摘要 本文介紹了船用消防機器人的系統功能特點、控制結構及工作原理，給出了上、下位機的硬件結構與控制軟件的通訊技術及控制程序流程。
關鍵詞 消防機器人，硬件控制，通訊

引言

船用消防機器人主要應用于大型客貨輪、滾裝輪的船艙火災現場、易燃易爆品船艙等含有火災隱患的危險場所進行滅火救災；同時又可在人所不能進入的有毒、有害氣體船艙內進行探測工作；消防機器人通過所攜帶的各種專用傳感器可在火災現場對各種火災信息進行實時采樣；同時實現遠距離實時圖像傳輸、并將火場溫度、輻射熱等探測結果及時反饋給后方上位機（位于控制艙或后備艙），供操作人員實時觀察圖像與數據及時作出決策。消防機器人車體造型如圖1所示。

1 系統功能

船用消防機器人的控制系統組成如圖2所示。它可分為移動載體、消防炮系統、計算機控制系統、傳感器系統、觀察系統、防爆系統、熱防護系統、卷盤系統、附屬機構等九部分組成。下面將對各系統的控制功能作簡要的說明。

1.1 控制功能

(1)移動載體 移動載體的任務是執行機器人的移動功能，采用關節型履帶輪移動車。消防機器人能執行在船艙內上下爬越樓梯、爬斜坡、跨越障礙等功能。

(2)消防炮系統 消防炮是消防機器人主要執行機構之一，它安裝在移動載體上，執行消防功能。滅火劑由二條直徑為80mm 的水帶由海水泵供給，流量為30L/s,壓力為0.8-1.0MPa。

(3)計算機控制系統 計算機控制系統是整個船用消防機器人系統的控制中心。該機采用上下位機控制方式，靠專用通信模塊進行數據信號傳輸。上位機（工控機）系統安置在火災現場以外的安全艙位區，負責人-機接口界面操作和監控工作，該系統要求有很高的計算處理能力。下位機系統安置在機器人本體上，負責機器-環境接口以及處理滅火工作，系統要求具有很高的可靠性。

(4)傳感器系統船用消防機器人中傳感器系統是最重要的系統之一，它是消防機器人的“感覺器官”，負責探測火災現場內各種有毒、可燃氣體、煙霧濃度；輻射熱、溫度、風向、風速的變化趨勢；同時探測機器人擺臂升降角度、車體傾斜、電流等信號。

(5)觀察系統 觀察系統以實時顯示形式將船艙內部前方火災現場的情形展現在操作員眼前。船用消防機器人本體移動車上裝有三臺攝像機：位于車體正前方彩色攝像機用以監視車體正前方火災現場環境；位于車體左右兩側兩臺黑白攝像機用于監視車體行走的前后擺臂運行及路面情況。

(6)防爆系統 爆炸是一種極其迅速的物理或者化學的能量釋放過程。船用消防機器人本體所攜帶的電子與電器設備可能產生電火花；本體的機械傳動部分也可能由于磨擦、撞擊等產生火花。船用消防機器人的防爆系統保證了在可燃氣體泄漏的情況下，機器人本體的一系列作業不會引起爆炸。防爆系統符合國家防爆標準GB2900.35-83。

(7)熱保護系統 熱保護系統保證在火場的高溫環境中，機器人本體能夠保持一定的適宜溫度，從而保證能夠正常工作，在設計上采用隔離和噴水冷卻的方法來進行熱防護。

(8)卷盤系統 卷盤系統是電纜和水帶的輸送裝置。電纜通過卷盤和滑環與控制臺相連；兩路水帶通過快速接扣與海水泵相連接。

(9)附屬機構 主要有警燈、強光燈、揚聲器、電纜、水帶等組成，它們在系統中起著各自的作用。

1.2 指標功能

(1) 能爬越30度的斜坡或樓梯；跨越250mm高度的垂直障礙；
(2) 最大行駛速度可大于50m/min，具有轉向、倒行功能；最小回轉半徑不大于1米；
(3) 耐熱性能：在熱輻射強度5kw/m2下連續工作1小時；
(4) 防爆性能：dII BT6,ExPdeII BT4;
(5) 防水性能：可防雨淋；
(6) 水炮流量達30L/s，泡沫炮流量32L/s；
(7) 水炮射程距離大于52米，泡沫炮射程大于48米；
(8) 消防炮水平回轉角度為正負120度；
(9) 消防炮上下俯仰角度為負10度-正80度。

2 控制系統

消防機器人的控制屬于隨動系統范疇，設計考慮采用上下位機的控制方式進行控制、執行滅火救災工作，其控制系統結構圖如圖3 所示。

2.1 上位機

上位機采用威達586工控機，負責采樣操縱桿的模擬信號和控制臺操作信息，通過A/D轉換將采樣信息輸入到工控機，通過運行速度計算公式得到機器人左右驅動輪的行駛速度。同時通過專家輔助決策系統，得到下位機的現場各種參數后，再將控制信息發送給下位機，在現場執行防護措施及處置對策。

2.2 下位機

下位機采用西門子公司的S7-214系列PLC。I/O擴展模塊為5塊。下位機負責接收并執行上位機的控制命令，同時采集火災現場幾十種傳感器信息。為了保證下位機向上位機傳輸信息的正確性，專用傳感器每采樣5次信息，再進行5次異或校驗得到正確結果后實時反饋給上位機，以供操作員及時作出下步控制方式的決策；同時下位機還須完成上位機發送的執行滅火、報警等處理工作。這些處理采樣及執行滅火動作程序由下位機的PLC來完成。

3 執行機構

下位機車體內部PLC發出一系列控制命令給執行機構，由這些執行機構具體完成消防救災工作。執行機構主要由變頻器、消防水炮、三相異步電機、水炮電機、攝像機、電磁閥、警燈、照明等組成。由于篇幅有限這里僅介紹變頻器與消防水炮二部分。

3.1 變頻器

變頻器是船用消防機器人的主要執行機構。變頻器一方面是消防機器人行走于火災現場的肢腿;另一方面也是消防機器人變速行走的執行器；消防機器人能否前進、后退運行主要依靠于變頻器的工作狀態。消防機器人車體中采用松下DV707H3700交流變頻器，配用2.2KW的三相異步交流馬達。該變頻器具有體積小、價格低等優點，同時具有欠壓保護、過流保護、過壓保護、失速防止及自診斷觸發等保護功能。兩臺變頻器安裝在車體內部，用以驅動左右輪電機。變頻器的輸出頻率受控于上位機操作臺，整臺機器人行駛速度設定為四檔(5Hz、15Hz、35Hz、50Hz)。通常，在艙面、艙底火災現場較平整的情況下行駛速度設置頻率為35Hz-50Hz；在跨越障礙或爬梯時的行駛速度設置頻率為15Hz-35Hz；在原地轉彎時行駛速度設置頻率為5Hz-35Hz。

3.2 消防水炮