摘 要：本文概述了消防机器人的发展，分析了侦察灭火机器人必须解决的问题和其一般结构，并探讨了研制侦察灭火机器人需要进一步研究的问题。
关键词：消防机器人 侦察灭火 基本功能 智能化
1. 消防机器人的发展简述
最近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。为了解决这一问题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，消防机器人研究被提到了议事日程。而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，使得消防机器人应运而生。
从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了消防机器人的研究。美国和苏联最早进行消防机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了消防机器人的研究，目前已有多种不同类型的消防机器人用于各种火灾场合。
从功能上划分，目前的消防机器人有下列几类[2]：灭火机器人、侦察机器人、攀登营救机器人和救护机器人。从控制方式来分，消防机器人可分为遥控消防机器人和自主消防机器人。
我国从八十年代末期开始消防机器人的研究，公安部上海消防研究所等单位在消防机器人的研究中取得了大量的成果，"自行式消防炮"已经投入市场，"履带轮式消防灭火侦察机器人"也于2000年6月通过了国家验收。但是，我国消防机器人的研究还处在初级阶段，还有许多有待研究的问题。比如，高层建筑发生火灾时，消防人员不可能在短时间内到达高处的火灾发生地点，在地下建筑中，由于环境比较潮湿，烟气不易扩散，消防人员不容易快速的判定火源位置；而在石化企业发生火灾时，将产生大量的毒气，消防人员在灭火时极易中毒。研制能够用于这些场合的侦察灭火机器人，协助消防人员进行火灾的定位和灭火，将有极大的社会意义。
3. 侦察灭火机器人要解决的问题
作为一个智能化的机器，机器人必须具有如下功能[1]：① 动作机构类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能；② 有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变；③ 有一定程度的智能，如记忆、感知、推测、决策和学习等；④ 有独立性，完整的机器人系统（机器）在工作中可以不依赖人的操纵。
侦察灭火机器人是一个具有一定智能的机器，要完成上述功能，必须解决下述几个问题：
(1) 路径规划和实施。为了进行侦察，侦察灭火机器人必须对侦察目标进行巡视，必须能够在侦察目标内安全的行走。侦察灭火机器人要解决的首要问题就是如何行走，也就是路径规划的问题。第一，必须有全局的侦察路径规划。对不同的目标，必须制定不同的侦察路径策略，以指导机器人对目标进行全局扫描侦察。第二，机器人必须知道当前自身所处的位置。这一位置非常重要，机器人根据当前位置，结合全局的侦察规划，确定下一步的行走计划；对发现的火源，机器人通过确定火源相对于机器人当前位置的坐标以确定火源在整个侦察目标中的位置。第三，机器人必须识别行走中的障碍。机器人必须收集传感器得到的信息，确定行走中的各种障碍。这些障碍包括台阶、墙壁等各种突起物，地面的凹凸，各种人为放置的障碍等。机器人必须能够识别这些障碍物，并对各种障碍进行分类。第四，确定避障的方案。对识别的障碍，机器人必须确定是否能够直接越过障碍；对不能越过的障碍，必须确定规避的方案。
(2) 火源识别和定位。侦察灭火机器人必须能够识别火源，对火灾发生的地点定位。机器人在行走过程中对环境进行侦察，对传感器得到的信息进行分析，在得到可疑信息处适当的停留，采集更多更详细的数据进行分析，以判定火源的存在。对确定存在的火源，必须对其定位，确定火源相对机器人的位置，以确定火源在整个目标中的实际位置。
(3) 火灾判定、报警和灭火。对已经识别的火源，侦察灭火机器人必须能够区别火灾的火源与各种非火灾火源。一般而言，在火灾发生的初期，其火源随时间不断增长变大，火焰的边缘不断抖动；而非火灾火源的火焰则相对稳定。对识别得到的火灾，机器人必须判定火灾的大小，确定能否用自身携带的灭火设备进行灭火。对可以扑灭的小火，机器人必须确定灭火的方案，对不能扑灭的火灾，确定逃跑策略。机器人必须确定火灾等级，通过不同的报警方案，比如通过报警铃声的急缓、报警声音的长短等给出火灾的大小信息。
3. 侦察灭火机器人的基本构成
侦察灭火机器人是机器人的一个分支，为了实现它的既定功能，一般包括运动机构、传感器、控制器、功率变换单元和自身保护系统等主要构件。下面分别讨论之。
(1) 运动机构
机器人的运动机构是许多机械零件的集合体构成的动力学体系。对侦察灭火机器人而言，其运动机构完成的功能包括行走和灭火等。总的说来，行走是运动机构的最主要的功能。依据不同的建筑形式，要求有不同的行走机构。
对于在地面行走的机器人，一般采取的是轮式或者履带式行走机构。ZXPJ01消防机器人[3]结合了两种行走机构的特点，采用了履带轮式行走机构。采用这种行走机构，使得机器人能在不规则地面行驶，能够爬过300的斜坡和台阶，能跨越250mm的垂直障碍。Shigeo HEROSE等人【8】给出了一种活动多体移动轮式机器人（active multi-body mobile robot）。该机器人有4对活动轮组成，每一对轮组成一个自主的模块，在行进中，每个模块能独立控制，相互模块间的行走不会互相影响，从而使得该种机器人有很好的爬越障碍的性能。其车轮采用辐条状设计，有效的吸收了移动中车体的震动。同时，在车轮和机器人主体轮轴之间也采用辐条式设计，一方面充当了避震器，另一方面又可作为转矩探测器。
对于高层建筑，为了能从高楼外墙爬上建筑，可采用吸盘式的行走机构。A.NISHI[7]给出了这种行走机构的原型。其吸盘内部装有小的风扇和由电机带动的爬行装置。风扇的转动使得吸盘内部和外界之间产生压差，从而使得吸盘吸附在墙壁上；由电机带动的爬行装置使得吸盘能在墙壁上自由行走；吸盘外部有用于增加密闭性的外围刷子，使得吸盘在不规则墙壁上运动时能尽可能减少空气的流动以保证吸盘内部与外界空气之间有足够的压差。
对于地下行走的机器人，可灵活采用不同的行走方式。邓宗全等给出了一种用于地下商场灭火的机器人[4]，其行走机构采用轨迹受约束的方式，将机器人悬挂在地下商场空间，沿固定的轨道行走，达到了快速灭火的目的。
与行走机构相比，灭火机构要相对简单一些。由于侦察灭火机器人一般在目标建筑的内部工作，一般可采用便携式的灭火设备。灭火剂选择必须考虑不同的火灾场景、灭火剂的灭火效率、来源和携带的难易程度等。对固体火灾，可选用水作为灭火剂；而对于油类火灾，可选用泡沫、二氧化碳作为灭火剂。
(2) 传感器
传感器是信息的载体，它采集工作现场的各种信息，并将它传递给控制器。类似于人的五官，传感器可分为触觉、非触觉、嗅觉和各种有线、无线的信号传输装置。
为了能在恶劣的环境中工作，侦察灭火机器人必须快速准确的感知其工作环境的各种信息，从而对其下一步的动作做出判断。这些信息包括行走过程中障碍的感知、工作环境温度的感知等。 用于障碍感知的传感器有接触式和非接触式两种。接触式传感器必须在机器人接触障碍物时才能给出信息，给出信息的时间滞后，多用于慢速行走的机器人。非接触式传感器采用光、声波等信息介质，其测障原理类似于雷达，能在早期给出障碍物存在的信息，从而提高机器人行走速度。童峰等人曾设计了一种用于消防机器人的超声波避障系统[5]，采用的原理就是上述非接触式传感器的测障原理。感温传感器一般是采用非接触式的传感器，它们感知工作空间的温度，传给控制器以确定是否需要启动自身保护系统。
侦察灭火机器人必须能对火灾的发生进行探测，用于火灾探测的传感器包括各种非接触式的温度传感器、热分布探测器、视觉传感器和嗅觉类的气体传感器等。温度传感器、热分布传感器和气体传感器是传统的用于火灾判断的传感器，它们检测火灾发生时环境的温度变化、空间中热分布的改变或气体成分的变化，供控制器做出判断火灾是否发生。视觉传感器是新发展的火灾传感器，它包括各种光导摄像管、CCD、CID和TV摄像机等。视觉传感器以连续的动态数字图象的形式采集火灾现场的数据给控制器，控制器利用图像处理技术，对采集的连续图像进行各种分析以确定火灾是否发生。
侦察灭火机器人还必须能够和外界进行信息的传递，这可通过各种有线或无线信号传输装置来完成。一方面，在工作现场的工作人员可以通过各种有线或无线的装置给机器人发送控制命令，机器人通过听觉传感器接收这些命令；另外机器人也可以通过听觉传感器给工作人员提供各种有用的现场数据以供工作人员作下一步的判断。
(3) 控制器
控制器是机器人的"大脑"，是机器人的核心部分，其主要功能有：① 机器人行动的规划，使机器人有序的工作；②了解工作环境，采集和存储工作现场的信息，并进行火灾的判断和分析；③与外界进行信息的交互。
为完成上述的功能，控制器必须具备一定的智能，能够接收传感器采集的信息，进行必要的数字计算，给出各种判断结果，对各种机械装置发出控制信号，同时能与外界进行交互的通讯。
最简单的控制器是一些顺序控制器，它不具备判断的功能，只是使机器人按顺序步骤有序的工作。顺序控制器预先设定好机器人的工作步骤，机器人按照这些设定的步骤工作，在工作过程中这些步骤不发生任何改变。嵌入式微处理器某一种微处理器内核为核心，集成了定时/计数器、看门狗电路、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A等各种必要功能和外设，使得它很适合用于机器人的控制器。嵌入式微处理器能通过其内置的运算单元进行各种运算，其自带的各种A/D、D/A等接口可以采集传感器的数据，还能通过串行口与外界进行通讯。嵌入式微处理器包括简单的单片机到复杂的DSP芯片的一个很大的范围；通过编程，微处理器可以完成从简单的数据采集到复杂的图像处理等各种工作，使得机器人真正具有了人的"智能"。
(4) 功率变换单元
机器人要能正常工作，必须供给足够的能量，功率变换单元完成了这一工作。侦察灭火机器人的功率变换单元包括直流电源和交流电源。直流电源给机器人的控制电路板供电，给各种传感器和报警器提供电源。交流电源给一些大功率设备（如给电机驱动系统）提供能量。由于控制电路板的电源和电机驱动系统的电源一般不同，在实际电路中，必须将这两路电路相互隔离以减少干扰。
(5) 自身保护系统
在恶劣的环境中，侦察灭火机器人必须保护好自己才能正常工作。侦察灭火机器人要有良好的热防护系统，以保证自身在火灾场合工作时不被烧坏，保证其内部的工作电路正常。机器人车体的材料一般用一些耐火的构建组成，并且配有水冷却系统。为了保证不引起已泄漏的可燃气的爆炸，侦察灭火机器人还必须有具备良好的防暴功能。侦察灭火机器人一般带有防暴系统以完成这一功能。为了保证信号采集的准确，必须有良好的抗干扰系统。干扰信号包括电源纹波干扰、信号传输过程中的长线干扰、机器人工作空间中的各种电磁场产生的干扰和各种信号采集器之间的窜扰等等。采用良好的屏蔽系统能很好的减少干扰；电源滤波、接地技术、光电耦合技术、采用旁路电容等也能大大减少干扰；另外，在软件系统中采用各种信号滤波处理算法也是一个很好的手段。为了减少长线干扰，一般采用数字信号传输，同时可采用各种信号接力技术以保证信号传输的一致性。
4. 侦察灭火机器人需要进一步研究的问题
为了促进侦察灭火机器人研究的发展，需要对一些共性问题进行进一步的研究：
(1) 进一步提高机器人的智能。机器人的智能化是当前机器人研究的一个热点问题。侦察灭火机器人在复杂的火灾环境中工作，要实现机器人的自主判断，必须具备高度的智能。必须加大对高级嵌入式CPU（如DSP芯片等）的研究，考虑将其应用到侦察灭火机器人中。必须研究多传感器信息的融合技术，考虑如何在侦察灭火机器人中合理使用多个传感器，并将每个传感器获得的信息综合处理，以准确的确定火灾的发生。
(2) 路径规划。考虑在侦察目标内建立GIS系统，通过与GIS的交互以协助侦察灭火机器人定位，确定其当前的位置坐标。
(3) 虚拟机器人技术。消防侦察机器人必须通过各种通讯手段与控制中心进行交互。采用基于多传感器、多媒体、虚拟现实以及临场感技术的虚拟机器人技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互，大大增强了操作人员的临场感。
(4) 高效灭火。必须加大对高效灭火剂的研究，开发能够用于侦察灭火机器人的高效灭火剂，以使其能快速的灭火。
机器人毕竟只是一部机器，它不可能具备正常人的智能；而且，一种侦察灭火机器人不可能适用于不同的建筑场合。因此，必须研究不同建筑结构特殊性，有针对性的研制相应的侦察灭火机器人，以使侦察灭火机器人发挥最大的作用。
6/12/2005
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