一种自主溯源消防机器人

技术领域

本发明属于消防设备技术领域，具体涉及为一种自主溯源消防机器人。

背景技术

随着社会的不断发展，消防安全问题受到人们日益关注，人民的生命财产安全和生活的安居乐业，均与之息息相关，而现有的室内消防设备大多是安装于屋顶的消防喷淋管道，这种设备只有在室内空气温度达到一定值，能够将易熔合金锁片上的焊料融化，才能形成花篮状的水幕淋下，这样对于灭火存在不及时以及存在无法准确定点火源的情况。而在室内消防领域，消防车不能进入灭火，只能在火势发展到一定阶段才能充分发挥作用。

此外，现有的投入使用的消防机器人主要是远程操作，而且主要是针对在发生巨大火灾后消防人员进入现场有危险代替消防人员进入现场的，缺少自主性。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供一种自主溯源消防机器人，为一种室内小型自主灭火机器人。

本发明解决上述问题采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种自主溯源消防机器人，包括自主移动平台、三自由度消防机械臂、水箱、第一双目视觉传感器6、红外图像传感器7、CO

所述自主移动平台具有主动避障功能，所述三自由度消防机械臂能完成水平转动、竖直移动及三自由度消防机械臂执行末端的俯仰运动；三自由度消防机械臂的执行末端为消防喷头，消防喷头与自主移动平台上的水箱通过相应的水路管道连接；

所述控制系统用于控制自主移动平台的移动、避障，用于控制三自由度消防机械臂三自由度的动作；

所述控制系统包括主控单元，所述主控单元能够获取CO

所述火源定位的流程是：CO

在确定机器人到达疑似火源附近后，位于自主移动平台上的三自由度消防机械臂带动水平转动，使得三自由度消防机械臂上的红外图像传感器7能实时监测第一双目视觉传感器6的视线范围内的温度变化，红外图像传感器对第一双目视觉传感器6当前视场内的最高温度进行火灾预判断，若红外图像传感器检测到的当前视场内的最高温度没有达到设定的温度阈值时，则认为不是真正的火源，自主移动平台继续巡检；

当检测到当前视场内的最高温度超过设定的温度阈值之后，需要再利用第一双目视觉传感器对可疑区域进行拍摄，对拍摄的图像进行特征提取，然后结合火源识别算法进一步判断是否为真正火源，通过第一双目视觉传感器6和红外图像传感器7的配合实现对异常物的识别；

确定是真正火源后，第一双目视觉传感器6对火源进行定位，同时发出警报信息。

所述自主溯源消防机器人还包括蜂鸣器和终端，所述蜂鸣器与主控单元连接，主控单元和终端通过无线方式通信；

在灭火过程中第一双目视觉传感器6不断地进行火点的识别，并将识别到的火点坐标实时传送到控制系统，根据火点坐标调整消防喷头的俯仰角度进行灭火，射流落地时，第一双目视觉传感器6对射流落点进行定位获得射流落点坐标，在射流落点与火点之间产生距离误差时，控制系统根据图像信息运用模糊控制原理进行调整，实现消防喷头2的连续动态灭火运动，且能实现自动精准灭火；

所述模糊控制原理是：

(1)当射流落点与火点的有距离误差，且火势朝着射流落点的位置发展时，则调整消防喷头的俯仰角度使射流落点缓慢迎着火势移动；

(2)当射流落点与火点的有距离误差，且火势朝着远离射流落点的位置发展时，则调整消防喷头的俯仰角度使射流落点随着火势移动方向快速移动；

(3)当射流落点与火点的有距离误差，且火势位置保持不动时，则调整消防喷头的俯仰角度使射流落点朝着火势快速移动。

所述模糊控制原理的具体过程是：选择火点和射流落点的距离误差为偏差e，并计算距离变化率de，以偏差e和距离变化率de作为输入量，选俯仰角u为控制量；

定义输入、输出量的模糊分布

将输入量e和de划分为5个模糊集，负大(NB)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正大(PB)。设定e的取值范围为[-0.6，0.6]，设定de的取值范围为[-3，3]隶属度函数。

同样将输出量u划分为5个模糊集，负大(NB)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正大(PB)。设定u的取值范围为[-15，15]；

模糊控制规则表

第二方面，本发明提供一种自主溯源消防机器人，所述自主溯源消防机器人包括自主移动平台、三自由度消防机械臂、水箱、第一双目视觉传感器6、红外图像传感器7、CO

所述自主移动平台包括车体，车体分为上下两层，车体驱动及给整个机器人供电的电池都安装在车体的下面一层，而在车体的上面一层内部是水箱、水泵、以及三自由度消防机械臂的水平电机23和竖直电机24，车体外部则搭载第二双目视觉传感器9及CO

所述三自由度消防机械臂安装在车体上，包括俯仰电机、水平电机、竖直电机、外套管、直柱5、伸缩柱4、消防喷头2、U型支架3，水平电机和竖直电机放在车体内上面一层，水平电机23与一对传动比为2：1的大齿轮26和小齿轮22连接，小齿轮22与水平电机23的电机轴固连；所述消防喷头2通过水管11、水泵连接车体内部的水箱；

在自主移动平台上设有圆盘开孔，圆盘开孔位置避开车体内水箱安装区域，在圆盘开孔上安装平台圆盘，所述水平电机23通过水平电机支架27固定在车体内上面一层；大齿轮26与外套管底端固连，竖直电机支架25与大齿轮和外套管固定在一起，竖直电机支架25用于固定竖直电机24，同时在大齿轮26和平台圆盘上均车有滚珠槽，在平台圆盘上边配套安装轴承上端盖，滚珠槽内安装滚珠，大齿轮26、平台圆盘和上端盖形成了一个轴承结构，在轴承结构之上设置压板和螺母，压板和螺母均套在外套管的外表面；大齿轮26与小齿轮22在车体内部进行外啮合；

所述外套管和直柱5的下端通过顶丝连接固定，外套管外表面设置有螺纹，外套管的下端与大齿轮26固连，大齿轮上方套平台圆盘，外套管能够与大齿轮同步转动，且保持车体不动，伸缩柱4底端与一个直柱5内部的活塞固连，直柱5内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠底端穿过外套管通过联轴器与竖直电机24的输出轴连接，滚珠丝杠上的螺母与直柱5内部的活塞连接，通过驱动滚珠丝杠运动进而带动伸缩柱4升降；

所述直柱5为空心管，内部套接伸缩柱，直柱5的外表面上装有红外图像传感器7和第一双目视觉传感器6，第一双目视觉传感器6的光轴与消防喷头的水射流轨迹保持共面；

所述伸缩柱4的上端与一个U型支架3相连接，俯仰电机位于伸缩柱内部，俯仰电机的电机轴与一对2：1传动比大锥齿轮14和小锥齿轮15相连接，大锥齿轮14和一个同步带轮1安装在同一根轴上，所述俯仰电机的电机轴穿出U型支架3的下部中心连接小锥齿轮15，大锥齿轮和小锥齿轮垂直啮合，在U型支架3的上部装有用于夹持消防喷头2的夹具13，所述夹具一端通过弹性件与U型支架3的一个支腿弹性连接，另一端通过轴连接有另一个同步带轮，两个同步带轮之间通过同步带12连接并传递动力，在两个同步带轮1、及俯仰电机、锥齿轮的驱动下能够实现消防喷头俯仰角变化。

自主移动平台采用四轮独立悬挂减震系统，在自主移动平台的前部安装有多线激光雷达8，自主移动平台的转向采用舵机提供动力，舵机固定在车体的下面一层，自主移动平台的后轮采用两个直流减速电机作为驱动，水箱则安装在自主移动平台的上面一层的尾部；

在自主移动平台的车体前端安装有第二双目视觉传感器9和激光雷达8，在自主移动平台安装三自由度消防机械臂的车体两侧安装有CO

通过第二双目视觉传感器9的RGB摄像头跟随地面提前规划好的路径线条，融合激光雷达8，实现在巡检的过程中主动避障；自主移动平台采用Z字型运动进行巡检。

所述自主溯源消防机器人还包括控制系统和终端、蜂鸣器，控制系统与所有电机、舵机、传感器、所有传感器电性连接；由CO

在灭火的整个过程中，第一双目视觉传感器6不断地进行火点的识别，并将识别到的火点坐标实时传送到控制系统，根据火点坐标调整消防喷头的俯仰角度进行灭火，射流落地时，第一双目视觉传感器6对射流落点进行定位获得射流落点坐标，在射流落点与火点之间产生距离误差时，控制系统根据距离误差运用模糊控制原理进行自动调整，实现消防喷头2的连续动态灭火运动，且能实现自动精准灭火。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明突出的实质性特点是：

本发明将三自由度消防机械臂安装在智能巡检的自主移动平台上，在日常巡检过程中，通过气体传感器发现烟羽，根据各方向的浓度梯度搜索，靠近火源，通过双目视觉传感器和红外图像传感器及时定位火源，并在火灾处于初期或者火势没有蔓延的情况下及时进行自主灭火，同时能在火源被遮挡而导致相机拍摄不到时通过气体浓度变化也能及时发现火源，减少了财产的损失。和消防喷淋管道相比，由于是定点灭火，减少了多余水渍的污染，避免了不必要的财产损失。

本发明的显著进步是：

本发明自主溯源消防机器人融合多种传感器信息，除明火源外，还可通过CO2、CO气体传感器检测阴燃暗火或隐藏火源，自主移动平台上的CO2、CO气体传感器不断检测各个方向气体浓度，判定机器人到达火源附近。此时位于自主移动平台上的三自由度消防机械臂则自主在水平方向上360度旋转，通过直柱5上的红外图像传感器7实时监测视线范围内的温度变化，双目视觉传感器6配合红外图像传感器7对异常物进行识别。在火灾发生时通过CO

本发明机器人的自主移动平台通过双目视觉传感器9的RGB摄像头跟随地面提前规划好的路径线条，融合激光雷达8，实现在巡检的过程中主动避障，实现在特定场地内自动巡检预警。

本发明机器人在结构上能在竖直方向上进行升降，能够适应各种复杂的状况，能够应对机器人和火点之间存在障碍时，可以调整射流初始高度来使射流轨迹避过障碍物达到火点，该方向上的自由度是通过竖直电机24带动滚珠丝杠转动实现的。因为在有些情况下，消防喷头2和火点之间可能存在某些障碍，可能会正好卡在水射流的某个位置，使水射流无法达到火点位置，这时可以通过调整消防喷头在竖直方向的高度来改善这种情况，因为起点不同，水射流的路径就会不同，从而避开障碍到达火点，进行有效灭火。同时三自由度消防机械臂安装在车体上，包括三个步进电机，能够实现消防喷头的旋转、升降、俯仰动作。

综上，本发明机器人集消防、报警于一体，运动灵活，可适用于多种场合，能及时且定点灭火，尤其是可以在火灾初期进行灭火，有效的减少了火势蔓延带来的财产损失。

附图说明

图1为本发明自主溯源消防机器人的整体结构在斜二侧视角下的示意图；

图2为本发明自主溯源消防机器人的整体结构在主视角下的示意图；

图3为本发明自主溯源消防机器人的整体结构在俯视视角下的示意图；

图4为本发明自主溯源消防机器人的局部结构在左视角下的示意图；

图5为距离误差e的隶属度函数图。

图6为距离变化率de的隶属度函数图。

图7为俯仰角u的隶属度函数图。

图中：1-同步带轮；2-消防喷头；3-U型支架；4-伸缩柱；5-直柱；6-第一双目视觉传感器；7-红外图像传感器；8-激光雷达；9-第二双目视觉传感器；10-车体；11-水管；12-同步带；13-夹具；14-大锥齿轮；15-小锥齿轮；16-螺母；17-轴承压板；18-轴承上端盖；19-水箱；20-CO

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明是一种自主溯源消防机器人(参见图1)，包括自主移动平台、三自由度消防机械臂(图4)、消防材料及设施(水、水箱19)、传感器(双目视觉传感器、红外图像传感器7、激光雷达8、气体传感器(至少有CO

自主移动平台采用四轮独立悬挂减震系统，能够应对复杂的路况，在自主移动平台的前部安装有多线激光雷达8，机器人采用24伏可更换充电电池固定在车体的下面一层内，自主移动平台的转向采用舵机提供动力的方式，舵机也固定在车体的下面一层，自主移动平台的后轮采用两个直流减速电机作为驱动，水箱则安装在自主移动平台的尾部。

同时，自主移动平台装有航模遥控接口，航模遥控接口与控制系统、航模遥控通信，自主移动平台可以通过规划好的路径进行智能巡检，也可以通过航模遥控进行控制，此部分可依据现有技术实现。

三自由度消防机械臂安装在车体上，其包括三个步进电机(即俯仰电机、水平电机、竖直电机)、外套管、直柱5、伸缩柱4、消防喷头2、U型支架3，水平电机和竖直电机放在车体内上面一层，水平电机23与一对传动比为2：1的齿轮(大齿轮26和小齿轮22)连接，小齿轮22与水平电机23的电机轴固连；所述消防喷头2通过水管11、水泵连接车体内部的水箱。

在自主移动平台上设有圆盘开孔，圆盘开孔位置避开车体内水箱安装区域，在圆盘开孔上安装平台圆盘，所述水平电机23通过水平电机支架27固定在车体内上面一层；大齿轮26与外套管底端固连，竖直电机支架25与大齿轮和外套管固定在一起，竖直电机支架25用于固定竖直电机24，同时在大齿轮26和平台圆盘上均车有滚珠槽，即大齿轮26上表面车有滚珠槽，平台圆盘上下表面都车有滚珠槽，轴承上端盖的下表面车有滚珠槽，在平台圆盘上边配套安装轴承上端盖，滚珠槽内安装滚珠，大齿轮26、平台圆盘和上端盖就形成了一个轴承结构，在轴承结构之上设置一个压板和两个螺母，压板和螺母均套在外套管的外表面，对轴承起到紧固的作用；大齿轮26与小齿轮22在车体内部进行外啮合。

所述外套管和直柱5的下端通过顶丝连接固定，外套管外表面设置有螺纹，外套管的下端与大齿轮26固连，大齿轮上方套平台圆盘，外套管能够与大齿轮同步转动，且保持车体不动，伸缩柱4底端与一个直柱5内部的活塞固连，直柱5内装有滚珠丝杠，滚珠丝杠底端穿过外套管通过联轴器与竖直电机24的输出轴连接，滚珠丝杠上的螺母与直柱5内部的活塞连接，通过驱动滚珠丝杠运动进而带动伸缩柱4升降；

所述直柱5为空心管，内部套接伸缩柱，外表面上装有红外图像传感器7和第一双目视觉传感器6，第一双目视觉传感器6的光轴与消防喷头的水射流轨迹保持共面。

所述伸缩柱4的上端与一个U型支架3相连接，俯仰电机位于伸缩柱内部，俯仰电机的电机轴与一对2：1传动比的锥齿轮(大锥齿轮14、小锥齿轮15)相连接，大锥齿轮14和一个同步带轮1安装在同一根轴上，所述俯仰电机的电机轴穿出U型支架3的下部中心连接小锥齿轮15，大锥齿轮和小锥齿轮垂直啮合，在U型支架3的上部装有用于夹持消防喷头2的夹具13，所述夹具一端通过弹性件与U型支架3的一个支腿弹性连接，另一端通过轴连接有另一个同步带轮，两个同步带轮之间通过同步带12连接并传递动力。由于夹具13一端在两个同步带轮1、及俯仰电机、锥齿轮的驱动下能够实现消防喷头2转动，夹具有弹簧件的一端用于消防喷头的夹紧，并跟随另一端随动，实现消防喷头俯仰角变化。

在自主移动平台的车体前端安装有第二双目视觉传感器9和激光雷达8，同时在自主移动平台安装三自由度消防机械臂的车体两侧安装有CO

通过第二双目视觉传感器9的RGB摄像头跟随地面提前规划好的路径线条，融合激光雷达8，实现在巡检的过程中主动避障。

自主移动平台在巡检过程中采用Z字型运动，提高搜索效率。同时自主移动平台上的CO

此时位于自主移动平台上的三自由度消防机械臂(图4)则通过水平电机驱动带动大齿轮转动，进而带动与大齿轮连接的外套管转动，最终带动整个机械臂自主在水平方向上360度旋转，通过直柱5上的红外图像传感器7实时监测视线范围内的温度变化，第一双目视觉传感器6配合红外图像传感器7对异常物进行识别，首先红外图像传感器对第一双目视觉传感器6当前视场内的最高温度进行火灾预判断，若红外图像传感器检测到的温度没有达到设定的阈值，则认为不是真正的火源，自主移动平台继续巡检；当检测到温度超过设定的温度阈值之后，需要再利用第一双目视觉传感器对可疑区域进行拍摄，控制系统对图像特征提取，然后结合现有火源识别算法进一步判断是否为真正火源。确定是真正火源后，第一双目视觉传感器6对火源进行定位，同时控制系统控制蜂鸣器发出警报信息，控制系统同时与客户端通信，能够将报警信息和现场处理状况反馈给终端，终端根据反馈的现场处理状况，对于现场处理状况为已扑灭的火点，要求负责人员清理现场，如现场处理状况为火源较大无法扑灭，提醒人员疏散。所述终端可以为工业电脑、PC机、智能app等。

为了实现消防灭火过程中水平方向上瞄的准，将第一双目视觉传感器6与消防喷头2保持同步水平转动(由于消防喷头通过U型支架和伸缩柱形成一个整体，伸缩柱和直柱之间不能相对转动，只能相对移动，在水平方向上其实是整个三自由度机械臂除水平电机和水平电机支架外都在相对平台圆盘转动，因此第一双目视觉传感器6与消防喷头2同步水平转动)，为了在图像处理过程中减少对图像进行复杂的位姿计算，采用第一双目视觉传感器6光轴与水射流轨迹保持共面的布局，即通过火点是否位于图像竖直中线来描述在水平方向上的瞄准。采用通过第一双目视觉传感器6识别并输出火点相对本装置的直线距离，控制系统根据直线距离和水射流轨迹模型反求出消防喷头所需要的俯仰角度θ，然后将夹角θ输入给控制系统，控制系统根据夹角θ向水平电机23发送脉冲，控制水平电机转动，水平电机的电机轴上固连小齿轮22，小齿轮22作为主动轮带动大齿轮26进行旋转，直到火点处于第一双目视觉传感器6画面的中线位置，然后第一双目视觉传感器6再次对火点进行定位，并输出火点到第一双目视觉传感器6的直线距离d，然后控制系统控制俯仰电机运动，俯仰电机通过一对锥齿轮将动力传递给与大锥齿轮14同轴的一个同步带轮1上，该同步带轮又通过同步带将动力传到与夹具13同轴连接的同步带轮上，带动夹具13进行旋转，当消防喷头2达到所需俯仰角时水泵开启，进行灭火。

在灭火的整个过程中，第一双目视觉传感器6不断地进行火点的识别，并将识别到的火点坐标实时传送到控制系统，根据火点坐标调整消防喷头的俯仰角度进行灭火，射流落地时，第一双目视觉传感器6对射流落点进行定位获得射流落点坐标，在射流落点与火点之间产生距离误差时，控制系统根据图像信息运用模糊控制原理进行调整进而代替工作人员微调，实现消防喷头2的连续动态灭火运动，且能实现自动精准灭火。

所述模糊控制原理的过程是：选择偏差e即目标点(火点)和落点的距离和距离变化率de作为输入量，选俯仰角u为控制量。

定义输入、输出量的模糊分布

将输入量e和de划分为5个模糊集，负大(NB)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正大(PB)。设定e的取值范围为[-0.6，0.6]，设定de的取值范围为[-3，3]隶属度函数如下。

同样将输出量u划分为5个模糊集，负大(NB)、负小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正大(PB)。设定u的取值范围为[-15，15]。

模糊控制规则表

控制的基本思路：

(1)当射流落点与火点的有距离误差，且火势朝着射流落点的位置发展时，则调整消防喷头的俯仰角度使射流落点缓慢迎着火势移动；

(2)当射流落点与火点的有距离误差，且火势朝着远离射流落点的位置发展时，则调整消防喷头的俯仰角度使射流落点随着火势移动方向快速移动；

(3)当射流落点与火点的有距离误差，且火势位置基本保持不动时，则调整消防喷头的俯仰角度使射流落点朝着火势快速移动。

为了适应各种复杂的状况，本装置还能在竖直方向上进行升降，该方向上的自由度是通过竖直电机24带动滚珠丝杠转动实现的。因为在有些情况下，消防喷头2和火点之间可能存在某些障碍，可能会正好卡在水射流的某个位置，使水射流无法达到火点位置，这时可以通过调整消防喷头在竖直方向的高度来改善这种情况，因为起点不同，水射流的路径就会不同，从而避开障碍到达火点，进行有效灭火。

本发明的工作原理和工作流程是：

本发明是一种自主溯源消防机器人，在工作状态下，自主溯源消防机器人在室内按照规划路线巡检的过程中，布置在车体四周的CO

控制系统通过给水平电机23发送脉冲，进而使第一双目视觉传感器6和消防喷头2在水平方向上转动，调整火点在图像上的位置，使火点处于图像竖直中线上，当完成水平方向上的调整，控制系统停止水平电机23的转动，此时第一双目视觉传感器6继续对火点进行定位，识别出火点的位置坐标并将其传送给控制系统，经过控制系统进行数据处理，得出火点相对于机器人的距离，然后再计算出消防水射流轨迹射程达到火点所需要的俯仰角，然后根据俯仰角以及电机参数计算出所需的脉冲数，从而调整消防喷头2达到所需的俯仰角，当消防喷头2到达所需位置，控制系统打开水泵，进行射流。当射流落地时，第一双目视觉传感器6对射流落点进行定位，并将射流落点的位置坐标反馈到控制系统，并与火点的位置坐标进行比较，确认是否存在距离误差，当存在距离误差时，控制系统不断进行调整，直到射流落点与火点重合。对于已扑灭的火点，要求负责人员清理现场，如火源较大无法扑灭，在发出报警信息同时需发出警报信号提醒人员疏散。

本发明未述及之处适用于现有技术。