变电站无线遥控灭火机器人研制探讨周立福

周立福潘春辉

摘要：为有效地应对变电站内高压设备着火爆炸事故，减少不必要的人员伤亡和财产损失，本文分析在变电站使用遥控灭火机器人的必要性和可行性；从变电站实际消防配置情况及经济性和实用性上探讨机器人的必备功能和实现方案。主要包括机器人的机械结构、电源模块、控制模块及通讯模块等4大部分，满足灭火机器人的前进后退、灭火器的上升和关闭等基本功能，为在电网中得到最终实现推广应用提供参考。

关键词：变电站遥控灭火机器人单片机

1前言

随着社会经济的快速发展，各种大型石油化工企业、隧道、地铁等不断增多，导致化学危险品、放射性物质泄漏和有毒气体扩散以及燃烧、爆炸、坍塌的事故隐患在增加，事故发生的概率也相应提高。利用消防机器人代替消防救援人员进入危险灾害事故现场成为发展趋势。现有的消防灭火机器人大都针对消防部门灭火设计，采取高压水炮或泡沫的灭火形式，显然灭火剂不适用于变电设备着火情况；另外体型笨重携带不方面，成本高不经济。对此要针对性的设计符合变电站的灭火机器人。所以从保护运行人员的生命安全和减少事故损失角度出发，研制适用于变电站的遥控灭火机器人是非常必要的。

2变电站遥控灭火机器人总体结构设计

本文设计的遥控灭火机器人由机械结构模块、通讯模块和控制模块组成。机械结构模块实现灭火机器人系统移动及消防功能，即在运行人员的遥控下，灭火机器人能够越过障碍物快速准确的靠近火灾现场，并在灭火射程范围内喷射灭火剂进行灭火。机械结构模块包括底盘机构、云台回转机构、云台升降机构、灭火器喷管俯仰机构及阀门开闭机构等。控制模块主要用于控制机械机构执行相应的遥控指令，是灭火机器人可靠实现移动及消防功能的保证。控制模块包括底盘控制模块、云台控制模块、灭火器控制模块和电源模块。通讯模块包括指令发射及接收。本文设计的机器人采用直接控制的模式，由发射系统对指令进行编码后，经车体上接收系统解码后还原输出，驱动相应的控制模块实施指令。

3机械结构模块

3.1底盘机构

机器人行走结构的设计一般有四种方案有轮式、履带式、履带轮式和吸盘式。考虑到变电站内路面情况较好，基本上是草皮或水泥路，采用轮式即可满足设计要求。为使机器人平稳快速到达火场，本文采用四轮后驱底盘机构。四轮后驱方式稳定性好，承载能力大，适合于高速行走。底盘选材考虑轻便和坚固，以满足机器人运动及加速要求，本文采用硬铝作为车架的材料。

3.2升降及旋转云台

本文使用了剪叉式升降机构，通过直流减速电机带动剪叉式升降机构伸缩，此机构占用空间小，结构简单，可靠性高，承载能力强。云台上端为旋转平台，上面放置普通干粉灭火器和灭火器控制结构，通过电动马达带动上端平台旋转，以改变灭火器的喷射方向。

3.3灭火器喷管俯仰及阀门开闭机构

变电站内电气设备发生火灾时，应采用二氧化碳灭火器或干粉灭火器进行灭火。根据站内消防配置情况，本文设计的灭火机构以干粉灭火器为灭火介质，通过控制喷管俯仰及阀门开闭的方法进行灭火操作。

干粉灭火器安装于云台上，可进行回转和升降，为增加控制精度，机械臂及关节，使灭火器喷管可实行俯仰操作，对着火点进行精确对位。针对干粉灭火器阀门需手动控制的特点，本文通过控制推杆电机控制压把的开启和关闭，以实现灭火器阀门的自动控制，且不用改变现有干粉灭火器的结构，使用方便且经济。

4控制模块

灭火机器人控制模块以单片机为核心器件，它提供的功能和资源对整个控制模块所需要的支持电路、接口硬件设计以及软件程序设计起着关键的作用。从满足系统要求、性价比、简化电路等方面出发，本文选择AT89C2051单片机。本文设计的灭火机器人包含用在底盘上的2个12V直流电机、云台上的两个220V的交流电机及灭火机构的两个12V直流电机。本文采用通过单片机控制12个电磁继电器的方式来控制这6台电机的启停，实现消防灭火功能。

电源模块采用12V直流工业蓄电池组成，容量20Ah，考虑到无线接收、发射模块和电机用电电压为12V，单片机电压为5V，本文设计采用DC/DC隔离稳压模块稳压后给单片机供电。模块具有良好的电磁兼容性和极低的纹波噪声，稳压精度高。为保证灭火机器人可靠工作，蓄电池组进行定期充电，以延长使用寿命。

5通讯模块

考虑到红外遥控器是点对点遥控，中间不能有阻挡、距离一般不超过7米；而无线电遥控器，它的特点是无方向性、可以不“面对面”控制、距离远可达数十米、甚至数公里，所以本文采用无线电遥控模式。

5.1发射模块

灭火机器人指令发射模块主要功能包括对操纵者的遥控命令进行编码及发射。根据消防机器人的各项功能，结合消防机器人的具体灭火动作设计的控制面板。

控制面板右部圆圈中的四个方向，即为消防机器人底盘运动的四个方向；控制面板左部圆圈中的四个方向，即为云台旋转与升降的四个方向。当“枪升”按钮按下时，机械臂将带动灭火器喷管进行上升，同理，当“枪降”按钮按下时，机械臂将带动灭火器喷管进行下降。当“喷射”按钮按下时，干粉灭火器阀门开放，喷射灭火剂；“停止”按钮按下时则灭火剂停止喷射。

发射电路包含按键编址电路、数据编码电路及无线发射电路，其原理如图1所示：

图1发射电路原理图

通过CD74HC147完成按键编址，9个输入端和4个输出端均为低电平有效；完成编码电路的是PT2262器件，它是基于CMOS工艺制造的低功耗、低价位的通用编码电路，其共有6561种编址方式；遥控发射电路采用315MHz的无线发射电路：1000米发射头，工作电压：3-12V。

5.2接收模块

解码电路主要由接收模块、单片机电路及控制电路组成，其原理如图2所示。

图2：接收电路原理图

接收电路使用与发射电路相配套的器件——超再生接收头。接收电路接收到的串行编码脉冲信号直接送入P3.0口进行软件解码，再将满足地址码条件的控制脉冲信号输出至P1和P3口。

结论

针对变电站内电气设备火灾现场存在的人身风险和设备损失的矛盾冲突，文中分析了变电站遥控灭火器的必要，并从总体结构设计、机械结构、电源模块、控制模块及通讯模块5部分展开讨论，最终形成变电站遥控灭火机器人的实现方案。此方案满足移动、灭火、遥控等基本功能和灵活、经济实用等特点，后续也可以加入机器人数据采集模块，赋予远程遥视功能，更好的适应封闭式的高压室设备着火。

参考文献：

[1]陈永甫.无线电遥控入门[M].北京：人民邮电出版社，2007.

[2]周计文，王立新，王辉.基于单片机的多路无线遥控开关设计[J].微处理机，2008，159（3）：159-161