CN107243125B - 高精度远距离控制的消防灭火机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度远距离控制的消防灭火机器人及控制方法，包括消防机器人本体和主控制系统，在消防机器人本体上设有底盘和水炮系统，在底盘上设有车轮或履带，水炮系统中的动力源包括一组以上的电机，在主控制系统上连接有通过无线扩频通讯技术进行信号传输的遥控系统，主控制系统包括主ARM微控制器，主ARM微控制器分别与PWM脉冲宽度调制电路、电流检测保护电路、主无线扩频接收模块、主电源模块路、主Flash储存模块和底盘控制转换模块连接，遥控系统上设有与主无线扩频接收模块连接的辅无线扩频发送模块。本发明在数据传输时通过放大电路提高的数据的传输能力，并在数据传输时将发送唯一的序列号提高了配对的独一性。

Description

高精度远距离控制的消防灭火机器人及控制方法

技术领域

本发明涉及一种消防机器人，特别是一种高精度远距离控制的消防灭火机器人及控制方法。

背景技术

火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一，一旦火灾发生，必须要立即通知消防部门，消防部门立即根据报警信息调取消防员出警进行救援，而消防员的职责主要为消灭火灾及救护服务，他是这个世界上与我们关系最为紧密的危险职业之一，他们与死神的周旋也最容易让我们感动。因此在火灾救援时，他们必须要进入火灾现场进行救援，而在火灾现场环境不可控，例如带有一些易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险环境，容易影响自己的生命安全，故为了代替消防人员的工作，诞生了消防机器人，消防机器人作为特种机器人的一种，在灭火和抢险救援中愈加发挥举足轻重的作用。各种大型石油化工企业、隧道、地铁等不断增多，油品燃气、更加毒气泄漏爆炸、隧道、地铁坍塌等灾害隐患不断增加。消防机器人能代替消防救援人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场进行数据采集、处理、反馈以及灭火，因此如何在火灾发生的时候第一时间到达现场并进行救援尤为重要，而目前的消防机器人大多是通过FSK通讯进行数据传输的，导致数据传输过程中受到干扰而影响通讯效果，以及数据传输精度，因此需要改进。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种高精度远距离控制的消防灭火机器人及控制方法，其通过发送端进行以扩频编码扩频调制来提高机器人的抗干扰性能，同时提高机器人的控制距离。在通讯过程通过扩频编码以后保密性能得到大幅度提高，数据不容易被暴力破解，最终能够用在地铁环境和舰艇上进行消防作用，同时通讯距离与穿透能力比传统的FSK提升1倍以上，最终实现高精度远距离的进行控制灭火器人的作业，提高了救援位置的精度控制。

为了实现上述目的，本发明所设计的一种自主移动自动探测灭火的消防机器人，包括消防机器人本体和设于消防机器人本体内的主控制系统，在消防机器人本体上设有底盘和主要由水源、消防泵组、管道、阀门、水炮、动力源和控制装置组成的水炮系统，在底盘上设有能够进行前后左右运转的车轮或履带，所述水炮系统中的动力源包括一组以上的分别能够控制水炮不同作业的电机，在主控制系统上连接有通过无线扩频通讯技术进行信号传输的遥控系统，所述主控制系统包括：

与控制水炮电机的个数相同的PWM脉冲宽度调制电路，所述PWM脉冲宽度调制电路与每组水炮的电机控制连接，驱动对应的电机进行工作；

电流检测保护电路，与PWM脉冲宽度调制电路形成回路，用于检测水炮电机的工作电流，防止电流过大；

主无线扩频接收模块，通过高速SPI接口来控制扩频射频芯片进行数据交换；

主电源模块，通过12V直流电进行整流、滤波、稳压后再经过一正向低压降稳压电路进行再次稳压，确保给设备的供电稳定；

主Flash储存模块，将通讯数据进行储存，并能够起到掉电保护作用；

底盘控制转换模块，通过将电平信号转换成底盘能够接受的电平信号，从而控制底盘的操作；

主ARM微控制器，分别与PWM脉冲宽度调制电路、电流检测保护电路、主无线扩频接收模块、主电源模块路、主Flash储存模块和底盘控制转换模块连接，通过主无线扩频接收模块接收到的数据，然后发送给主ARM微控制器，由主ARM微控制器将信号进行分析，最终控制对应的模块实现对应的功能；

所述遥控系统包括：

辅无线扩频发送模块，通过发送端进行以扩频编码扩频调制来提高机器人的抗干扰性能，同时提高机器人的控制距离；

遥控按钮模块，作为消防机器人本体的功能触发条件；最终实现控制消防机器人的底盘以及水炮系统的灭火操作；

辅电源模块，通过12V直流电进行整流、滤波、稳压后再经过一正向低压降稳压电路进行再次稳压，确保给设备的供电稳定；

辅ARM微控制器，与遥控按钮模块、辅电源模块和辅无线扩频发送模块连接，将遥控按钮模块上的各个按钮操控的信号发送给辅无线扩频发送模块，由辅无线扩频发送模块将信号按照多频道的发送方式构建数据包并发送给主无线扩频接收模块，由主无线扩频接收模块将干扰后的信号通过FEC算法纠错后输出正确的数据包，然后由主ARM微控制器将正确的数据包解析后控制对应的操作功能。

为了后期提高扩展功能，所述主控制系统上还设有用于增加后期操作功能的功能扩展模块，在主控制系统和遥控系统中均设有报警提示模块。

为了进一步提高保护作用，所述电流检测保护电路包括用于检测水炮电机的工作电流的霍尔传感器U14，所述霍尔传感器U14的输出端通过第一电阻R12与主ARM微控制器的ADC引脚，且该第一电阻R12还通过第二电阻R14与接地端GND连接，在第二电阻R14上并联有第一电容C129。

为了方便数据的传输，所述底盘控制转换模块包括电平转换芯片U17，所述电平转换芯片U17的输出连接通过串口插接座J19与消防机器人本体的底盘控制端连接。

本发明还一种高精度远距离控制的消防灭火机器人的控制方法，包括采用上述的一种高精度远距离控制的消防灭火机器人，其具体包括以下步骤：

a）通过遥控按钮模块上的遥控按钮进行操作，当操控对应功能的遥控按钮后，将对应的数据信号发送给辅ARM微控制器；

b）由辅ARM微控制器将数据信号发送给辅无线扩频发送模块；由辅无线扩频发送模块中的扩频编码扩频调制，并通过主无线扩频接收模块来解扩来提高机器人的抗干扰性能；

c）由主无线扩频接收模块将信号进行接收，然后将干扰后的信号通过FEC算法纠错后输出正确的数据包，然后由主ARM微控制器将正确的数据包解析后控制对应的操作功能；

d）在主无线扩频接收模块操作机器人工作时，通过电流检测保护电路实时监测水炮电机的电流情况，一旦电流出现问题，立即控制水炮电机停止工作，从而实现保护功能。

作为优选，为了提高数据的传输效率，最终提高控制能力，所述的主无线扩频接收模块和辅无线扩频发送模块之间的数据传输方法是通过在辅ARM微控制器与辅无线扩频发送模块之间设置了信号放大模块，通过信号放大模块将数据进行放大，然后再传输给主无线扩频接收模块，提高信号的传输能力。

为了单独操控的能力，实现独一性，所述主无线扩频接收模块和辅无线扩频发送模块通过如下步骤实现扩频数据传输：

辅无线扩频发送模块 ：

1）将外部传输至辅ARM微控制器的待发送的信息经过信息调制形成数字信号并将对应的辅ARM微控制器的序列码放入该数字信号的后面；

2）并由扩频码发生器产生的扩频码序列对数字信号进行扩展频谱；

3）射频发生器通过将扩展频谱的数字信号转换成模拟信号，并通过射频信号发送该主无线扩频接收模块；

主无线扩频接收模块：

1）在接收端，将收到的射频信号由高频变频至电子器件可以处理的中频，并把模拟信号转化成数字信号；

2）由扩频码发生器产生的和发送端相同的扩频码对数字信号进行解扩；

3）将该数字信号最后的序列号分离出来，并与主无线扩频接收模块中储存的序列号进行对比，成功，将分离后的数字信号解调成原始信息输出；不成功，说明该遥控系统与本机器人不对应，不做任何操作。

本发明得到的一种高精度远距离控制的消防灭火机器人及控制方法，其通过发送端进行以扩频编码扩频调制来提高机器人的抗干扰性能，同时提高机器人的控制距离。在通讯过程通过扩频编码以后保密性能得到大幅度提高，数据不容易被暴力破解，最终能够用用在地铁环境和舰艇上进行消防作用，同时通讯距离与穿透能力比传统的FSK提升1倍以上，且在数据传输时通过放大电路提高的数据的传输能力，还在数据传输时将发送唯一的序列号提高了配对的独一性。

附图说明

图1是实施例1所提供的一种高精度远距离控制的消防灭火机器人的结构示意图；

图2是实施例1中一种高精度远距离控制的消防灭火机器人的控制部分的结构连接示意图；

图3是实施例1中主控制系统的部分电路原理图一；

图4是实施例1中主控制系统的部分电路原理图二；

图5是实施例1中主控制系统的部分电路原理图三；

图6是实施例1主控制系统的部分电路原理图四；

图7是实施例1主控制系统的部分电路原理图五；

图8是实施例1中遥控系统的部分电路原理图一；

图9是实施例1中遥控系统的部分电路原理图二；

图10是实施例1中遥控系统的部分电路原理图三；

图11是实施例2中一种高精度远距离控制的消防灭火机器人的控制部分的结构连接示意图。

图中：消防机器人本体1、底盘2、水炮系统3、主控制系统4、遥控系统5、PWM脉冲宽度调制电路6、电机7、电流检测保护电路8、主无线扩频接收模块9、主电源模块10、主Flash储存模块11、底盘控制转换模块12、主ARM微控制器13、辅无线扩频发送模块14、遥控按钮模块15、辅电源模块16、辅ARM微控制器17、功能扩展模块18、报警提示模块19、信号放大模块20、车轮21。

具体实时方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

如图1-图10所示，本实施例提供的一种高精度远距离控制的消防灭火机器人，包括消防机器人本体1和设于消防机器人本体1内的主控制系统4，在消防机器人本体1上设有底盘2和主要由水源、消防泵组、管道、阀门、水炮、动力源和控制装置组成的水炮系统3，在底盘2上设有能够进行前后左右运转的车轮或履带21，所述水炮系统3中的动力源包括一组以上的分别能够控制水炮不同作业的电机7，在主控制系统4上连接有通过无线扩频通讯技术进行信号传输的遥控系统5，如图3-6所示，所述主控制系统4包括：

与控制水炮电机7的个数相同的PWM脉冲宽度调制电路6，所述PWM脉冲宽度调制电路6与每组水炮的电机7控制连接，驱动对应的电机7进行工作；

电流检测保护电路8，与PWM脉冲宽度调制电路6形成回路，用于检测水炮电机7的工作电流，防止电流过大；

主无线扩频接收模块9，通过高速SPI接口来控制扩频射频芯片进行数据交换；

主电源模块10，通过12V直流电进行整流、滤波、稳压后再经过一正向低压降稳压电路进行再次稳压，确保给设备的供电稳定；

主Flash储存模块11，将通讯数据进行储存，并能够起到掉电保护作用；

底盘控制转换模块12，通过将电平信号转换成底盘2能够接受的电平信号，从而控制底盘2的操作；

主ARM微控制器13，分别与PWM脉冲宽度调制电路6、电流检测保护电路8、主无线扩频接收模块9、主电源模块路10、主Flash储存模块11和底盘控制转换模块12连接，通过主无线扩频接收模块9接收到的数据，然后发送给主ARM微控制器13，由主ARM微控制器13将信号进行分析，最终控制对应的模块实现对应的功能；

如图7-9所示，所述遥控系统5包括：

辅无线扩频发送模块14，通过发送端进行以扩频编码扩频调制来提高机器人的抗干扰性能，同时提高机器人的控制距离；

遥控按钮模块15，作为消防机器人本体1的功能触发条件；最终实现控制消防机器人的底盘2以及水炮系统3的灭火操作；

辅电源模块16，通过12V直流电进行整流、滤波、稳压后再经过一正向低压降稳压电路进行再次稳压，确保给设备的供电稳定；

辅ARM微控制器17，与遥控按钮模块15、辅电源模块16和辅无线扩频发送模块14连接，将遥控按钮模块15上的各个按钮操控的信号发送给辅无线扩频发送模块14，由辅无线扩频发送模块14将信号按照多频道的发送方式构建数据包并发送给主无线扩频接收模块9，由主无线扩频接收模块9将干扰后的信号通过FEC算法纠错后输出正确的数据包，然后由主ARM微控制器13将正确的数据包解析后控制对应的操作功能。在本实施例中如图1所示，控制的是车轮，也可以是履带。

为了进一步提高保护作用，所述电流检测保护电路8包括用于检测水炮电机7的工作电流的霍尔传感器U14，所述霍尔传感器U14的输出端通过第一电阻R12与主ARM微控制器13的ADC引脚，且该第一电阻R12还通过第二电阻R14与接地端GND连接，在第二电阻R14上并联有第一电容C129。

为了方便数据的传输，所述底盘控制转换模块12包括电平转换芯片U17，所述电平转换芯片U17的输出连接通过串口插接座J19与消防机器人本体1的底盘2控制端连接。

为了后期提高扩展功能，所述主控制系统4上还设有用于增加后期操作功能的功能扩展模块18，在主控制系统4和遥控系统5中均设有报警提示模块19。在本实施例中所述的功能扩展模块18通过设置一个J13的插接排线并与主ARM微控制器13的ADC接口连接，且所述的报警提示模块19分别通过一个三极管以及蜂蜜器连接构成的报警提示模块并与对应的主控制系统4和遥控系统5连接。

本实施例还一种高精度远距离控制的消防灭火机器人的控制方法，包括采用上述的一种高精度远距离控制的消防灭火机器人，其具体包括以下步骤：

a）通过遥控按钮模块15上的遥控按钮进行操作，当操控对应功能的遥控按钮后，将对应的数据信号发送给辅ARM微控制器17；

b）由辅ARM微控制器17将数据信号发送给辅无线扩频发送模块14；由辅无线扩频发送模块14中的扩频编码扩频调制，并通过主无线扩频接收模块9来解扩来提高机器人的抗干扰性能；

c）由主无线扩频接收模块9将信号进行接收，然后将干扰后的信号通过FEC算法纠错后输出正确的数据包，然后由主ARM微控制器13将正确的数据包解析后控制对应的操作功能；

d）在主无线扩频接收模块9操作机器人工作时，通过电流检测保护电路8实时监测水炮电机7的电流情况，一旦电流出现问题，立即控制水炮电机7停止工作，从而实现保护功能。

本实施例中，所述的主ARM微控制器13采用型号为STM32F103VBT6；所述辅ARM微控制器17的采用型号为STM32F103RCT6；所述主无线扩频接收模块9和辅无线扩频发送模块14中的主芯片均采用SX1278无线通信接收芯片，所述的底盘控制转换模块12中采用SP3232EEN芯片U17将主ARM微控制器13的信号发送给U17,由U17转换成底盘2能够接收的电平信号，最终控制底盘2上的车轮21工作。

在本实施例中，通过设置向左遥控按钮、向右遥控按钮、向下遥控按钮、喷水雾模式按钮、喷水花模式按钮以及制动按钮，从而每一个按钮对应输出一个信号并发送给辅ARM微控制器17，由辅ARM微控制器17将信号通过辅无线扩频发送模块14进行调频调制后无线发送给主无线扩频接收模块9，尤其通过软件FEC前向纠错散发，主动将纠正被干扰的数据包，大大提高的可靠性和通讯距离，使得能够提高检测精度及实现远距离控制。

实施例2：

如图11所示，本实施例提供的一种高精度远距离控制的消防灭火机器人的控制方法，为了提高数据的传输效率，最终提高控制能力，所述的主无线扩频接收模块9和辅无线扩频发送模块14之间的数据传输方法是通过在辅ARM微控制器17与辅无线扩频发送模块14之间设置了信号放大模块20，通过信号放大模块20将数据进行放大，然后再传输给主无线扩频接收模块9，提高信号的传输能力。所述的信号放大模块20采用三极管放大。

实施例3：

本实施例提供的一种高精度远距离控制的消防灭火机器人的控制方法，为了单独操控的能力，实现独一性，所述主无线扩频接收模块9和辅无线扩频发送模块14通过如下步骤实现扩频数据传输：

辅无线扩频发送模块14 ：

1）将外部传输至辅ARM微控制器17的待发送的信息经过信息调制形成数字信号并将对应的辅ARM微控制器17的序列码放入该数字信号的后面；

2）并由扩频码发生器产生的扩频码序列对数字信号进行扩展频谱；

3）射频发生器通过将扩展频谱的数字信号转换成模拟信号，并通过射频信号发送该主无线扩频接收模块9；

主无线扩频接收模块9：

1）在接收端，将收到的射频信号由高频变频至电子器件可以处理的中频，并把模拟信号转化成数字信号；

2）由扩频码发生器产生的和发送端相同的扩频码对数字信号进行解扩；

3）将该数字信号最后的序列号分离出来，并与主无线扩频接收模块9中储存的序列号进行对比，成功，将分离后的数字信号解调成原始信息输出；不成功，说明该遥控系统5与本机器人不对应，不做任何操作。

通过上述方法，使得在信号传输时，将对应的遥控器的独立的序列号也编辑到扩频技术中，使得在数据连接时，实现遥控器与机器人主体1的唯一连接性。

Claims (8)

1.一种高精度远距离控制的消防灭火机器人，包括消防机器人本体（1）和设于消防机器人本体（1）内的主控制系统（4），在消防机器人本体（1）上设有底盘（2）和主要由水源、消防泵组、管道、阀门、水炮、动力源和控制装置组成的水炮系统（3），在底盘（2）上设有能够进行前后左右运转的车轮或履带（21），其特征是：所述水炮系统（3）中的动力源包括一组以上的分别能够控制水炮不同作业的电机（7），在主控制系统（4）上连接有通过无线扩频通讯技术进行信号传输的遥控系统（5），所述主控制系统（4）包括：

与控制水炮电机（7）的个数相同的PWM脉冲宽度调制电路（6），所述PWM脉冲宽度调制电路（6）与每组水炮的电机（7）控制连接，驱动对应的电机（7）进行工作；

电流检测保护电路（8），与PWM脉冲宽度调制电路（6）形成回路，用于检测水炮电机（7）的工作电流，防止电流过大；

主无线扩频接收模块（9），通过高速SPI接口来控制扩频射频芯片进行数据交换；

主电源模块（10），通过12V直流电进行整流、滤波、稳压后再经过一正向低压降稳压电路进行再次稳压，确保给设备的供电稳定；

主Flash储存模块（11），将通讯数据进行储存，并能够起到掉电保护作用；

底盘控制转换模块（12），通过将电平信号转换成底盘（2）能够接受的电平信号，从而控制底盘（2）的动作；

主ARM微控制器（13），分别与PWM脉冲宽度调制电路（6）、电流检测保护电路（8）、主无线扩频接收模块（9）、主电源模块路（10）、主Flash储存模块（11）和底盘控制转换模块（12）连接，通过主无线扩频接收模块（9）接收到的数据，然后发送给主ARM微控制器（13），由主ARM微控制器（13）将信号进行分析，最终控制对应的模块实现相应的功能；

所述遥控系统（5）包括：

辅无线扩频发送模块（14），通过发送端进行以扩频编码扩频调制来提高机器人的抗干扰性能，同时提高机器人的控制距离；

遥控按钮模块（15），作为消防机器人本体（1）的功能触发条件；最终实现控制消防机器人的底盘（2）以及水炮系统（3）的灭火操作；

辅电源模块（16），通过12V直流电进行整流、滤波、稳压后再经过一正向低压降稳压电路进行再次稳压，确保给设备的供电稳定；

辅ARM微控制器（17），与遥控按钮模块（15）、辅电源模块（16）和辅无线扩频发送模块（14）连接，将遥控按钮模块（15）上的各个按钮操控的信号发送给辅无线扩频发送模块（14），由辅无线扩频发送模块（14）将信号按照多频道的发送方式构建数据包并发送给主无线扩频接收模块（9），由主无线扩频接收模块（9）将干扰后的信号通过FEC算法纠错后输出正确的数据包，然后由主ARM微控制器（13）将正确的数据包解析后控制对应的操作功能。

2.根据权利要求1所述的高精度远距离控制的消防灭火机器人，其特征是：所述主控制系统（4）上还设有用于增加后期操作功能的功能扩展模块（18），在主控制系统（4）和遥控系统（5）中均设有报警提示模块（19）。

3.根据权利要求1或2所述的高精度远距离控制的消防灭火机器人，其特征是：所述电流检测保护电路（8）包括用于检测水炮电机（7）的工作电流的霍尔传感器（U14），所述霍尔传感器（U14）的输出端通过第一电阻（R12）与主ARM微控制器（13）的ADC引脚，且该第一电阻（R12）还通过第二电阻（R14）与接地端（GND）连接，在第二电阻（R14）上并联有第一电容（C129）。

4.根据权利要求1或2所述的高精度远距离控制的消防灭火机器人，其特征是：所述底盘控制转换模块（12）包括电平转换芯片（U17），所述电平转换芯片（U17）的输出连接通过串口插接座（J19）与消防机器人本体（1）的底盘（2）控制端连接。

5.根据权利要求3所述的高精度远距离控制的消防灭火机器人，其特征是：所述底盘控制转换模块（12）包括电平转换芯片（U17），所述电平转换芯片（U17）的输出连接通过串口插接座（J19）与消防机器人本体（1）的底盘（2）控制端连接。

6.一种高精度远距离控制的消防灭火机器人的控制方法，包括采用权利要求1-5中任意一项权利要求所述的一种高精度远距离控制的消防灭火机器人，其特征是：具体包括以下步骤：

通过遥控按钮模块（15）上的遥控按钮进行操作，当操控对应功能的遥控按钮后，将对应的数据信号发送给辅ARM微控制器（17）；

由辅ARM微控制器（17）将数据信号发送给辅无线扩频发送模块（14）；由辅无线扩频发送模块（14）中的扩频编码扩频调制，并通过主无线扩频接收模块（9）来解扩来提高机器人的抗干扰性能；

由主无线扩频接收模块（9）将信号进行接收，然后将干扰后的信号通过FEC算法纠错后输出正确的数据包，然后由主ARM微控制器（13）将正确的数据包解析后控制对应的操作功能；

在主无线扩频接收模块（9）操作机器人工作时，通过电流检测保护电路（8）实时监测水炮电机（7）的电流情况，一旦电流出现问题，立即控制水炮电机（7）停止工作，从而实现保护功能。

7.根据权利要求6所述的高精度远距离控制的消防灭火机器人的控制方法，其特征在于，所述的主无线扩频接收模块（9）和辅无线扩频发送模块（14）之间的数据传输方法是通过在辅ARM微控制器（17）与辅无线扩频发送模块（14）之间设置了信号放大模块（20），通过信号放大模块（20）将数据进行放大，然后再传输给主无线扩频接收模块（9），提高信号的传输能力。

8.根据权利要求6所述的高精度远距离控制的消防灭火机器人的控制方法，其特征在于，所述主无线扩频接收模块（9）和辅无线扩频发送模块（14）通过如下步骤实现扩频数据传输：

辅无线扩频发送模块（14）：

1）将外部传输至辅ARM微控制器（17）的待发送的信息经过信息调制形成数字信号并将对应的辅ARM微控制器（17）的序列码放入该数字信号的后面；

2）并由扩频码发生器产生的扩频码序列对数字信号进行扩展频谱；

3）射频发生器通过将扩展频谱的数字信号转换成模拟信号，并通过射频信号发送该主无线扩频接收模块（9）；

主无线扩频接收模块（9）：

1）在接收端，将收到的射频信号由高频变频至电子器件可以处理的中频，并把模拟信号转化成数字信号；

2）由扩频码发生器产生的和发送端相同的扩频码对数字信号进行解扩；

3）将该数字信号最后的序列号分离出来，并与主无线扩频接收模块（9）中储存的序列号进行对比，成功，将分离后的数字信号解调成原始信息输出；不成功，说明该遥控系统（5）与本机器人不对应，不做任何操作。