智能火災(zāi)偵察機(jī)器人

丁嘉輝 劉白雪 侯姍汝

摘要：火帶給人們光明和溫暖，但是失去控制的火帶就會給人們?yōu)碾y?；馂?zāi)已成為威脅社會發(fā)展最常見的災(zāi)害之一，隨著我國科技水平的不斷提高，對火災(zāi)智能偵查、救援和滅火也越來越受到人們的關(guān)注，本作品的創(chuàng)意是在救援和滅火之前能快速探測現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)并迅速傳遞到指揮中心，為指揮中心決策提供依據(jù)本作品是以履帶式行走機(jī)構(gòu)為底盤結(jié)構(gòu)，STM32單片機(jī)為控制核心，加以編碼電機(jī)、超聲波傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、紅外成像儀、機(jī)械臂和電源電路以及其他電路構(gòu)成。實現(xiàn)探測車的智能控制包括路面智能清障和避障、生命探測、智能火源檢測、自動滅火、路程測量、數(shù)據(jù)傳遞、視頻傳輸、LCD屏顯示、定點偵查、火災(zāi)預(yù)防等功能并且各功能之間可以相輔相成，相互配合、緊密聯(lián)系的形成實用型多功能系。

一、緒論

1.1前言

在沒有了解火災(zāi)現(xiàn)場煙霧濃度、溫度、有害氣體種類時進(jìn)行救援和滅火會增加難度嚴(yán)重時造成消防員傷亡，基于這個問題，我們的創(chuàng)意是在救援和滅火之前能快速探測火災(zāi)現(xiàn)場的溫度、煙霧濃度和有無被困人員等數(shù)據(jù)并迅速傳遞到指揮中心，為指揮中心決策提供依據(jù)。根據(jù)不同火災(zāi)現(xiàn)場采取不同的救援方案或者滅火策略。我們相信終有一天在危險的火災(zāi)現(xiàn)場，消防員可以快速的掌握現(xiàn)場情況努力做到不用身陷火中就能救援和滅火。

1.2引言

2018年美國加州再次發(fā)生森林大火，大火整整燒毀1600平方公里的森林。造成多人不幸死亡，1000多戶房屋被毀。人員傷亡、財產(chǎn)損失非常嚴(yán)重。隨著科技的不斷發(fā)展，智能機(jī)器人面對人類無法快速解決的難題做出了巨大的貢獻(xiàn)并且可以在各領(lǐng)域都得以空前的發(fā)展，尤其是在地震、泥石流、水災(zāi)、火災(zāi)等各類災(zāi)害方面，智能機(jī)器人都發(fā)揮了無限的潛力，突破了很多難題使我們進(jìn)入了智能時代，在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災(zāi)害之一，其破壞力大、突發(fā)性強，給人類的生產(chǎn)和生活帶來了不同程度的損害。更重要的是，火災(zāi)爆發(fā)的時間和地點比較隨機(jī)，誘因多樣，有自然引發(fā)和人為造成，一旦發(fā)生，難控制，還會造成二次傷害，這給消防人員帶來了極大的挑戰(zhàn)，同時也給救援人員帶來了生命威脅。為了應(yīng)對復(fù)雜的火災(zāi)，火災(zāi)智能機(jī)器人的研制是減少火災(zāi)傷情的一個有效措施。隨著我國信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，其在我國各行各業(yè)中都得到了綜合全面的應(yīng)用，消防滅火領(lǐng)域也不例外。各類信息化技術(shù)的引入有效提高了具體消防滅火工作的效率，能夠在火災(zāi)發(fā)生的第一時間就采取相應(yīng)的措施，可以盡快的將火勢控制下來，帶來了顯著的社會效益。本文先闡述了信息化技術(shù)在消防滅火領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，接著通過做好信息化服務(wù)、開展信息化指揮、形成信息化平臺的總流程，探討了在消防滅火救援指揮系統(tǒng)中進(jìn)行信息化建設(shè)的具體途徑和步驟，最后還從增強消防人員的信息化水平、提高系統(tǒng)信息化建設(shè)的進(jìn)程兩個方面，探討了信息化應(yīng)用的具體保障措施。通過近年來商業(yè)綜合體建筑火災(zāi)典型案例，分析商業(yè)綜合體建筑的火災(zāi)特點及滅火救援難點，從細(xì)化滅火救援專項設(shè)計、攻克火災(zāi)救援現(xiàn)場關(guān)鍵環(huán)節(jié)難點、打造滅火救援拳頭部隊、構(gòu)建戰(zhàn)勤保障聯(lián)動體系等方面提出相應(yīng)解決對策，為類似建筑火災(zāi)的滅火救援提供參考?；馂?zāi)發(fā)生時，火災(zāi)現(xiàn)場產(chǎn)生的煙氣具有毒性，減光性，恐懼性和灼傷性四大危害，是逃生和火災(zāi)救援的最大威脅，為了提高被困人員的逃生幾率，加快消防人員的救援速度，及時排出煙氣是非常重要的。通過介紹自然排煙系統(tǒng)、機(jī)械排煙系統(tǒng)和噴霧水排煙三類常用排煙方法，分析其在火災(zāi)救援過程中的作用，為火災(zāi)救援提供幫助?；馂?zāi)救援現(xiàn)場煙霧繚繞、環(huán)境惡劣，火災(zāi)救援首要的是快速救人，以此為目標(biāo)，基于區(qū)域分割思想，設(shè)計一種快速的室內(nèi)定位方法。首先根據(jù)環(huán)境進(jìn)行不均勻的區(qū)域分割并設(shè)置信標(biāo)節(jié)點。接收到的 RSSI 進(jìn)行卡爾曼濾波和中位加權(quán)處理之后，再運用三邊定位方法獲取目標(biāo)的位置信息?；馂?zāi)是常見災(zāi)害之一，對于人們的身心健康以及社會的穩(wěn)定發(fā)展都具有直接影響。而火災(zāi)的發(fā)展具有突發(fā)性特點，要想提升滅火救援工作效率，將火災(zāi)給人們生命和財產(chǎn)帶來的損失降到最低，積極進(jìn)行滅火救援?dāng)?shù)字化建設(shè)勢在必行。鑒于此，本文首先對滅火救援中數(shù)字化建設(shè)的意義進(jìn)行了簡要分析，并詳細(xì)探討了滅火救援中數(shù)字化建設(shè)的具體應(yīng)用，以供參考。為獲取最優(yōu)的救援路徑，以提高救援的有效性和實時性，文中提出了一種粒子群蟻群融合算法。該算法在分析影響路徑選擇因素的基礎(chǔ)上，運用模糊數(shù)學(xué)中的層次分析法評定了道路的權(quán)重，建立了消防滅火救援模型; 使用粒子群算法快速獲取次優(yōu)解，將此次優(yōu)解作為蟻群算法的初始信息素增量，并將求解出各段路徑權(quán)重矩陣引入到優(yōu)化后的蟻群算法狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的求解模型中來，再利用這種改進(jìn)后的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，且考慮行車速度時變性的基礎(chǔ)上求解出模型的最優(yōu)解。實驗結(jié)果表明，該方法可以完成最佳救援路徑的規(guī)劃?；馂?zāi)是人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中經(jīng)常遇到的災(zāi)害之一，在滅火救援過程中，經(jīng)常聽到消防員傷亡的消息。為了有效減少這種現(xiàn)象的發(fā)生，保障消防人員的生命安全，就要總結(jié)消防人員發(fā)生傷亡的原因，再采取相應(yīng)措施。本文根據(jù)一些消防事例對消防人員傷亡原因進(jìn)行歸納，并提出了改進(jìn)方法，希望為消防部門提供依據(jù)，防止消防人員在工作時出現(xiàn)傷亡，保證自身安全。

2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對于火災(zāi)方面的智能機(jī)器人研制已經(jīng)有了一個開始，據(jù)美國80年代中期Coper的研究報告發(fā)現(xiàn)， 33%的煙霧探測器不能正常工作，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)95%的煙霧探測器由于噪聲干擾而產(chǎn)生誤報。因此若干年前就產(chǎn)生了檢刷燃燒過程中化學(xué)生成物以期改善探劇性能實現(xiàn)早期火災(zāi)探測的想法，但是和其它氣體傳感器的應(yīng)用場所不同，火夾探測使用的傳感器 般都起著很重要的作用，由于對特定氣體的可靠探測技術(shù)比對溫升和煙塵的檢測技術(shù)復(fù)雜，價格昂貴，因此火災(zāi)氣體探測技術(shù)一直處于可望而不可及的境地。這就需要智能的自動裝置進(jìn)入人無法到達(dá)同地區(qū)進(jìn)行火源探測。我國近幾年也有相關(guān)研究。 根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)火災(zāi)機(jī)器人的設(shè)計和火災(zāi)發(fā)生的地點關(guān)系密切， 不同地理位置和環(huán)境會直接影響火災(zāi)的走勢和救援方法， 具體可以分為隧道火災(zāi)、森林火災(zāi)、住宅火災(zāi)、公共場所火災(zāi)等多種類別。不同類別的火災(zāi)，其火源特質(zhì)不同，往往難以控制、削弱，對生命財產(chǎn)造成重大損失。本文結(jié)合現(xiàn)有的研究成果把火災(zāi)智能機(jī)器人主要分成了偵查、滅火和救援三大類，并對其功能、技術(shù)、難點進(jìn)行了總結(jié)，以此提出未來研制思路，為火災(zāi)機(jī)器人的發(fā)展提供幫助。傳統(tǒng)的火災(zāi)探測器中感溫探測器，感煙探測器，感火焰探測器其原理是基于火災(zāi)中溫度變化或者利用火災(zāi)煙霧、火焰的電學(xué)、光學(xué)等物理特性來進(jìn)行火災(zāi)識別。這種識別模式很難可靠地發(fā)現(xiàn)早期火災(zāi)，如感煙探測器不能探測到酒精火焰，感溫探測器不易探測到陰燃火源。在現(xiàn)代高大空間建筑中，當(dāng)存在遮擋和環(huán)境干擾的時候，常規(guī)的感煙、感溫探測器由于火災(zāi)燃燒產(chǎn)物在空間傳播受空間高度和面積的影響，很難對火災(zāi)發(fā)生快速響應(yīng)?，F(xiàn)在市場上的偵查機(jī)器人主要功能是對現(xiàn)場環(huán)境和泄漏情況的偵查，還有連接消防水帶進(jìn)行救火，對危險品的轉(zhuǎn)移，現(xiàn)場救援和火災(zāi)易發(fā)區(qū)域定點偵查的狀況沒有進(jìn)行全面的考慮，因此現(xiàn)有 市場產(chǎn)品一般存在以下三個缺點：其一是缺少快速救援裝置，只能起到偵查以及滅火功能， 缺少對現(xiàn)場火源、危險品以及人員的轉(zhuǎn)移，可能會使現(xiàn)場造成二次火情和不能減少人員的 傷亡;其二是滅火裝置一般都是與消防水帶連接，也就是意味機(jī)器人在進(jìn)入火場的時候需 要帶著后面的水管進(jìn)入，增加了機(jī)器人自身的重量和越野的困難，會對其現(xiàn)場偵查以及救援的快速性進(jìn)行干擾;其三是無法更準(zhǔn)確的了解火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)部的情況和無法對火災(zāi)易發(fā)生區(qū)域進(jìn)行定點偵查進(jìn)而預(yù)防火災(zāi)發(fā)生。

二、系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由STM32F103ZET6芯片、傳感器、機(jī)械臂、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

1、主控制器件的論證與選擇

方案一：采用傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)：

傳統(tǒng)的51單片機(jī)為8位機(jī)，價格便宜，控制簡單，但是運算速度慢，片內(nèi)資源少，存儲容量小，難以存儲大體積的程序和實現(xiàn)快速精準(zhǔn)的反應(yīng)控制。并且受時鐘限制，計時精度不高，外圍電路也增加了系統(tǒng)的不可靠性。

方案二：采用STM32F103做主控：

STM32F103是16位機(jī)，成本低、性能高、功耗低，運算速度遠(yuǎn)快于51單片機(jī)，片內(nèi)資源較多、儲存容量大。Stm32單片機(jī)程序都是模塊化的，接口相對簡單，因它自身帶多種功能，工作速度也快。而51的自身功能少，需要外圍原件多。

綜上所述：我們選擇方案二，采用以STM32F103作為控制器。

2、方案系統(tǒng)描述

本方案采用STM32F103t6對智能消防智能探測車全方位控制，通過pwm對編碼電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制以及舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度進(jìn)而控制機(jī)械臂的抓取，實現(xiàn)智能壁障，抓取為更快的到達(dá)火源。對溫濕度傳感器的控制實現(xiàn)對周圍環(huán)境溫濕度實時檢測，煙霧傳感器對火災(zāi)現(xiàn)場煙霧濃度進(jìn)行檢測?？刂茢z像頭對現(xiàn)場情況進(jìn)行后端顯示。主控對編碼電機(jī)，機(jī)械臂，傳感器進(jìn)行控制對火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行一個探測并將實時數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示小車還配有滅火裝置，對火源進(jìn)行撲滅。

三、系統(tǒng)理論分析

1、作品介紹

智能火災(zāi)偵查機(jī)器人，包括連接于機(jī)器人身上的可編程stm32單片機(jī)，煙霧傳感器，溫濕度傳感器，氣體傳感器，超聲波傳感器，激光雷達(dá)測距傳感器，無線攝像頭模塊，OpenMV3攝像頭，語音模塊，機(jī)械臂，LCD顯示屏，水泵，編碼電機(jī)，物聯(lián)網(wǎng)模塊，藍(lán)牙模塊?？删幊蘳tm32單片機(jī)IO口連接上述器件對其進(jìn)行控制，通過控制傳感器對現(xiàn)場進(jìn)行探測，并通過物聯(lián)網(wǎng)模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X或手機(jī)終端，通過控制OpenMV3攝像頭可小火源進(jìn)行尋找并通過水泵進(jìn)行撲滅防止火勢擴(kuò)大，無線攝像頭模塊對火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行實時觀察，通過控制語音模塊可對智能火災(zāi)偵查機(jī)器人進(jìn)行語音控制，通過控制機(jī)械臂可以移除危險品以及有害物質(zhì)并且聯(lián)合水泵達(dá)到精確滅火，通過控制激光雷達(dá)測距傳感器達(dá)到路徑規(guī)劃的效果使其偵察到每一個角落，通過控制編碼電機(jī)使其智能火災(zāi)偵查機(jī)器人具有靈活的走位。通過控制物聯(lián)網(wǎng)模塊對智能火災(zāi)偵查機(jī)器人偵察到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端并可通過遠(yuǎn)程終端控制物聯(lián)網(wǎng)模塊控制智能火災(zāi)偵查機(jī)器人到指定區(qū)域偵察。

2、功能介紹

（1）智能火災(zāi)偵查機(jī)器人可以對火災(zāi)現(xiàn)場溫度以及燃燒后煙霧的種類和濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測同時快速的把數(shù)據(jù)上傳到指揮中心，為救援人員采取更好的救援和滅火方案提供數(shù)據(jù)。

（2）智能火災(zāi)偵查機(jī)器人的無線攝像頭可對火災(zāi)現(xiàn)場實時狀況進(jìn)行靜態(tài)圖像采集和數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街笓]中心，可以更好的對火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行了解，例如被困人數(shù)，以及火勢大小，還可以對火勢大的角落進(jìn)入人員搜索，將現(xiàn)場第一情況盡快讓救援人員知曉。

（3）智能火災(zāi)偵查機(jī)器人在探測過程中避免不了障礙物阻擋行進(jìn)路徑，如果是輕小的障礙物可以啟動車身自帶的機(jī)械臂進(jìn)行清障，如果是大型障礙物（如墻壁）可以通過超聲波模塊距離測量實現(xiàn)智能避障功能?；馂?zāi)現(xiàn)場如果發(fā)現(xiàn)有未點燃的易燃易爆危險品可以啟動機(jī)械臂抓取放在車身對其快速撤離現(xiàn)場。

（4）智能火災(zāi)偵查機(jī)器人通過對編碼電機(jī)機(jī)的控制實現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎，加速行進(jìn)，減速行進(jìn)，勻速行進(jìn)。

（5）智能火災(zāi)偵查機(jī)器人通過探測過程中發(fā)現(xiàn)火源利用繼電器對水泵進(jìn)行控制抽取車身自帶水箱中的水進(jìn)行滅火。

（6）智能火災(zāi)偵查機(jī)器人結(jié)構(gòu)自身帶有LED燈和報警裝置，實現(xiàn)照明等輔助裝置。

3、具體實施方式

采用兩節(jié)3200mah 3s航模電池給其供電，通過按鍵或語音模塊對智能火災(zāi)偵查機(jī)器人進(jìn)行模式選擇，第一模式可以使智能火災(zāi)偵查機(jī)器人在指定區(qū)域進(jìn)行偵查可檢測有毒氣體和對火源進(jìn)行探測，可達(dá)到火災(zāi)預(yù)防。若發(fā)現(xiàn)危險通過物聯(lián)網(wǎng)模塊將危險信息發(fā)送給該區(qū)域負(fù)責(zé)人，若火源較小可通過自身攜帶的滅火水泵對火源進(jìn)行撲滅和控制，若火勢較大可直接通過物聯(lián)網(wǎng)模塊進(jìn)行消防報警都可通過無線攝像頭將現(xiàn)場實時畫面?zhèn)鞯浇K端，可達(dá)到小范圍火勢撲滅與控制。在第一模式下可通過終端對智能火災(zāi)偵查機(jī)器人進(jìn)行控制可在臨近區(qū)域進(jìn)行跨區(qū)域偵查。在火災(zāi)發(fā)生地帶可啟動第二模式，第二模式可使智能火災(zāi)偵查機(jī)器人在火災(zāi)中對其火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行探測，通過無線攝像頭將火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)部實時情況傳到指揮中心，并通過語音模塊可對人員進(jìn)行搜救，通過自身攜帶的傳感器可將火災(zāi)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳到指揮中心可使搜救人員以及消防員知曉火災(zāi)內(nèi)部情況防止自身受到傷害。若發(fā)現(xiàn)危險品可通過機(jī)械臂進(jìn)行抓取防止發(fā)生再次災(zāi)情發(fā)生。

四、程序設(shè)計

五、未來展望

1、智能火災(zāi)偵查機(jī)器人可以增加爬樓裝置，可以實現(xiàn)多層探測、收集數(shù)據(jù)和圖像采集等多功能。

2、智能火災(zāi)偵查機(jī)器人將利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)家庭或者夜間工廠等無人場合應(yīng)急滅火、分析預(yù)警、實時探測等功能的公共消防平臺，為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和人民安居樂業(yè)創(chuàng)造良好的消防安全環(huán)境。

六、參考文獻(xiàn)

[1]石梓含.火災(zāi)智能機(jī)器人在偵查、滅火和救援上的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].通訊世界，2018（10）：302-303.