简易灭火机器人设计(共4篇)
简易灭火机器人设计 篇1
摘要:伴随着经济的发展,住宅式建筑火灾每年发生的数量都在增加,并且每年因此死亡的人数占了很大比例。目前适合家庭式灭火的设备就是灭火器,但是灭火器存在诸多不利因素,针对此种现象,根据家庭式火灾的特点,设计符合家庭式火灾的灭火设备,弥补灭火器带来的不利因素,使每个家庭都能在发生火灾初期,能够及时灭火,保护家庭成员安全以及避免造成财产损失。
关键词:家庭,灭火器,灭火装置
近年来由于我国家庭用电用气日益频繁,室内易燃物品增多,人们消防观念淡薄等原因,家庭火灾比率逐年攀升,特别是家庭火灾死亡人数占火灾总死亡人数60%以上,比例惊人,究其原因,其中很重要的一点是,我国家庭室内灭火器配置率极低,人们消防知识严重缺乏,这固然与我国消防安全知识普及有一定关系,但更重要的是目前市场上还没有出现针对消费者个体需求的室内灭火器产品。常用的灭火器还需要年检、检修等必须到专业机构进行的规定,对于家庭使用来说极其不方便。本小组以普通家庭人员对室内灭火器的需求为中心展开研究,从使用者、产品、使用环境出发等方面进行了细致的研究设计。在此基础上,整合了普通家庭用户对室内灭火器的需求点,构建了符合需求的室内灭火器的设计要素,明确了室内灭火器的实际定位,并通过具体的实际案例来讨论相关结论。在室内灭火器的造型及灭火方法上进行了可行性很强的创新设计[1,4]。
1 装置设计原理及方案
1.1 家庭式火灾类型及蔓延过程
1.1.1 家庭式火灾的类型
家庭式火灾的类型主要有:
A类固体火灾:室内有较多可燃物,例如桌椅板凳、床上用品以及装饰用的易燃物质都属于危险源,易发生固体火灾。
B类液体火灾:部分家庭中使用液化气罐易发生液体火灾。
C类气体火灾:主要是由家用燃气(煤气、天然气)等引起的火灾。
E类电气火灾:主要是由家用电气设备引起的火灾。
F类烹饪器具内的烹饪物(如动植物油脂)火灾:主要是指厨房内的火灾。
以上火灾除了液体、气体、电气火灾均可以直接用水系灭火剂进行灭火。但是如果发生天然气、煤气火灾,第一时间先把闸门关掉,然后也可以使用水系灭火剂。如果发生电气火灾,现在家庭的电路都设有过载保护会自动断电,如果不能断电,先把家里总的闸阀关掉,然后也可以用水灭火剂进行灭火。综合以上因素,采用最简易的,最适用范围广的水系灭火剂是较为有效的选择[5,7]。
1.1.2 家庭式火灾的蔓延过程
火灾是火失去控制而蔓延的一种灾害性燃烧现象。室内火灾的发展过程是典型的建筑物起火过程,可用室内烟气和火焰平均温度随时间变化来描述(如图1)。
根据室内火灾温度随时间的变化关系的特点,可将火灾分为三个阶段,即起火阶段、全面发展阶段和熄灭阶段。从图上可以看出灭火的最佳阶段在起火阶段,当火灾进入全面发展阶段以后,就会伴随轰然等现象发生,进行灭火是相当困难的。在熄灭阶段灭火已经没有什么实际意义。针对此情况,在火灾初期,如果家庭备有灭火器,则能在较短的时间内进行灭火,保护家庭的人员安全和财产损失。
1.2 设计原理
本项目是利用水的理化性质作为灭火剂进行灭火,将家庭用的自来水通过两个并联的高压式离心水泵对高层居民住宅小区饮用水进行二次加压,使加压后的饮用水达到需要的扬程和射程进行灭火。
2 家庭灭火器的参数计算
2.1 参数设计
综合产品的占用面积、水泵的流量、水泵的扬程、水泵的功率、电压、电流、进水管、出水管等方面的考虑。
现针对室内火灾的发展情况,对家用式灭火器进行如下参数计算:
假设房间高度h1=3.5m,水枪出水口距地面的距离h2=1m(取一般住宅式家庭的较大尺寸)。因此,当扬程达到2.5m。即满足要求。
项目所用水泵压力P=13-15Kg(1.3MPa-1.5MPa)。现求水枪能喷射的最远距离。根据公式:
其中,h———射流高度,单位m;
R———水平射程,单位m;
α———倾斜射流的仰角,单位度;
H———喷头入口水压,单位Pa。
水枪口到至高点的距离L1:
至高点至起火的距离L2:
因此,可以达到的水平射程R:
水平射程一般能够满足房间对角最大尺寸即可,根据一般住宅房间较大面积200平方米计算,其房间最大距离均小于R值。根据以上计算,最终确定了以下基本参数:
因此,所选用水泵的理论水平射程可达到18.68m。符合设计要求。
2.2 外观设计
结合家庭使用的特点,初步设计该家庭灭火器总体外观为50cm×50cm×50cm的正方体,外壁设有放置水枪的沟槽和缠绕水管的铆钉以及便携式的手提和指示灯区。图3和图4为外观设计的效果图:
3 结论
3.1
通过对家庭式火灾特点的研究,确定了灭火装置的结构、组成。组成的部件均是可以直接能购买的。
3.2 以上数据的计算均是采用一般家庭式住宅的面积以及设计参数。
有普遍的适用范围。而灭火装置的体积采取最小化的原则,尽量少占用家庭使用面积。
3.3
灭火器的简易设计是一般家庭都可以完成制作的,而且避免了灭火器定期检修、年检的不利条件。
参考文献
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新型灭火机器人的设计与实现 篇2
近年来,随着科学技术的迅速发展,智能化也提出了进一步的要求,智能机器人的研究在实际应用中就有了很大的发展空间,机器人技术是一项综合性的学科,它涉及机械、电子、计算机、智能控制等领域。智能机器人技术应用了信息技术中的感测技术、传感技术、控制技术等,是信息技术课程和相关科技活动的良好载体。一些发达国家已经看好智能机器人教育对未来高科技社会的影响,我国也已经在这一方面做出了一些积极的努力。
机器人灭火比赛是近几年在国内外被广泛推广和发展的一个机器人竞赛项目。由于其对参赛选手的技术水平和参赛机器人的成本门槛较低,因此是在机器人入门级玩家里被广泛开展的一项机器人竞技项目。随着此比赛的普及影响力的加大,想了解的人越来越多。
2 灭火机器人的硬件设计
根据灭火机器人的功能要求,设计的灭火机器人主要由控制器、传感器模块、灭火模块、驱动模块、以及电源模块等组成,其总体结构如图1所示。
2.1 控制器
控制器核心采用ATMEL公司生产的ATmega 168v单片机,它具有16K系统内可编程的FLASH,工作于20 MHZ时性能高达20 MIPS,拥有两个独立预分频器和比较器功能的8位定时器计数器,一个具有独立预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器计数器。8路10位ADC(TQFP与MLF封装);23个可编程的IO口,工作电压:1.8V~5.5V,是一款优秀的高性能、低功耗的8位AVR微处理器。
CPU的主要任务是保证程序的正确执行。因此它必须能够访问存储器,执行运算,控制外设以及处理中断。为了得到最大程度的性能以及并行性,AVR采用了Harvard结构,具有独立的数据和程序总线。程序存储器的指令通过一级流水线运行。CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器为可以在线编程的FLASH。在本次设计中使用ATmega 168v的另一个原因是,它有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接,能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。ADC通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量。最小值代表GND,最大值代表AREF引脚上的电压再减去1 LSB。ADC转换结果为10位,存放于ADC数据寄存器ADCH及ADCL中。
有了ADC转换,外部传感器反馈回来的模拟量值,通过转换变成精确的数字量值,提高了程序运行的精确度,同时也减少了外部传感器的使用数量。本来需要使用三个传感器才能完成沿墙走的功能,现在只需要两个就能完成,而且更精确的控制了离墙的距离,减少了碰壁的次数。
2.2 传感器模块
传感器是机器人的感觉器官。在本设计中,机器人能否顺利检查每个房间火源情况,准确找到火源并确保将火源熄灭,关键取决于传感器。本设计中红外光电传感器采用CNY70,用它去检测障碍物(0-5cm)。它本身具有一个发射端和一个接收端,接收端根据接收的信号强弱,反馈一个电压值,单片机通过ADC转换从而控制机器人的动作(控制距离墙的远近),实验证明通过ADC转换可以将机器人控制距离墙1-3cm前进而不碰壁,比使用三个传感器但不进行A/D转换效果更好。火焰传感器采用红外光电传感器GFK125,在此设计中对GFK125传感器进行了改造,去除了它的发射端,只保留它的接收电路。因为用它去检测火焰,就不需要它自身发出信号了。如图3所示。
2.3 驱动模块
CPU输出PWM信号,电压为脉冲形式。由于输出的电流很小,直接将CPU的输出和直流电机的输入相连是不能使电机转动的。使用电机驱动模块的目的就是将CPU的输出电流放大,从而获得足够大的力矩,驱动电机转动。本设计采用LG9110芯片做为电机驱动芯片,它的两个输出端能直接驱动电机的正反向运动,具有较大的电流驱动能力。
2.4 灭火模块
由微型风扇和简单的驱动电路组成,当传感器发现火源时由单片机来启动该模块熄灭火源。
3 灭火机器人的软件设计
机器人灭火设计中,主要采用了“迷宫走法”和“右手法则”,其思想就是通过红外光电传感器感知到墙壁(障碍物)的存在,从而控制机器人实现沿墙走的功能。以沿右墙走为例,分别在机器人的前、右两处各放置一个红外传感器,前方传感器用于检测前方障碍物,若检测到障碍物则左转90度后再直线前进。右边的传感器用来检测右方障碍物,由于ATmega 168v单片机具有ADC转换功能,所以传感器反馈的强弱信号单片机通过A/D转换变成了不同的数字量,进而更精确的控制机器人的动作,如果距离墙太远,则右转;如果距离墙太近,则左转。通过不断调整,使机器人始终运行在距离墙1-3CM的位置,实现了沿着墙走,从而进入每一个房间寻找火源。
机器人进入房间后,通过前端左右两个火焰传感器对房间进行检测,因为在程序中设定的感应火焰的值非常低,即使很微弱的火光,传感器依然可以检测的到它的存在。如果机器人没有检测到火源,则立即退出房间,对其他房间进行检测;如果火焰传感器感觉到火焰,则启动寻光程序,进行灭火。由于是左右两个传感器,单片机会有两个反馈电压值,通过对两个传感器反馈的电压值大小进行比较,从而控制机器人如何动作,左边光强说明机器人左边距离火源近些,应向左转,反之,则右转,通过不断的比较,逐渐靠近火源,光强达到一定的强度,机器人启动风扇熄灭火源。熄灭火源后,机器人退出房间,同样的程序继续检查其他房间,直至所有房间全部检查完毕,回到出发地点。图4是程序流程图。
主要程序框架:
4 结束语
通过自己动手对灭火机器人的设计、编程、理论与实践的结合,使我了解了ATMEL公司的ATmega168v单片机,对智能控制有了进一步的理解,随着科技的发展,以机器人为代表的智能控制应用也是越来越广泛,希望本文可以给大家一定的参考和帮助。
参考文献
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简易灭火机器人设计 篇3
智能灭火机器人在声音或人工启动后, 左右两侧的电机被驱动旋转, 小车在前进的过程中, 通过两侧夹角固定红外传感器, 来调整两轮的转速, 是车体达到前行方向, 前行过程中实时监测是否有火源存在, 若火焰传感器检测到有火源时, 向火源靠拢, 当与货源达到一定距离时, 温度传感器接收到信号, 在单片机处理下使风扇转动, 直至火源被灭才停止旋转, 然后继续寻找下一火源。
系统总体设计框图如图1。
2 系统硬件设计
2.1 结构设计
在综合考虑工作受地面摩擦、机器人惯性、机器人电机的转数差、齿轮箱与轮子的摩擦、电压变化等多个因素影响后, 为了方便小车在前进过程中, 能够直线前进, 且没有左右较大的晃动, 而且能够平稳转弯, 我们采用圆形车体, 两电机驱动, 前后各安装一个万向轮。
车体主要由电路板, 车底盘, 风扇架, 车轮等构成, 为了更加节省车体空间, 我们在设计电路板时, 将稳压芯片, 电机驱动, stm32芯片都焊接在一块板子上, 使整个车体看起来更整洁更美观。在车体前方安装5个红外传感器, 并且距中心红外各岔开30度, 将两个传感器放在车盘后面, 距中心岔开60度。这样能够使探测的范围更大, 有利于对墙壁的探测。红外的距离大概8cm, 经过检测, 这样车体能够最快修正, 更加平稳。电池放于车底盘下面, 将车的重心降低, 更有利于车体稳定。将风扇提高能够略高于火源, 而温度传感器与火焰传感器一般与火源同等高度, 风扇要有大概10度的向下倾角, 这样就能保证最大范围的灭火。
2.2 电源管理模块设计
电源管理模块包括稳压模块与驱动模块。由于单片机及所有的传感器系统供电采用的是5V的电源, 而车体要良好的运行电机的供电电压应该达到12V, 所以在电源的处理上采用了稳压芯片, LM2596来稳5V, 以供传感器使用, 电机驱动模块使用直流12V, 使用一款MC34063升压芯片。由于传感器数量较多, 尤其红外传感器所消耗的电流较大, 这便是我们使用LM2596的原因。
电机驱动芯片我们采用的是LR7843, 电机驱动电路为一个由分立元件制作的直流电动机可逆双极型桥式驱动器, 其功率元件由4片N沟道功率MOS管组成, 额定工作电流可以轻易达到100A以上, 大大提高了电动机的工作转矩和转速。该驱动器主要由以下部分组成:功率MOS管栅极驱动电路、IR2104驱动芯片、74HC08D与门芯片等。
2.3 传感器模块设计
红外传感器采用E18-D80NK, 传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。红外发射管发射出经过调制过的38KHZ的红外光, 当前方没有障碍物时, 接收器收不到红外光, 相反当前方有障碍物时, 接受器可以收到红外光。根据此原理, 机器人可以感知前方的路况从而决定是否前行。声音传感器是固定频率声控的, 内部含有鉴频器, 可以对固定频率音频信号识别;放大器对麦克风的声音进行100倍放大, 并从接口插针输出, 可以精密多圈电位器调节频率。这样我们就可以更加准确的控制小车, 不至于在杂音下启动。温度传感器采用的是DS18B20测温模块, 其板载DS18B20芯片, 同时留有3P圆孔座, 方便插拔DS18B20芯片, 芯片引脚已经全部引出, 内置上拉电阻, 方便使用, 价格便宜, 能够精确检测与火源距离, 使小车实现完全自动化。火焰传感器与风扇模块选材, 满足需求即可, 但其位置有较为严格要求, 火焰传感器最好使用5路, 分布原理与红外传感器分布原理相似, 方便在检测火源后校正角度。风扇最好选用大功率空心杯等, 能够保证足够的风力灭火, 使用继电器控制其开关。
3 软件设计
程序的开发是在Keil开发环境下进行的, 包括源程序的编写、编译和链接, 并最终生成可执行文件。软件设计部分包括系统初始化、数据采集与处理、电机控制、灭火等部分。
在小车接收到信号启动后, 实时监测是否有火源存在, 在红外传感器没有检测到物体时, 小车则向两边斜向靠拢, 以便贴近障碍物行驶。若检测到火源, 根据火焰传感器来判别火源的方向, 并逐渐向火源靠拢, 靠近过程中及时修正车体方向, 在距火源达到一定距离后, 温度传感器接收到信号, 通过单片机控制继电开通, 促使风扇转动, 直至检测不到火源时风扇停止。为防止火复燃, 需小车在原地静定几秒钟, 确定无火源时再离开, 继续寻找下一火源。
4 结论
顺应于现代灭火技术的理念, 基于stm32核心处理器, 合理搭建小车机械结构, 使用红外传感器避障, 声音传感器启动, 火焰传感器检测火源, 温度传感器控制与火源距离, 用风扇灭火, 我们设计出一种运行稳定, 价格低廉, 可靠且可行的全自动智能灭火机器人。
参考文献
[1] (美) 麦库姆.小型智能机器人制作全攻略[M]. (第4版) 北京:人民邮电出版社, 2013 (06) .
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简易灭火机器人设计 篇4
安全生产问题越来越为社会所重视。最近昆山中荣金属制品有限公司粉尘爆炸事故给我们留下惨痛的教训。安全巡检是企业安全生产的重要保障之一。但人工巡检受生理、心理等因素影响较大, 特别是在强电、强磁、强辐射等环境下对人体更是一种伤害。随着机器人技术的快速发展, 利用机器人代替人工巡检是未来发展的趋势。
1、运动控制系统设计
本系统由机器人感知部分、机器人智能部分和机器人动作执行部分三个单元组成。巡视机器人在系统的支持下能够按照设定的路径进行匀速巡航, 在设定的地点精确停靠, 自动将检测仪器对准工厂待检设备, 得到检测数据。在巡视过程中如果遇到障碍物, 能够避让, 并选择左右转向到适合的路径继续巡航。红外距离传感器起到机器人“眼睛”的作用。要实现以上功能, 我们设计运动控制系统的主要思路如下:
步骤1:红外距离传感器的控制。
使用舵机控制红外距离传感器的转动。舵机是一个带闭环控制的电机, 能转动到指定的角度。工作原理是:控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片, 获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路, 产生周期为20ms, 宽度为1.5ms的基准信号, 将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较, 获得电压差输出。电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时, 通过级联减速齿轮带动电位器旋转, 使得电压差为0, 电机停止转动。在程序中控制舵机的转动角度, 就是生成不同脉宽PWM就行了。
步骤2:使用L293控制巡检机器人的运动。
L293是一种H桥集成电路芯片, 内含2个H桥高电压、大电流全桥式驱动器, 可以用来驱动继电器线圈和直流电动机等感性负载。主要特点是:电压高, 最高可达36伏;输出电流大, 持续电流1A, 峰值电流可达到2A。可以控制2路电机, 并可以实现正转和反转。
工作原理:L293与单片机相连, 由单片机输入信号。启用1-2 EN驱动器和3-4 EN驱动器, 两者为高电平使能。当使能输入为高电平时, 相关联的驱动器被启用, 输出处于活动状态, 并与其单片机输入的信号同相, 输入的信号可以是高和低, 从而可以得到正转和反转, 控制巡视机器人前进和后退。当使能输入为低, 相关联的驱动器被禁用, 其输出关闭, 处在高阻抗状态, 从而可以控制巡视机器人是否停止运动。
步骤3:巡航行为设计。
巡航行为就是给电机电流, 电机转动而已, 机器人向前。两个电机以同样的速度驱动左右轮向前。
步骤4:逃避 (避障) 行为设计。
发现障碍物, 首先要停下来, 然后判断是应该往左还是往右, 做出决定之后, 再进行具体的动作。针对这种不能在一个时刻完成, 要经过几个不同的状态才能处理完成的行为, 可以用状态机来解决。这种基于行为单元的实现方法比较类似生物的反射行为。
2、传感器系统设计
工厂巡检机器人通过传感器得到设备检测数据。通过无线网络将检测数据发送到值班主控电脑中, 分析设备检测数据历史变化趋势, 比较同类设备的温度和压力等数据, 对比设备负荷和待机温度和压力等数据变化, 关联设备负荷和环境温度和压力等数据, 从而为设备检修和状态评估提供决策支持。实现工厂设备运行状态的分析检测报警灯功能。
步骤1:无线温度传感器设计。
在巡检机器人上安装无线温度传感器, 在巡检厂区过程中获取设备的温度数据。将温度传感器探头对准要检测的设备, 获取模拟信号数据, 然后通过A/D转换器, 转换成数字信号, 交给单片机进行数据处理, 单片机将并行信号转换成串行信号, 然后通过内置天线, 将数据无线发送到控制台, 控制台接收数据并进行数据解调, 将串行信号转换成并行信号。控制台通过数据分析软件建立模型对温度数据进行分析, 从而获知设备是否处于正常工作状态, 或设备需要检修等信息, 为管理人员提供决策支持。
步骤2:无线压力传感器设计。
在巡检机器人上安装无线压力传感器, 在巡检厂区过程中获取设备的压力数据。无线压力传感器系统由数据采集发射和数据接收模块组成。将无线压力传感器探头对准要检测的设备, 获取压力数据信号, 利用放大器对采集的微弱差分信号进行放大, 然后通过A/D转换器转换成数字信号送入单片机, 单片机将并行信号转换成串行信号然后利用天线发射出去。接收模块将接收的信号解调, 然后解码成并行数据, 输出显示。控制台通过数据分析软件建立模型对压力数据进行分析, 从而获知设备是否处于正常工作状态, 或设备需要检修等信息, 为管理人员提供决策支持。
3、结束语
巡检机器人还可以携带红外热像仪和可见光摄像机等设备检测装置, 在对工厂进行巡视中能实时将画面和数据传输至远端监控系统, 可对设备节点进行红外测温, 及时发现设备发热缺陷, 同时也可检测设备声音是否正常从而判断设备的运行状况。诊断设备运行中的事故隐患和故障先兆, 对设备热缺陷等情况能自动判断和报警, 以便及时采取措施消除事故隐患。
巡检机器人解决了恶劣天气下巡检难度和危险度大的问题, 能够更有效地保证设备巡视质量, 提高工作效率, 降低运行人员的工作强度, 而且能在强电、强磁、强辐射等环境下代替人工巡检, 是一种创新的技术检测手段, 进一步提高工厂生产的可靠性和安全性。
工厂巡检机器人的功能将越来越强大, 携带的设备将越来越多, 越来越精密, 巡检机器人智能化程度也将越来越高, 人机对话, 设置能够对设备进行诊断维修。也许将来的某一天将全面代替人工巡检, 而且比人工巡检做得更多更好。今后在工作中将不断学习相关的知识, 不断改进此工厂巡检机器人, 为公司安全生产做出自己的贡献。
摘要:本文结合工厂在生产安全管理中对安全巡检的实际需要, 采用巡检机器人的解决方案, 配备传感器并能够将数据无线传输到控制台, 从而实现对工厂一定区域内安全巡检。通过此简易巡检机器人设计的具体实例, 探索了巡检机器人在强电、强磁、强辐射等特定环境下的代替人工巡检的实际应用意义。
关键词:安全管理,巡检,机器人,特定环境,代替
参考文献
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