CN102553112B - 一种具有支持多种网络通讯的消防灭火机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械及网络通讯技术领域，具体地说是一种具有支持多种网络通讯的消防灭火机器人。一种具有支持多种网络通讯的消防灭火机器人，包括底盘、消防炮、安装支架、嵌设软件的MCU、嵌设软件的第二MCU、嵌设软件的RF数据通讯模块、嵌设软件的另一RF数据通讯模块，所述的第二MCU设有USART0及USART1端口。同现有技术相比，增设3G及WIFI网络通讯模块，使得远在指挥中心的领导可以直接了解现场的灭火作业情况，对火灾的情况能够时时进行监控，及时做出正确的判断，提高灭火工作的效率。

Description

一种具有支持多种网络通讯的消防灭火机器人

技术领域

本发明涉及机械及网络通讯技术领域，具体地说是一种具有支持多种网络通讯的消防灭火机器人。

背景技术

随着国民经济的迅速发展，各类工业厂区、高层建筑、地铁站的通讯设施逐渐增多，实现了工业的自动化生产以及国民的数字化生活，但同时也给消防工作带来了困扰和危机，在地铁站和高层建筑内将面临自组网的通讯系统无法覆盖整个区域的问题，在大范围消防灭火作业时自组网的通讯系统又由于功率限制的难题面临通讯网络无法覆盖整个消防灭火作业范围。自组网的通讯系统时，只能实现灭火作业点和现场指挥人员的通讯，远在指挥中心的领导无法直接了解现场的灭火作业情况，影响了其对灾害程度的判断。使用公共网的通讯设备在无基站网络覆盖的地下车库以及特殊地区无法进行通讯，从而影响了消防灭火作业。

消防灭火机器人的直线行走性能主要靠两台电机同步控制机械行走机构来完成，由于机械结构的制造和安装精度等问题，造成两台直流无刷电机的负载不相同，以及两台无刷直流电机的动态特性无法达到完全相同，将会造成消防灭火机器人在起步和遇到障碍时偏离直线行走的正确路线。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，在消防灭火机器人的基础上增加自动纠偏模块及网络通讯模块，并将履带进行改良，能够进行一定高度的攀爬作业，综合多种功能一体的消防灭火机器人，增加用途范围。

为实现上述目的，设计一种具有支持多种网络通讯的消防灭火机器人，包括底盘、消防炮、安装支架、嵌设软件的MCU、嵌设软件的第二MCU、嵌设软件的RF数据通讯模块、嵌设软件的另一RF数据通讯模块，所述的第二MCU设有USART0及USART1端口，其特征在于：底盘上设有安装支架，安装支架上设有消防炮；所述的底盘内部设有嵌设软件的MCU、自动纠偏功能模块、网络通讯模块，嵌设软件的MCU的一端连接自动纠偏功能模块，嵌设软件的MCU的另一端连接网络通讯模块；所述的自动纠偏功能模块设有2个无刷电机驱动器、2个直流无刷电机，嵌设软件的MCU设有2个信号输出端及2个信号输入端，2个信号输出端分别连接2个无刷电机驱动器的信号输入端，2个无刷电机驱动器的输出端分别连接其一侧的直流无刷电机的信号输入端，2个直流无刷电机的信号输出端分别连接嵌设软件的MCU的2个信号输入端；所述的网络通讯模块包括遥控发射模块、遥控接收模块、声光报警模块，遥控发射模块内设有嵌设有软件的第二MCU，遥控发射模块的信号输出端连接遥控接收模块的信号输入端，遥控接收模块设有两个信号输出端，一端连接底盘内部的嵌设软件的MCU的信号输入端，另一端连接声光报警模块的信号输入端；所述的嵌设软件的MCU数据调度和行走纠偏软件流程步骤如下：

（1）系统初始化；

（2）USART0接收中断、USART1接收中断及按键扫描；

（3）对应USART0接收中断的数据包解析、对应USART1接收中断的数据包解析及按键处理；

（4）任务调度优先级处理；

（5）2个无刷电机驱动器底层驱动；

（6）提取测试速度参数及速度补偿参数进行速度PID算法；

（7）PWM输出。

所述的底盘两侧分别设有履带装置，履带装置的前端与地面呈45°，履带装置的后端与地面呈6°。

所述的遥控发射模块采用按键模块设有2个输出端，一端连接数据转换模块的输入端，数据转换模块的输出端连接嵌设软件的RF数据通讯模块的输入端，嵌设软件的RF数据通讯模块的另一输入端连接地址编码器及频率编码器的输出端，遥控发射模块内部的嵌设软件的第二MCU设有三个端口，一端连接按键模块的另一输出端，另两端采用USART0及USART1分别双向连接3G网络数据通讯模块及WIFI网络数据通讯模块；遥控发射模块采用显示器的输入端连接2.4G视频接收模块的输出端及3G网络视频通讯模块通过视频数据解压模块的输出端；遥控发射模块采用3G网卡设备的输出端分别连接台式计算机、笔记本计算机、3G智能手机的输入端。

所述的遥控接收模块采用另一地址编码器及另一频率编码器的输出端连接嵌设软件的另一RF数据通讯模块的输入端，嵌设软件的另一RF数据通讯模块的输出端连接另一数据转换模块的输入端，另一数据转换模块设有两个输出端，另一数据转换模块的一个输出端连接2.4G视频发射模块的输入端；CCD视频采集A及CCD视频采集B的输出端分别连接2.4G视频发射模块的另一输入端及H.264视频数据压缩模块的输入端，H.264视频数据压缩模块的输出端连接另一3G网络视频通讯模块的输入端；另一数据转换模块的另一输出端连接嵌设软件的MCU；另一3G网络数据通讯模块及另一WIFI网络数据通讯模块分别双向连接嵌设软件的MCU。。

所述的嵌设软件的第二MCU软件流程进行如下处理步骤：

（1）系统初始化；

（2）按键扫描；

（3）按键处理；

（4）AT指令数据包封装；

（5）USART0发送中断处理及USART1发送中断处理。

所述的嵌设软件的RF数据通讯模块软件流程进行如下处理步骤：

（1）系统初始化；

（2）按键扫描及模拟串口扫描；

（3）按键处理及模拟串口处理扫描；

（4）数据包封装；

（5）载波侦听；

（6）RF发送。

所述的嵌设软件的另一RF数据通讯模块软件流程进行如下处理步骤：

（1）系统初始化；

（2）模拟串口扫描；

（3）模拟串口处理扫描；

（4）RF接收；

（5）模拟串口数据发送。

本发明同现有技术相比，增设3G及WIFI网络通讯模块，使得远在指挥中心的领导可以直接了解现场的灭火作业情况，对火灾的情况能够时时进行监控，及时做出正确的判断，提高灭火工作的效率。

利用电机脉冲控制，提升消防灭火机器人的直线行走能力，通过采集电机的反馈信号对电机的执行量进行修正，达到两台电机在不同负载和动态特性的情况下达到行程的同步。

增设一种行走履带，能够进行一定高度的攀爬作业，而且对于崎岖不平的道路同样没有问题，大大增大了灭火机器人的适用范围。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为控制系统结构示意图。

图3为遥控发射模块结构示意图。

图4为遥控接收模块结构示意图。

图5为履带受力分析图。

图6为MCU数据调度和行走纠偏软件流程图。

图7为第二MCU软件流程图。

图8为RF数据通讯模块软件流程图。

图9为另一RF数据通讯模块软件流程图。

参加图1，1为底盘，2为安装支架，3为消防炮。

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，底盘1上设有安装支架2，安装支架2上设有消防炮3；底盘1两侧分别设有履带装置，履带装置的前端与地面呈6°，履带装置的后端与地面呈45°。

如图２所示，所述的底盘1内部设有嵌设软件的MCU、自动纠偏功能模块、网络通讯模块，嵌设软件的MCU的一端连接自动纠偏功能模块，嵌设软件的MCU的另一端连接网络通讯模块；所述的自动纠偏功能模块设有2个无刷电机驱动器、2个直流无刷电机，嵌设软件的MCU设有2个信号输出端及2个信号输入端，2个信号输出端分别连接2个无刷电机驱动器的信号输入端，2个无刷电机驱动器的输出端分别连接其一侧的直流无刷电机的信号输入端，2个直流无刷电机的信号输出端分别连接嵌设软件的MCU的2个信号输入端；所述的网络通讯模块包括遥控发射模块、遥控接收模块、声光报警模块，遥控发射模块内设有嵌设有软件的第二MCU，遥控发射模块的信号输出端连接遥控接收模块的信号输入端，遥控接收模块设有两个信号输出端，一端连接底盘1内部的嵌设软件的MCU的信号输入端，另一端连接声光报警模块的信号输入端。

如图３所示，所述的遥控发射模块采用按键模块设有2个输出端，一端连接数据转换模块的输入端，数据转换模块的输出端连接嵌设软件的RF数据通讯模块的输入端，嵌设软件的RF数据通讯模块的另一输入端连接地址编码器及频率编码器的输出端，遥控发射模块内部的嵌设软件的第二MCU设有三个端口，一端连接按键模块的另一输出端，另两端采用USART0及USART1分别双向连接3G网络数据通讯模块及WIFI网络数据通讯模块；遥控发射模块采用显示器的输入端连接2.4G视频接收模块的输出端及3G网络视频通讯模块通过视频数据解压模块的输出端；遥控发射模块采用3G网卡设备的输出端分别连接台式计算机、笔记本计算机、3G智能手机的输入端。

如图４所示，所述的遥控接收模块采用另一地址编码器及另一频率编码器的输出端连接嵌设软件的另一RF数据通讯模块的输入端，嵌设软件的另一RF数据通讯模块的输出端连接另一数据转换模块的输入端，另一数据转换模块设有两个输出端，另一数据转换模块的一个输出端连接2.4G视频发射模块的输入端；CCD视频采集A及CCD视频采集B的输出端分别连接2.4G视频发射模块的另一输入端及H.264视频数据压缩模块的输入端，H.264视频数据压缩模块的输出端连接另一3G网络视频通讯模块的输入端；另一数据转换模块的另一输出端连接嵌设软件的MCU；另一3G网络数据通讯模块及另一WIFI网络数据通讯模块分别双向连接嵌设软件的MCU。

如图５所示，P_N =  M_K /r_k     P_f = P_N·f

式中：  P_N —障碍物的反作用力；

P_f—障碍物的反摩擦力；

M_K ——驱动轮扭矩；

r_k ——驱动轮半径；

P_NA ——地对支撑点的反力；

P_fA ——地面对支点的摩擦力。

对A点的力矩平衡方程式为：P_fA和P_NA对A的力矩为 0 ，即P_f·l₂ + P_N ·h = G·l₁ ；很明显P_f·l₂ + P_N ·h ≥ G·l₁ ，所以行走履带就能跨越障碍物。

嵌设软件的MCU数据调度和行走纠偏软件流程步骤如下：

（1）系统初始化；

（2）USART0接收中断、USART1接收中断及按键扫描；

（3）对应USART0接收中断的数据包解析、对应USART1接收中断的数据包解析及按键处理；

（4）任务调度优先级处理；

（5）2个无刷电机驱动器底层驱动；

（6）提取测试速度参数及速度补偿参数进行速度PID算法；

（7）PWM输出。

其中，速度PID算法是由HALL扫描后进行速度及行程的算法，行程算法后进行行程PID算法，最后得出测试速度参数及速度补偿参数。

嵌设软件的第二MCU软件流程进行如下处理步骤：

（1）系统初始化；

（2）按键扫描；

（3）按键处理；

（4）AT指令数据包封装；

（5）USART0发送中断处理及USART1发送中断处理。

嵌设软件的RF数据通讯模块软件流程进行如下处理步骤：

（1）系统初始化；

（2）按键扫描及模拟串口扫描；

（3）按键处理及模拟串口处理扫描；

（4）数据包封装；

（5）载波侦听；

（6）RF发送。

嵌设软件的另一RF数据通讯模块软件流程进行如下处理步骤：

（1）系统初始化；

（2）模拟串口扫描；

（3）模拟串口处理扫描；

（4）RF接收；

（5）模拟串口数据发送。

工作时，遥控发射模块内部的地址编码器和频率编码器将系统编码输入给嵌设软件的RF数据通讯模块，使嵌设软件的RF数据通讯模块存储一组唯一的编码，按键模块同时将按键数据输入至嵌设软件的第二MCU以及通过数据转换模块传输给嵌设软件的RF数据通讯模块，嵌设软件的第二MCU将按键数据进行处理后输入至3G网络数据通讯模块和WIFI网络数据通讯模块。嵌设软件的RF数据通讯模块通过433Mhz的无线通讯接口发送数据至遥控接收模块内部的嵌设软件的RF数据通讯模块；3G网络数据通讯模块通过3G无线接口发送数据至遥控接收模块内部的3G网络数据通讯模块；WIFI网络数据通讯模块通过WIFI无线通讯接口发送数据至遥控接收模块内部的WIFI网络数据通讯模块。

遥控接收模块内部的另一地址编码器和另一频率编码器将系统编码输入给嵌设软件的另一RF数据通讯模块，嵌设软件的另一RF数据通讯模块将接收到的数据进行编码校验后将数据通过另一数据转换模块输入至嵌设软件的MCU，另一3G网络数据通讯模块将接收到的数据输入至嵌设软件的MCU，另一WIFI网络数据通讯模块将接收到的数据输入至嵌设软件的MCU。CCD视频采集A和CCD视频采集B将视频信号同时传输入至2.4G视频发射模块以及通过H.264视频数据压缩模块将压缩后的数据输入至另一3G网络视频通讯模块。

遥控发射模块内部的2.4G视频接收模块将接收到的视频数据输入至显示器，3G网络视频通讯模块通过视频数据解压模块将视频数据输入至显示器。3G网卡设备将视频数据输入至台式计算机、笔记本计算机以及3G手机。

在工作时，左右两侧的直流无刷电机驱动左右两侧的主驱动轮系运动，主动主驱动轮系带动履带装置运动，直流无刷电机不间断地将HALL反馈脉冲信号输送给嵌设软件的MCU，嵌设软件的MCU将收到的脉冲转换为行程数据及速度数据，然后做出行程补偿，将行程补偿通过PID算法后得出的结果通过PID输出量由信号输送至无刷电机驱动器，无刷电机驱动器将PID输出量转换为脉冲信号输送至直流无刷电机，直流无刷电机收到脉冲信号时改变其运作状态，从而改变主驱动轮系的速度，直至履带的速度，达到两台电机在不同负载和动态特性的情况下达到行程的同步。

改进原有灭火机器人近距离操控的模式，增设3G及WIFI网络，使得远在指挥中心的领导可以直接了解现场的灭火作业情况，对火灾的情况能够时时进行监控，及时做出正确的判断，提高灭火工作的效率；增设自动纠偏模块，使灭火机器人能够时时进行速度及行程的补偿，做到不偏离目标的效果；改进的履带结构，使灭火机器人进行一定高度的攀爬作业，而且对于崎岖不平的道路同样没有问题，大大增大了灭火机器人的适用范围，设计出一种多功能的灭火机器人，无论何时、何地、何种状况的火灾，都能够进行灭火工作，大大提高了灭火作业的效率。

Claims (7)

1.一种具有支持多种网络通讯的消防灭火机器人，包括底盘、消防炮、安装支架、嵌设软件的第一MCU、嵌设软件的第二MCU、嵌设软件的第一RF数据通讯模块、嵌设软件的第二RF数据通讯模块，所述的第二MCU设有USART0及USART1端口，其特征在于：底盘（1）上设有安装支架（2），安装支架（2）上设有消防炮（3）；所述的底盘（1）内部设有嵌设软件的第一MCU、自动纠偏功能模块、网络通讯模块，嵌设软件的第一MCU的一端连接自动纠偏功能模块，嵌设软件的第一MCU的另一端连接网络通讯模块；所述的自动纠偏功能模块设有2个无刷电机驱动器、2个直流无刷电机，嵌设软件的第一MCU设有2个信号输出端及2个信号输入端，2个信号输出端分别连接2个无刷电机驱动器的信号输入端，2个无刷电机驱动器的输出端分别连接其一侧的直流无刷电机的信号输入端，2个直流无刷电机的信号输出端分别连接嵌设软件的第一MCU的2个信号输入端；所述的网络通讯模块包括遥控发射模块、遥控接收模块、声光报警模块，遥控发射模块内设有嵌设有软件的第二MCU，遥控发射模块的信号输出端连接遥控接收模块的信号输入端，遥控接收模块设有两个信号输出端，一端连接底盘（1）内部的嵌设软件的第一MCU的信号输入端，另一端连接声光报警模块的信号输入端；所述的嵌设软件的第一MCU数据调度和行走纠偏软件流程步骤如下：

（1）系统初始化；

（2）USART0接收中断、USART1接收中断及按键扫描；

（3）对应USART0接收中断的数据包解析、对应USART1接收中断的数据包解析及按键处理；

（4）任务调度优先级处理；

（5）2个无刷电机驱动器底层驱动；

（6）提取测试速度参数及速度补偿参数进行速度PID算法；

（7）PWM输出。

2.根据权利要求1所述的一种具有支持多种网络通讯的消防灭火机器人，其特征在于：所述的底盘（1）两侧分别设有履带装置，履带装置的前端与地面呈45°，履带装置的后端与地面呈6°。

3. 根据权利要求1所述的一种具有支持多种网络通讯的消防灭火机器人，其特征在于：所述的遥控发射模块采用按键模块设有2个输出端，一端连接数据转换模块的输入端，数据转换模块的输出端连接嵌设软件的第一RF数据通讯模块的输入端，嵌设软件的第一RF数据通讯模块的另一输入端连接地址编码器及频率编码器的输出端，遥控发射模块内部的嵌设软件的第二MCU设有三个端口，一端连接按键模块的另一输出端，另两端采用USART0及USART1分别双向连接3G网络数据通讯模块及WIFI网络数据通讯模块；遥控发射模块采用显示器的输入端连接2.4G视频接收模块的输出端及3G网络视频通讯模块通过视频数据解压模块的输出端；遥控发射模块采用3G网卡设备的输出端分别连接台式计算机、笔记本计算机、3G智能手机的输入端。

4. 根据权利要求1所述的一种具有支持多种网络通讯的消防灭火机器人，其特征在于：所述的遥控接收模块采用另一地址编码器及另一频率编码器的输出端连接嵌设软件的第二RF数据通讯模块的输入端，嵌设软件的第二RF数据通讯模块的输出端连接另一数据转换模块的输入端，另一数据转换模块设有两个输出端，另一数据转换模块的一个输出端连接2.4G视频发射模块的输入端；CCD视频采集A及CCD视频采集B的输出端分别连接2.4G视频发射模块的另一输入端及H.264视频数据压缩模块的输入端，H.264视频数据压缩模块的输出端连接另一3G网络视频通讯模块的输入端；另一数据转换模块的另一输出端连接嵌设软件的第一MCU；另一3G网络数据通讯模块及另一WIFI网络数据通讯模块分别双向连接嵌设软件的第一MCU。

5. 根据权利要求1或3所述的一种具有支持多种网络通讯的消防灭火机器人，其特征在于：所述的嵌设软件的第二MCU软件流程进行如下处理步骤：

（1）系统初始化；

（2）按键扫描；

（3）按键处理；

（4）AT指令数据包封装；

（5）USART0发送中断处理及USART1发送中断处理。

6. 根据权利要求3所述的一种具有支持多种网络通讯的消防灭火机器人，其特征在于：所述的嵌设软件的第一RF数据通讯模块软件流程进行如下处理步骤：

（1）系统初始化；

（2）按键扫描及模拟串口扫描；

（3）按键处理及模拟串口处理扫描；

（4）数据包封装；

（5）载波侦听；

（6）RF发送。

7. 根据权利要求4所述的一种具有支持多种网络通讯的消防灭火机器人，其特征在于：所述的嵌设软件的第二RF数据通讯模块软件流程进行如下处理步骤：

（1）系统初始化；

（2）模拟串口扫描；

（3）模拟串口处理扫描；

（4）RF接收；

（5）模拟串口数据发送。

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