新型智能消防滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

李 瑞,劉 琦,袁文正,潘強(qiáng)輝,戴慎超,陶衛(wèi)軍

(1.南陽中天防爆電氣有限公司,河南 南陽 73000;2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的消防滅火中,消防人員經(jīng)常面臨著生命危險(xiǎn)與人身安全,消防滅火屬于高危險(xiǎn)性的特種行業(yè)[1,2]。在一些化工園區(qū)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng),由于存在危險(xiǎn)氣體或化學(xué)物品泄露或爆炸風(fēng)險(xiǎn),給消防人員的身體健康與人身安全造成很大威脅[3]。

目前國內(nèi)外開發(fā)的一些消防機(jī)器人產(chǎn)品主要以遙控方式為主,例如RXR-M40D-1型消防滅火機(jī)器人[4]、多功能消防滅火機(jī)器人[5]以及國外WALK-MAN人形消防機(jī)器人[6]等。在自主行走與導(dǎo)航避障技術(shù)方面,現(xiàn)有的同時(shí)定位與建圖(Simultaneous localization and mapping,SLAM)技術(shù)與自主導(dǎo)航技術(shù)[7-9]成為主流,已有學(xué)者開發(fā)了基于激光雷達(dá)與慣性測(cè)量單元(Intertia measuring unit,IMU)的消防滅火機(jī)器人自主定位與導(dǎo)航系統(tǒng)[10,11]。在室外環(huán)境下的自主火源探測(cè)技術(shù)方面,主要采用基于可見光、紅外光或者兩者相結(jié)合的雙光攝像頭進(jìn)行火源探測(cè)[12-14],但也容易受到一些紅色或類似紅色物體的反射光線影響導(dǎo)致誤判。在室外火源定位技術(shù)方面,由于火源不具備反射光波特性且探測(cè)距離較遠(yuǎn),常用的測(cè)距傳感器與雙目視覺都難以很好解決,目前尚無成熟實(shí)用的解決方案。

針對(duì)這一現(xiàn)狀,本文開發(fā)了一款具有自主導(dǎo)航和自主火源探測(cè)與定位功能的智能消防滅火機(jī)器人。首先參考雙履帶驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)控制系統(tǒng)搭建與行走動(dòng)力學(xué)建模;進(jìn)一步結(jié)合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(Real time kinematic,RTK)與SLAM技術(shù),開發(fā)消防滅火機(jī)器人的自主導(dǎo)航與定位功能;在研發(fā)的自主火源探測(cè)與定向技術(shù)的基礎(chǔ)上提出并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能滅火方法。

1 機(jī)器人功能與工作原理

1.1 機(jī)器人功能要求與技術(shù)指標(biāo)

與現(xiàn)有消防滅火機(jī)器人大多采用遙控方式不同,智能消防滅火機(jī)器人主要用于工業(yè)園區(qū),在進(jìn)行自動(dòng)巡檢的過程中能自主尋找與定向火源,并與消防人員協(xié)作進(jìn)行智能滅火。針對(duì)其功能要求,確定機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 機(jī)器人主要參數(shù)指標(biāo)

1.2 機(jī)器人構(gòu)成及其工作原理

考慮到消防現(xiàn)場(chǎng)地面的復(fù)雜性,智能消防滅火機(jī)器人采用雙履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),通過兩側(cè)履帶上的驅(qū)動(dòng)輪的速度控制來實(shí)現(xiàn)其差速轉(zhuǎn)向功能。機(jī)器人構(gòu)成主要包括機(jī)器人主體、履帶行走機(jī)構(gòu)、水炮和供水管道,及其所搭載的GPS高精度定位裝置、火源探測(cè)傳感器、攝像頭和激光雷達(dá),還有用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)傳模塊、圖傳模塊和無線WiFi。其構(gòu)成如圖1所示。

圖1 智能消防滅火機(jī)器人構(gòu)成

智能消防滅火機(jī)器人上搭載有高精度激光雷達(dá)與RTK定位系統(tǒng),用于實(shí)現(xiàn)SLAM技術(shù)中的實(shí)時(shí)定位與避障功能。所采用的三光復(fù)合火源探測(cè)傳感器安裝在水炮炮管上方且始終與水炮炮管保持同一方向,用于火源探測(cè)與定向。此外,機(jī)器人上還搭載有無線Wifi,可用于遙控操作人員對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。

在使用過程中,機(jī)器人按照規(guī)劃路徑在園區(qū)進(jìn)行自主行走,并在指定點(diǎn)位停下來進(jìn)行火源檢測(cè)。一旦機(jī)器人發(fā)現(xiàn)火源則立即報(bào)警。遙控操作人員在接收到報(bào)警信號(hào)后,指示機(jī)器人達(dá)到設(shè)定的滅火點(diǎn)并由機(jī)器人自主確定火源及其方位后,由消防隊(duì)員接上消防水管,通過控制水泵壓力實(shí)施消防滅火。

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)搭建

2.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的智能消防滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用雙履帶行走方式,搭載了攝像頭、全球定位系統(tǒng)(Global positioning system,GPS)、激光雷達(dá)、火源探測(cè)傳感器、水炮、噴淋裝置和傳輸天線等傳感器與設(shè)備,總體尺寸為1 870 mm(長)×950 mm(寬)×1 450 mm(高),總重約750 kg。驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪的半徑分別為150 mm和100 mm,每個(gè)承重輪都安裝了獨(dú)立彈簧懸掛來緩沖行走過程中的載荷波動(dòng)。

圖2 智能消防滅火機(jī)器人結(jié)構(gòu)

2.2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

機(jī)器人控制系統(tǒng)一方面要實(shí)現(xiàn)對(duì)底盤和水炮的運(yùn)動(dòng)控制,另一方面要對(duì)自身狀態(tài)與周圍環(huán)境進(jìn)行感知。其控制系統(tǒng)硬件框架如圖3所示。

智能消防滅火機(jī)器人采用高性能嵌入式工控機(jī)作為主控制器,通過工控機(jī)的嵌入式PCIE板卡生成的兩路PWM脈沖信號(hào)分別控制機(jī)器人左右兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)電機(jī),同時(shí)通過CAN總線實(shí)現(xiàn)對(duì)水炮轉(zhuǎn)臺(tái)的控制。由GPS與前后兩個(gè)蘑菇頭天線組成RTK定位系統(tǒng)來確定機(jī)器人當(dāng)前位置信息和航向信息。激光雷達(dá)用于自主導(dǎo)航與感知周圍障礙物信息,火源探測(cè)傳感器用于檢測(cè)與識(shí)別火源,溫濕度傳感器用來檢測(cè)機(jī)器人周圍環(huán)境中的溫度和濕度。所搭載的氣體傳感器則用來檢測(cè)周圍環(huán)境中是否存在危險(xiǎn)性氣體。單片機(jī)能讀取氣體傳感器與溫濕度傳感器的檢測(cè)信息和電池信息并反饋給工控機(jī),由工控機(jī)通過無線數(shù)傳模塊傳送給后方遙控操作人員。此外,火源探測(cè)傳感器的圖像信息和配備的攝像頭獲取的視頻信息都通過無線圖傳模塊傳送到遙控箱上,為遙控操作人員提供現(xiàn)場(chǎng)情況。

圖3 智能消防滅火機(jī)器人控制硬件構(gòu)成

2.3 機(jī)器人行走過程力學(xué)分析

在機(jī)器人雙履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中,電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩通過減速系統(tǒng)傳送到驅(qū)動(dòng)輪,并帶動(dòng)履帶傳動(dòng)系統(tǒng)從而牽引機(jī)器人移動(dòng)。其行走過程中的受力情況可采用經(jīng)典力學(xué)方法進(jìn)行分析,如圖4所示。

圖4 智能消防滅火機(jī)器人行走受力情況

設(shè)定機(jī)器人在行駛過程中路面的坡度角為θ,機(jī)器人質(zhì)量為m,Fa和Ft分別表示機(jī)器人所受慣性力和履帶牽引力,驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩為Mk,采用經(jīng)典力學(xué)方法對(duì)機(jī)器人行駛過程中的牽引力列平衡方程[15,16]為

Ft=Fr+G×sinθ+Fa+Fd

(1)

式中:Fr和Fd分別為行駛中的地面阻力和啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力。設(shè)定機(jī)器人的加速度為a,則慣性力大小Fa=ma;慣性阻力Fd=λd·G,參數(shù)λd根據(jù)地面狀況取值在0.01～0.05之間。

在地面阻力的計(jì)算中,對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理:①地面不會(huì)因機(jī)器人的重量而下陷,②機(jī)器人在行進(jìn)過程中的地面附著力遠(yuǎn)大于牽引力,不會(huì)因此發(fā)生打滑。由此可得地面阻力可表示為

Fr=μ×G×cosθ

(2)

式中:μ為機(jī)器人行進(jìn)過程中地面變形阻力的系數(shù)。

此外,牽引力Ft又可表示為

Ft=(Mk-Mf)/R

(3)

式中:Mf為內(nèi)部摩擦阻力矩,R為驅(qū)動(dòng)輪半徑。內(nèi)部摩擦阻力矩Mf包括:

(1)電機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪輪軸的傳動(dòng)鏈阻力矩

Mf1=(1-η)×Mk

(4)

式中:η為電機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪輪軸的傳動(dòng)效率。

(2)驅(qū)動(dòng)輪和履帶的嚙合摩擦阻力矩

(5)

式中:μ0為嚙合摩擦系數(shù),Zt為履帶和驅(qū)動(dòng)輪的嚙合齒數(shù)。

(3)各輪軸軸徑摩擦力矩,包括驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪和承重輪的軸徑摩擦力Mf3、Mf4和Mf5。假設(shè)軸徑的摩擦力矩與所受壓力成正比,軸承滾動(dòng)摩擦系數(shù)為μ1,導(dǎo)向輪和承重輪半徑分別為r1和r2,則各輪軸軸徑摩擦力矩可以表示為

那么怎么提高？今天回顧改革開放40年開始的發(fā)展歷程，從那么封閉，那么落后，那么陳舊的情況，怎么一步步改革過來的，今天我們戲里寫的是一個(gè)造船廠，當(dāng)然還有其他的很多廠，都是相同的。寫這個(gè)不只是為了單純地回顧這段歷史，是要寫出這段改革開放的精神對(duì)以后加大改革開放力度借鑒和參照的作用。希望這部戲在寫工業(yè)革命改革成功經(jīng)驗(yàn)的時(shí)候，能夠發(fā)揮到這個(gè)作用就非常有意義。這個(gè)意義涉及到中華民族整個(gè)經(jīng)濟(jì)命脈的生存和發(fā)展的大問題，我們只是從一個(gè)小的方面入手而已。

(6)

(7)

Mf5=μ1×(G×cosβ-F1)×r2

(8)

綜上所述,最終得到驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩Mk可表示為

Mf2+Mf3+Mf4+Mf5]

(9)

由式(9),在確定地面與水平面的夾角、機(jī)器人質(zhì)量與加速度以及其他參數(shù)后可求出機(jī)器人在行走過程中的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩Mk的值。

3 機(jī)器人自主導(dǎo)航與滅火技術(shù)

3.1 建圖與導(dǎo)航定位

機(jī)器人自主導(dǎo)航與定位一般采用SLAM技術(shù)并結(jié)合激光雷達(dá)、深度視覺傳感器以及其他定位傳感器來實(shí)現(xiàn)。考慮到智能消防滅火機(jī)器人主要應(yīng)用于范圍較大的工業(yè)園區(qū),從減少建圖與自主導(dǎo)航時(shí)的累計(jì)誤差出發(fā),采用了基于RTK定位系統(tǒng)的高精度定位技術(shù),實(shí)現(xiàn)在室外環(huán)境中的實(shí)時(shí)定位。在進(jìn)行自主導(dǎo)航之前需要采用SLAM技術(shù)對(duì)工業(yè)園區(qū)進(jìn)行建圖。建圖由GMapping功能包實(shí)現(xiàn),此功能包基于粒子濾波算法來進(jìn)行定位與建圖。具體而言,手動(dòng)控制機(jī)器人在園區(qū)道路上行走,實(shí)時(shí)獲取RTK定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)并計(jì)算得到機(jī)器人里程計(jì)信息,初步確定機(jī)器人的位姿。與此同時(shí),實(shí)時(shí)獲取激光雷達(dá)掃描得到的周圍環(huán)境與障礙物的距離信息作為觀測(cè)數(shù)據(jù),把機(jī)器人里程計(jì)運(yùn)動(dòng)模型和激光雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)加入提議分布函數(shù)來計(jì)算粒子濾波器中粒子的權(quán)重,對(duì)機(jī)器人在地圖中的位姿進(jìn)行修正,并由此修正后的機(jī)器人位姿來構(gòu)建局部地圖并完成全局地圖更新,最終完成整個(gè)工業(yè)園區(qū)的全局地圖。建圖功能的軟件框架如圖5所示。

圖5 智能消防滅火機(jī)器人建圖軟件框架

機(jī)器人自主導(dǎo)航主要通過move_base功能包實(shí)現(xiàn),其軟件框架如圖6所示。

圖6 智能消防滅火機(jī)器人自主導(dǎo)航軟件框架

3.2 火源探測(cè)與滅火方法

(10)

基于閾值分割法在灰度圖上分割出疑似火源的目標(biāo)區(qū)域,閾值分割法主要通過閾值的判斷來決定每一個(gè)像素點(diǎn)是否在目標(biāo)區(qū)域,用函數(shù)g(i,j)表示,其變換關(guān)系如下

(11)

圖7 火源識(shí)別流程圖

在火源檢測(cè)的過程中,控制水炮左右搖擺來帶動(dòng)攝像頭的左右轉(zhuǎn)動(dòng),使得三光復(fù)合火源探測(cè)傳感器能夠在機(jī)器人正前方180°范圍內(nèi)進(jìn)行火源探測(cè)。一旦火源探測(cè)傳感器檢測(cè)到圖像中存在火源后,發(fā)出聲音報(bào)警并輸出火源區(qū)域在圖像中的像素點(diǎn)面積特征、中心位置與平均溫度等信息。在接收到報(bào)警信息后,消防隊(duì)員可把消防水管接入消防滅火機(jī)器人上的消防水管,通過控制水壓和給出水炮在火源所在方位左右自擺的運(yùn)動(dòng)指令,從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互下的半自動(dòng)滅火。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 機(jī)器人爬坡試驗(yàn)

從驗(yàn)證智能消防滅火機(jī)器人的爬坡性能出發(fā),首先進(jìn)行了機(jī)器人爬坡試驗(yàn)。在試驗(yàn)中,機(jī)器人從平地出發(fā),以0.3 m/s的速度均速前進(jìn),爬上30°的斜坡后停止。在此過程中,檢測(cè)機(jī)器人兩個(gè)電機(jī)的總電流值,根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流和電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩間的比例關(guān)系計(jì)算出其輸出力矩,與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來驗(yàn)證機(jī)器人行走動(dòng)力學(xué)模型。機(jī)器人試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片與機(jī)器人爬坡過程中的力矩曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8 機(jī)器人爬坡試驗(yàn)

圖9 爬坡力矩圖

在圖9中,同時(shí)給出了根據(jù)式(9)所計(jì)算得到的機(jī)器人爬坡過程中的驅(qū)動(dòng)力矩仿真結(jié)果。由此可見,試驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力矩略微小于其仿真結(jié)果,在整個(gè)爬坡過程中兩者的最大值分別為716.4 Nm與675.6 Nm?？紤]到試驗(yàn)中的一些誤差與影響因素,這個(gè)小于5%的力矩誤差驗(yàn)證了所建立的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算模型的正確性。由于單個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過減速器額定輸出力矩為573 Nm,雙側(cè)驅(qū)動(dòng)的總額定輸出力矩為1 146 Nm,大于爬坡過程中的輸出力矩最大值,驗(yàn)證了機(jī)器人能滿足爬上30°斜坡的驅(qū)動(dòng)力矩要求。

4.2 園區(qū)巡檢試驗(yàn)

在園區(qū)巡檢試驗(yàn)中,首先利用SLAM技術(shù)建立園區(qū)靜態(tài)地圖,然后根據(jù)此靜態(tài)地圖進(jìn)行機(jī)器人巡檢試驗(yàn),整個(gè)園區(qū)巡檢范圍約為125 m(長)×100 m(寬)。通過手動(dòng)控制機(jī)器人在園區(qū)道路上行走并實(shí)時(shí)建立靜態(tài)地圖,如圖10所示。在這靜態(tài)地圖上設(shè)置一系列點(diǎn)位,形成圖中所示的規(guī)劃路徑,如圖10中虛線所示。機(jī)器人從初始位置(0,0)出發(fā),在園區(qū)道路上行走一圈后回到初始位置,實(shí)際行走路徑如圖10中實(shí)線所示。在機(jī)器人回歸初始位置時(shí)記錄下其在初始位置精度和航向誤差。機(jī)器人在園區(qū)道路上行走的平均速度約為0.4～0.5 m/s,行走一圈所需時(shí)間約為16 min,試驗(yàn)場(chǎng)景如圖11所示。從圖10中可見,圖中機(jī)器人的規(guī)劃路徑和實(shí)際行走路徑基本重合,存在一定小偏差,重復(fù)試驗(yàn)10次,每次返回初始位置的實(shí)際坐標(biāo)如表2和圖12所示。

圖10 所建立的園區(qū)靜態(tài)地圖與試驗(yàn)規(guī)劃

圖11 機(jī)器人巡檢場(chǎng)景

表2 巡檢試驗(yàn)定位數(shù)據(jù)

圖12 巡檢試驗(yàn)定位結(jié)果

從表2中可見,設(shè)定初始位置的坐標(biāo)為(0,0),其返回初始位置的實(shí)際坐標(biāo)實(shí)際上代表機(jī)器人在該點(diǎn)的定位誤差。結(jié)合表2和圖12可見,機(jī)器人10次測(cè)量中,其定位誤差的最大值為0.4 m,滿足定位誤差在±0.4 m以內(nèi)的指標(biāo)要求。

4.3 園區(qū)火源探測(cè)與滅火試驗(yàn)

在火源探測(cè)試驗(yàn)中,在園區(qū)設(shè)定一處火源與滅火點(diǎn),讓機(jī)器人停止在初始位置并保持合適的水炮俯仰角不變,控制水泡水平左右對(duì)稱180°來回轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)利用固定在水炮炮管上的火源探測(cè)傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)。在利用火源探測(cè)傳感器檢測(cè)到火源后自主行走到滅火點(diǎn),在滅火點(diǎn)再次進(jìn)行火源探測(cè);在探測(cè)到火源后水炮炮管立即停止轉(zhuǎn)動(dòng),并結(jié)合水炮的左右轉(zhuǎn)動(dòng)角度與火源中心點(diǎn)在圖像中的左右位置坐標(biāo),來計(jì)算出火源相對(duì)于機(jī)器人的方位,即進(jìn)行火源定向。重復(fù)上述試驗(yàn)10次,記錄下機(jī)器人識(shí)別火源是否成功以及火源的定向誤差。在這里,定向誤差指的是火源定向得到的火源方位與其實(shí)際方位之間的角度誤差。其影響因素主要包括水炮的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性和火源信息處理過程中的時(shí)延等因素。在實(shí)際滅火過程中,通過在滅火時(shí)對(duì)火炮進(jìn)行±8.0°左右的來回?cái)[動(dòng)保證其水炮滅火的方向準(zhǔn)確性。所得到的火源探測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可見,機(jī)器人在10次火源探測(cè)試驗(yàn)中都能成功探測(cè)到火源,火源識(shí)別成功率達(dá)到100%并能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定向,10次定向誤差都在技術(shù)指標(biāo)要求的±5.0°以內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)景如圖13所示。

在驗(yàn)證了機(jī)器人自主火源探測(cè)與定向功能的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步給機(jī)器人接上水帶進(jìn)行滅火試驗(yàn),其場(chǎng)景如圖14所示。機(jī)器人在自主行走過程中自主探測(cè)與定位火源后,由消防人員給出合適的水壓對(duì)火源進(jìn)行滅火,同時(shí)機(jī)器人按照設(shè)定程序進(jìn)行±5°的水炮左右自擺,完成了其滅火任務(wù)。

表3 火源探測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖13 機(jī)器人火源探測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)景

圖14 機(jī)器人智能滅火試驗(yàn)場(chǎng)景

5 結(jié)束語

從實(shí)現(xiàn)消防機(jī)器人在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的自主行走與自主滅火出發(fā),本文提出并設(shè)計(jì)了一款新型智能消防滅火機(jī)器人。采用雙履帶驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)并制作了智能消防滅火機(jī)器人本體,完成了其控制系統(tǒng)搭建與行走動(dòng)力學(xué)建模。基于RTK技術(shù)獲得機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置與航向信息,并結(jié)合SLAM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動(dòng)建圖、自主導(dǎo)航與定位功能;采用最新的三光復(fù)合火源探測(cè)傳感器,對(duì)3個(gè)攝像頭得到的同步圖像的綜合處理與分析,同時(shí)從火源的可見光特征、紅外光特征與溫度特征3個(gè)方面進(jìn)行綜合判斷,能達(dá)到高準(zhǔn)確率的火源識(shí)別與定向,進(jìn)一步提出并實(shí)現(xiàn)了智能消防滅火機(jī)器人的智能滅火方法。最后,通過仿真與試驗(yàn)對(duì)所建立的機(jī)器人行走動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型、自主導(dǎo)航、火源探測(cè)與定向技術(shù)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明,所開發(fā)的智能消防滅火機(jī)器人能夠在園區(qū)進(jìn)行自主巡檢、火源探測(cè)與智能滅火,行走速度大于0.4 m/s、爬坡角度大于30°、定位誤差小于0.4 m,火源識(shí)別率大于90%,具有良好的應(yīng)用前景。