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)鞲衅鳎嚯x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?；鹪慈粨錅绾笙到y(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上位機(jī)控制實(shí)施救援，同時(shí)可通過上位機(jī)打開視頻傳輸通道，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）通過延長(zhǎng)履帶底盤的長(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

通過滅火機(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。