,2000.

[4]韦琳,图解电子电路[M ].北京:科学出版社,2006.

[5]

张万忠.可编程控制器入门与应用实例[M ].北京:中国电力出版社,2005.

(上接第58页)

5触摸屏控制系统

触摸屏控制系统是为了控制电梯的内呼。它是

用G T Desi g ner2软件编写电梯内呼按钮的监控画面,通过U S B 接口送到触摸屏内,如图8

所示。

图8触摸屏内呼画面

当手指或其他物体触摸到安装在显示器前端的

触摸屏时,所触摸的位置由触摸屏控制器检测,并通过接口(RS -422串行口)送到电梯实现通信。

6结语

双匀速电梯的PLC 编程,还需在编程过程中要注意运行速度曲线,通过控制加速度和加加速度,使电梯运行安全平稳、高效快捷。这种PLC 的编程方法简单直观,逻辑关系清晰,工作稳定可靠,各程序段相对独立,特别便于修改和扩展,是在工程设计应用方面值得推广的一种行之有效的编程方法。此系统利用触摸屏和/组态王0实现对电梯的数据采集与监控,监控界面清晰,功能较强,取得了较好的双向控制功能。参考文献:

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FX1S ,FX1N,FX2N ,FX2NC 编程手册[M ].M its ub is h i E lectric Corporati on ,2006.

(上接第72页)

6结语

本文提出了应用三菱Q 系列L 等设备,专门

针对橡胶厂在生产过程中产生的碱性工业废水进行净化、中和以及生化氧化等处理,使其最终达到中水的排放标准。经过处理的污水完全可以被工厂再次使用,或是被安全的排放到河流中而不会造成污染。本系统功能设计上还采用了手动和自动两种

不同是方式,这样可以适应不同的要求。参考文献:

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梅林,林伟国基于模糊自适应I D 的污水处理值控制系统[]仪表技术与传感器,,36(6)6#

121#增刊程鹤鸣等:智能侦查灭火机器人P C /0199.

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