基于內(nèi)部通訊的全自動(dòng)滅火救援機(jī)器人系統(tǒng)的研究

作者 / 倪銀堂、王振豪、呂迪洋，南京工程學(xué)院

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基于內(nèi)部通訊的全自動(dòng)滅火救援機(jī)器人系統(tǒng)的研究

作者 / 倪銀堂、王振豪、呂迪洋，南京工程學(xué)院

項(xiàng)目?jī)?nèi)容：本項(xiàng)目為南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)TZ20160010）

本系統(tǒng)中墻體固定傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)火情的監(jiān)測(cè)，在起火后第一時(shí)間通知場(chǎng)地人員和上位機(jī)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后空中喚醒滅火機(jī)器人和救援機(jī)器人。機(jī)器人通過(guò)通訊模塊與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換與處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人個(gè)體的自主運(yùn)行與機(jī)器人間的協(xié)同工作，提高了滅火和救援的效率。

機(jī)器人；滅火；救援；內(nèi)部通訊；協(xié)同

引言

目前世界各國(guó)在消防救援上主要使用遙控型機(jī)器人，不僅需要專業(yè)人員進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，以攝像機(jī)捕捉的場(chǎng)景進(jìn)行遠(yuǎn)程操作難度較大；而且在火災(zāi)發(fā)生到從消防中心搬運(yùn)機(jī)器人至現(xiàn)場(chǎng)也可能會(huì)錯(cuò)過(guò)最佳的救援時(shí)間。一些實(shí)驗(yàn)室和公司正在攻克自主救援機(jī)器人的難題，有望在救援時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主工作。同時(shí)，機(jī)器人協(xié)同工作也是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究方向，不同功能的機(jī)器人具有明確的分工，通過(guò)通訊協(xié)作完成復(fù)雜的任務(wù)。

1. 研究?jī)?nèi)容

構(gòu)建一種基于內(nèi)部通訊的的全自動(dòng)滅火救援機(jī)器人系統(tǒng)，包括上位機(jī)、滅火機(jī)器人、救援機(jī)器人和墻體固定傳感器四個(gè)部分。上位機(jī)與墻體固定傳感器實(shí)現(xiàn)一對(duì)多形式的通訊模塊連接，工作時(shí)墻體固定傳感器單方向發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)通訊模塊向滅火機(jī)器人與救援機(jī)器人發(fā)送指令，機(jī)器人也可以向上位機(jī)反饋傳感器接收的數(shù)據(jù)以及自身的工作情況。

■1.1 墻體固定傳感器

（1）主要構(gòu)成：微處理器，排風(fēng)報(bào)警系統(tǒng)，通訊模塊，火焰?zhèn)鞲衅骱涂扇夹詺怏w傳感器等火情監(jiān)測(cè)傳感器，紅外人體釋熱傳感器和多普勒位移傳感器等；

（2）安裝位置：在每個(gè)房間的墻體上固定安裝；

（3）功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)房間內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)某個(gè)指數(shù)超標(biāo)，則立即不間斷的發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)，直到指數(shù)達(dá)到正常水平；實(shí)現(xiàn)蜂鳴器的報(bào)警功能與排風(fēng)系統(tǒng)的工作；通過(guò)人體紅外釋熱傳感器和多普勒位移傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)被困人員的監(jiān)測(cè)。

■1.2 上位機(jī)

（1）主要構(gòu)成：上位機(jī)軟件，微處理器，通訊模塊等；

（2）功能：處理從墻體固定傳感器、救援機(jī)器人和滅火機(jī)器人接收到的數(shù)據(jù)，綜合處理之后，發(fā)指令控制各個(gè)部分執(zhí)行相應(yīng)操作。在救援人員介入滅火救援后成為整個(gè)系統(tǒng)的控制端，為救援人員提供火災(zāi)和救援情況等信息。

■1.3 滅火機(jī)器人

（1）主要構(gòu)成：微處理器，滅火系統(tǒng)，多種傳感器（模擬量輸出火焰?zhèn)鞲衅?，距離傳感器，記米器，光電傳感器，角速度傳感器，加速度傳感器等），通訊模塊等；

（2）功能：接受上位機(jī)的指令執(zhí)行自動(dòng)規(guī)劃路徑，尋找火源并撲滅火源，向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。

■1.4 救援機(jī)器人

（1）主要構(gòu)成：微處理器，救援系統(tǒng)（救援艙，機(jī)械臂等），多種傳感器（人體紅外釋熱傳感器，距離傳感器，記米器，光電傳感器，角速度傳感器，加速度傳感器等）、高清攝像頭、視頻無(wú)線傳輸模塊、通訊模塊等；

（2）功能：自動(dòng)工作模式下接受上位機(jī)的指令執(zhí)行自動(dòng)規(guī)劃路徑，尋找被困人員時(shí)使用安全艙收納被困人員，將被困人員運(yùn)送到預(yù)設(shè)的安全地點(diǎn)后執(zhí)行自動(dòng)搜索指令；受控模式下上位機(jī)可控制機(jī)器人行進(jìn)路線，可使用機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)清障功能，可通過(guò)攝像頭獲得以救援機(jī)器人第一視角的實(shí)時(shí)視頻；可向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。

2. 具體實(shí)施過(guò)程

■2.1 墻體固定傳感器向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)

正常情況下，上位機(jī)和墻體固定傳感器處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)，救援機(jī)器人和滅火機(jī)器人處于休眠狀態(tài)；墻體固定傳感器不間斷向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)，上位機(jī)空中喚醒救援機(jī)器人和滅火機(jī)器人置于工作狀態(tài)。如果墻體固定傳感器檢測(cè)到可燃性氣體超標(biāo)會(huì)打開(kāi)排風(fēng)系統(tǒng)，直到危險(xiǎn)解除。

■2.2 上位機(jī)控制滅火機(jī)器人滅火

墻體固定傳感器檢測(cè)到明火，會(huì)立即向上位機(jī)發(fā)送異常點(diǎn)的位置、傳感器接收到的數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)蜂鳴器向場(chǎng)地人員報(bào)警。上位機(jī)會(huì)向滅火機(jī)器人發(fā)送指令，滅火機(jī)器人自動(dòng)計(jì)算路徑以最短時(shí)間到達(dá)指定地點(diǎn)勘察具體情況并實(shí)施滅火及數(shù)據(jù)采集，同時(shí)，墻體固定傳感器也會(huì)檢測(cè)著火點(diǎn)的火情，如果滅火機(jī)器人順利滅火，滅火機(jī)器人復(fù)位，補(bǔ)充電能，關(guān)閉蜂鳴器；如果滅火機(jī)器人和墻體固定傳感

器檢測(cè)到火勢(shì)已超出自身能力范圍，則上位機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)告火警，說(shuō)明具體地點(diǎn)和火勢(shì)，滅火機(jī)器人繼續(xù)滅火。

■2.3 上位機(jī)控制滅火、救援機(jī)器人協(xié)同工作

當(dāng)火勢(shì)過(guò)大并檢測(cè)到有被困人員，墻體固定傳感器會(huì)立即向上位機(jī)發(fā)送位置信息，上位機(jī)在處理之后會(huì)立即向救援機(jī)器人發(fā)送指令，前往指定地點(diǎn)實(shí)施救援，如果救援機(jī)器人在預(yù)定位置檢測(cè)到被困人員，則立即打開(kāi)安全艙，待被困者進(jìn)入安全艙，迅速撤離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)送至指定的安全地點(diǎn)。在運(yùn)送完后，救援機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搜索，營(yíng)救被困人員。火源全被撲滅后系統(tǒng)還原，并完成對(duì)機(jī)器人的電能補(bǔ)充。

■2.4 救援機(jī)器人的工作模式切換

若救援人員趕到現(xiàn)場(chǎng)，可通過(guò)上位機(jī)向救援機(jī)器人發(fā)送指令，救援機(jī)器人暫停自動(dòng)工作狀態(tài)（滅火機(jī)器人仍繼續(xù)工作），此時(shí)救援機(jī)器人的行為以及安裝在機(jī)器人上的起清障作用的機(jī)械手和救援艙可以通過(guò)上位機(jī)控制實(shí)施救援，同時(shí)可通過(guò)上位機(jī)打開(kāi)視頻傳輸通道，接受救援機(jī)器人發(fā)回的實(shí)時(shí)圖像。

3. 研究的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）實(shí)際使用中上位機(jī)和墻體固定傳感器處于開(kāi)啟狀態(tài)，在火災(zāi)發(fā)生后機(jī)器人及時(shí)啟動(dòng)，在一定程度上加快了火災(zāi)后的反應(yīng)能力，也強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)的節(jié)能性。

（2）起火后系統(tǒng)立即做出反應(yīng)，通知場(chǎng)地工作人員并迅速根據(jù)情況派出不同的機(jī)器人。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的協(xié)同工作，通過(guò)通訊模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。

（3）墻體固定傳感器實(shí)現(xiàn)全覆蓋，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和簡(jiǎn)易的排風(fēng)報(bào)警等功能；救援機(jī)器人的自動(dòng)工作狀態(tài)和受控狀態(tài)的切換，為救援提供更多的選擇。

4. 研究展望

（1）通過(guò)延長(zhǎng)履帶底盤(pán)的長(zhǎng)度并提高其穩(wěn)定性，使得機(jī)器人能夠自主爬樓，通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成多層樓的信息交互，若某層樓的情況較為嚴(yán)重可調(diào)集其他樓層的機(jī)器人前往。

（2）通過(guò)金屬的渦流效應(yīng)制備具有辨別火源類型功能的傳感器并搭載在墻體固定傳感器上，針對(duì)金屬火源和非金屬火源采用不同的處理方法。

（3）通過(guò)搭載熱成像儀和攝像頭多旋翼飛行器自主繞起火樓飛行并捕捉數(shù)據(jù)，為救援人員提供更豐富的數(shù)據(jù)。

5. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)滅火機(jī)器人、救援機(jī)器人與上位機(jī)的通訊，墻體固定傳感器與上位機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人間的協(xié)同工作。本機(jī)器人系統(tǒng)在迅速反應(yīng)從而減少火災(zāi)帶來(lái)的財(cái)產(chǎn)損失、救援被困人員上起著不可估量的作用；同時(shí)也由于本系統(tǒng)制備工藝簡(jiǎn)單帶來(lái)成本較低，占地面積較小，操作難度低，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。