，，

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430070)

基于移動機(jī)器人的室內(nèi)火災(zāi)預(yù)警點(diǎn)探測與定位的方法研究

張釧釧，陳國良，李曉龍

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，武漢430070)

火災(zāi)探測技術(shù)已成為對火災(zāi)進(jìn)行預(yù)防的重要手段之一，目前常用的固定式火災(zāi)探測裝置不能自主的探測和定位到火警點(diǎn)，對火災(zāi)發(fā)生初期的預(yù)防和滅火有一定的局限性；論文針對該問題，在分析火災(zāi)探測技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種多位姿仿人鼻的火災(zāi)探測裝置，并制備出樣機(jī)，同時(shí)嘗試將其與可移動機(jī)器人結(jié)合來實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)火警點(diǎn)的探測和定位；基于不同的煙霧情況制定出不同的探測準(zhǔn)則，根據(jù)該準(zhǔn)則進(jìn)行路徑軌跡仿真，經(jīng)過仿真結(jié)果可以看到移動機(jī)器人最終定位到火警點(diǎn)的位置；可移動的火災(zāi)探測裝置在探測和定位到火警點(diǎn)的過程中，若所在空間中由拐角或家具死角導(dǎo)致煙霧擴(kuò)散有聚集死角的情況存在，會對探測和定位過程造成很大的影響，仿真實(shí)驗(yàn)中的移動機(jī)器人在探測和定位火警點(diǎn)中的軌跡可以看出死角的存在雖然影響了對火警點(diǎn)的探測，但最終還是能夠探測和定位到火警點(diǎn)，其路徑軌跡表現(xiàn)出很好的一致性和連續(xù)性。

火災(zāi)探測；移動機(jī)器人；目標(biāo)定位

0 引言

火災(zāi)安全問題越來越成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn),人們已由過去被動接受火災(zāi)，開始轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹綔y與預(yù)防火災(zāi)。火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，存在著豐富的特征信息?；馂?zāi)探測的基本方法是利用傳感技術(shù)探測火災(zāi)特征信息，運(yùn)用相關(guān)的特征提取與融合算法實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)的預(yù)測?；馂?zāi)探測的研究主要集中在兩個(gè)方面: 一是火災(zāi)發(fā)生時(shí)的物理特征及其探測方法; 二是基于物理特征的探測信息，火警的預(yù)測算法[1]。目前，火災(zāi)發(fā)生時(shí)所表現(xiàn)的物理特征分為：溫度、火焰、煙霧等，其對應(yīng)的火災(zāi)探測方法有感溫、感光、感煙等探測方法。

但是目前的這些火災(zāi)探測裝置都難以實(shí)現(xiàn)本課題火災(zāi)發(fā)生前通過煙霧探測的方法來提前得知火災(zāi)情況，并定位到火警點(diǎn)的目的。其原因主要在于:

1) 一般的感煙探測器固定在建筑頂部，在大空間室內(nèi)環(huán)境，煙霧上升至一定高度會被周圍的空氣冷卻，停留空中不再上升，使得傳統(tǒng)的感煙探測器失去了作用。

2)現(xiàn)有的感煙火災(zāi)探測器為非自主式工作方式，僅能探測到煙霧并進(jìn)行報(bào)警。不能通過煙霧的變化來自主的定位到火警點(diǎn)。

總之，普通型感煙火災(zāi)探測器易受固定式、非自動式、空間高度、氣流等復(fù)雜條件的限制，有時(shí)達(dá)不到極早期火災(zāi)探測報(bào)警的要求。

1 火災(zāi)早期的煙霧擴(kuò)散模型

火警點(diǎn)的煙霧擴(kuò)散有各種形式，其擴(kuò)散服從熱導(dǎo)定律，本論文的前提條件是室內(nèi)空曠無對流的環(huán)境中進(jìn)行煙霧探測和定位的，不考慮空氣流動對煙霧擴(kuò)散的影響。此情況下煙霧通常多以高斯分布為基本擴(kuò)散模型[26]。高斯分布又名正態(tài)分布，其分布函數(shù)為：

(1)

假設(shè)只有一個(gè)火警點(diǎn)時(shí)，其煙霧強(qiáng)度滿足如下的高斯分布[1]。

C=C0+S*e-r2/b

(2)

式中，C為煙霧強(qiáng)度；C0為該區(qū)域內(nèi)煙霧強(qiáng)度的背景值；S為火警點(diǎn)處煙霧強(qiáng)度；b為高斯分布參數(shù)；r為煙霧探測點(diǎn)與火警點(diǎn)的距離。

1)濃度背景值C0：煙霧濃度背景值為在沒有其他煙霧源時(shí)，當(dāng)?shù)刈匀粭l件下產(chǎn)生的煙霧濃度值。本論文中的自然條件不考慮風(fēng)俗熱量等環(huán)境因素對煙霧擴(kuò)散的影響。故，根據(jù)所在場地的具體背景而言，簡單起見，分析時(shí)將其取值為0。

2)高斯分布模型參數(shù)b：平面區(qū)域內(nèi)計(jì)算已知點(diǎn)源的高斯分布模型參數(shù)b時(shí)，直接利用點(diǎn)源和某個(gè)相應(yīng)的受影響點(diǎn)之間的關(guān)系，即它們相距的距離和各自的煙霧強(qiáng)度來計(jì)算。可通過實(shí)驗(yàn)獲得多個(gè) 不同距離對應(yīng)的煙霧濃度，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入式(2)，根據(jù)極大似然估計(jì)法獲得b的極大似然估計(jì)值。

由上述的煙霧擴(kuò)散模型函數(shù)可知：煙霧的濃度隨著與火警點(diǎn)之間的距離變換而發(fā)生變化的，其具體擴(kuò)散示意圖如圖1所示。

圖1 煙霧與火警點(diǎn)的距離梯度圖

由圖1可知，

r1gt;r2gt;r3gt;r4

(3)

與火警點(diǎn)的距離相對應(yīng)的煙霧濃度關(guān)系為：

c1lt;c2lt;c3lt;c4

(4)

將公式(3)中的不同值帶入到式(2)中，會得到相應(yīng)的濃度值，由上述可知，隨著r的增大，相應(yīng)點(diǎn)的煙霧強(qiáng)度以非線性方式減小，根據(jù)這樣的煙霧擴(kuò)散模型，可通過實(shí)時(shí)監(jiān)測煙霧強(qiáng)度來不斷趨近于火警點(diǎn)。

2 火災(zāi)探測裝置的原理及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由煙霧的分布情況可知，當(dāng)煙霧探測裝置處于火警點(diǎn)制造的煙霧范圍內(nèi)，可通過測量裝置所在位置周圍的煙霧強(qiáng)度，定位到煙源的方向。

煙霧探測時(shí)，單一的傳感器無法對煙霧源進(jìn)行定位[2]。分析人類感知與定位煙霧的過程可知，當(dāng)人初步感知到煙霧的瞬間，會通過鼻腔的縮放加大煙霧的吸入量以強(qiáng)化對煙霧的判斷，接著會下意識地尋找煙源，在看不見煙霧的情況下，將扭動其頸部改變鼻子的方位，通過多次的試探性感知以實(shí)現(xiàn)對煙源的定位。

本論文基于人類鼻子感知與定位煙源的過程設(shè)計(jì)一種多位姿調(diào)整的仿人鼻煙霧探測裝置，該裝置采用類似于人鼻的雙煙道結(jié)構(gòu)，具有類似于人鼻方位調(diào)整的轉(zhuǎn)動與俯仰自由度，以及模擬人鼻腔縮張的雙煙道張合自由度，可實(shí)現(xiàn)對鼻子運(yùn)動的模擬。

圖2為雙煙管道平面結(jié)構(gòu)示意圖，采用螺旋副結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙煙管道的張合自由度。簡單分析其運(yùn)動如下：圖中，與雙煙管道水平位置3為螺旋滑塊起始位置，管道距離螺旋軸為b。螺旋滑塊的起始位置3到位置1的距離為l；Φ3為左鼻煙管道擺動角，Φ4為右鼻煙管擺動角，則在起始位置3時(shí):

Φ3=Φ4=0

(5)

當(dāng)螺旋滑塊從位置3運(yùn)動到任意位置1時(shí)：

(6)

圖中a為螺旋滑塊移動的距離，因每轉(zhuǎn)一圈移動m，當(dāng)轉(zhuǎn)n圈時(shí)移動的距離為a，則：

a=nm

(7)

由此可通過螺旋副的移動距離來實(shí)現(xiàn)左右鼻煙管道需要旋轉(zhuǎn)的角度Φ3、Φ4。

圖2 雙煙道張合結(jié)構(gòu)示意圖

通過上述張合自由度結(jié)構(gòu)示意圖所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，可完美的實(shí)現(xiàn)雙煙管道的各自旋轉(zhuǎn)，不斷改變其夾角，直至達(dá)到二者測量值重合的位置。

制備該裝置樣機(jī)如圖3所示。樣機(jī)以絲桿步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動張合自由度的螺旋副，以實(shí)現(xiàn)雙鼻管道的張合；采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動頸部扭轉(zhuǎn)自由度，以實(shí)現(xiàn)仿人鼻的整體水平扭轉(zhuǎn)；由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)鼻煙管道仰俯自由度，仿照人通過控制頭部的仰俯帶動鼻子的仰俯運(yùn)動，以使探測器處于較為理想的煙霧吸入方位。

圖3 火災(zāi)探測裝置實(shí)物圖

樣機(jī)中3個(gè)步進(jìn)電機(jī)為11HS04系列兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角度：1.8°，其主要特性：高精度、低轉(zhuǎn)動慣量、體積小，廣泛用于各種自動化設(shè)備。絲桿電機(jī)選用的是42 HS系列的兩相混合式絲桿步進(jìn)電機(jī)，步距角度為1.8°，精度為±5%，能使樣機(jī)實(shí)現(xiàn)上面所設(shè)計(jì)的運(yùn)動要求。

煙霧傳感器選擇MQ-2的煙霧探測傳感器，其探測范圍100 ppm～10 000 ppm。 MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫導(dǎo)體氣敏材料，當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，就會引起表面電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得煙霧的信息，煙霧濃度越大，電導(dǎo)率越大，輸出電阻越低?？赏ㄟ^模擬電壓輸出值來反映出相對位置的煙霧濃度。

采用ZQ520-02PM型微泵吸入煙霧。微泵吸附能力為4～5 L/min，可實(shí)現(xiàn)快速靈敏的測量效果，其與煙霧接觸的進(jìn)氣口可達(dá)到50 KPa的負(fù)壓，通往傳感器所在的封閉腔的出口可達(dá)將近100 KPa的正壓，為傳感器獲得煙霧信息提供了可靠的吸附能力。

由于實(shí)驗(yàn)中，為了能夠在火災(zāi)探測裝置探測到火警點(diǎn)信息的前提下，自主的根據(jù)煙霧分布情況定位到火警點(diǎn)的位置，需將多位姿仿人鼻的火災(zāi)探測裝置安裝到移動機(jī)器人上，使得二者能夠?qū)崿F(xiàn)探測和定位的動作同時(shí)進(jìn)行，根據(jù)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)過程以及與輪式機(jī)器人通訊方式，設(shè)計(jì)出最佳安裝方法。其具體安裝如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺安裝示意圖

3 基于探測原理制定探測方法

根據(jù)人感知到煙霧并尋找煙霧的過程，制定其工作方法。首先，當(dāng)人感知到煙霧的瞬間，會不由自主的縮放鼻道加大呼吸量感知煙霧強(qiáng)度，判斷出煙霧的來源方位；接著，通過控制頭部的仰俯帶動鼻子的運(yùn)動，更進(jìn)一步感知煙霧在此時(shí)的強(qiáng)度最大方位；

在上述基礎(chǔ)上MQ-2的煙霧傳感器結(jié)合仿人鼻的吸煙管道，根據(jù)實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)和距離、角度變化來識別空氣流動和煙霧聚集死角的環(huán)境因素的影響，得出煙霧數(shù)據(jù)，與不同燃燒物火警點(diǎn)對應(yīng)的煙霧濃度和溫度進(jìn)行對比，當(dāng)微泵工作T后，停止工作，對左右兩端的煙霧傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并得出此時(shí)煙霧的偏向，扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)鼻煙管道，再讓微泵繼續(xù)工作T，如此循環(huán)。

4 自主定位到火警點(diǎn)的方法

將火災(zāi)探測裝置安裝到機(jī)器人上，有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生的煙霧被火災(zāi)探測裝置探測到，即可觸發(fā)移動機(jī)器人啟動，并遵循著火災(zāi)探測器探測到的煙霧情況進(jìn)行移動，不斷地趨近火警點(diǎn)。

當(dāng)空曠房間中只有一個(gè)煙源時(shí)，火災(zāi)探測裝置探測到的煙霧情況有如下幾種情況：

1)火災(zāi)探測裝置接收到單一的煙霧。

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，在空曠的房間中沒有干擾，全程形成的煙霧僅是單股擴(kuò)散時(shí)，火災(zāi)探測裝置只需根據(jù)煙霧探測傳感器所作出的決策信號進(jìn)行前進(jìn)即可。若將移動機(jī)器人視作一個(gè)半徑為R的圓，其對火警點(diǎn)的探測和定位的過程如圖5所示。

圖5 單股煙霧時(shí)的探測定位過程

其中移動步長為移動機(jī)器人在一個(gè)位置上對煙霧進(jìn)行探測并做出一個(gè)相應(yīng)的局部決策后，移動機(jī)器人趨近目標(biāo)移動的距離dl，根據(jù)高斯分布模型可知煙霧濃度會隨著與火警點(diǎn)間的距離變化而變化，因此移動步長不宜過大，本論文中移動步長為移動機(jī)器人的半徑R。

2)火災(zāi)探測裝置陷入到煙霧聚集死角。

移動機(jī)器人在室內(nèi)進(jìn)行火警探測與定位時(shí)，會因一些因素而致使煙霧產(chǎn)生聚集，如室內(nèi)建筑或家具死角造成的煙霧聚集，若根據(jù)煙霧傳感器檢測濃度來判斷是否為火警點(diǎn)，會有一定的誤差。為解決此問題，在煙霧傳感器的基礎(chǔ)上，再分別添加一個(gè)溫度傳感器，其放置位置和原理在第二章中已詳述。通過同時(shí)檢測煙霧的濃度和溫度來判別是否達(dá)到火警點(diǎn)的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否定位火警點(diǎn)成功，從而避免因煙霧死角而做出誤報(bào)的現(xiàn)象。

當(dāng)進(jìn)入到煙霧聚集死角時(shí)，經(jīng)過溫度傳感器判斷出此處并非火警點(diǎn)，則需要相應(yīng)的策略使得火災(zāi)探測裝置走出煙霧聚集死角，并找到正確的擴(kuò)散來源，然后進(jìn)行下一步的探測和定位。

若火災(zāi)探測裝置進(jìn)入到煙霧聚集區(qū)域，周圍濃度都相等，此時(shí)無法判斷移動方向，本論文針對以下兩種情況做出不同決策：煙霧順著墻壁或家具壁聚集到角落中而形成的煙霧聚集死角，探測裝置因濃度相等無法判斷方向時(shí)，可沿著死角壁移動，最終找到煙霧來源方向；煙霧從死角中間某一位置擴(kuò)散到死角中而形成煙霧聚集死角，探測裝置因濃度相等無法做出判斷，沿著墻壁仍無法找出煙霧來源方位時(shí)，移動機(jī)器人返回到進(jìn)入死角時(shí)的位置，使移動機(jī)器人沿著煙霧能探測到區(qū)域和煙霧不能探測到區(qū)域的界限處移動，直到探測到煙霧濃度大于死角處的濃度為止，此時(shí)煙霧來源方向可獲得。其探測過程如圖6、圖7所示。

圖6 順著死角壁擴(kuò)散形成的煙霧死角探測過程 圖7 死角中間某一部位擴(kuò)散形成的煙霧死角探測過程

當(dāng)火災(zāi)探測裝置感知到空氣中的煙霧時(shí)，可啟動探測裝置的扭轉(zhuǎn)和仰俯等動作，以使得封閉腔中的煙霧傳感器能夠充分的接觸到此空間中的煙霧，并將此過程中探測到的數(shù)據(jù)傳入控制器中，經(jīng)過數(shù)組的比較來獲得煙霧的分布情況，從而判別出在能感知到的空間范圍中煙霧濃度最濃的地方，并將此結(jié)果通過通訊串口傳給移動機(jī)器人的運(yùn)動控制器，來控制機(jī)器人超著此方向移動0.5 m的距離，停止，然后繼續(xù)上述的煙霧探測和引導(dǎo)機(jī)器人前行的動作，不斷重復(fù)此操作。當(dāng)探測到的煙霧濃度范圍已經(jīng)達(dá)到火警點(diǎn)的煙霧強(qiáng)度范圍之內(nèi)時(shí)，為了避免種種因素造成的誤報(bào)，需進(jìn)行層層排除。首先，需啟動機(jī)器人以此點(diǎn)為圓心，向半徑為1 m的圓所覆蓋的范圍進(jìn)行探測，若煙霧濃度沒有上升的現(xiàn)象，可排除煙霧因擴(kuò)散不均勻?qū)е碌臒熿F強(qiáng)度忽高忽低的現(xiàn)象；其次，將安裝在封閉腔中的溫度傳感器在此處所顯示的煙霧溫度數(shù)據(jù)與火警點(diǎn)的煙霧溫度范圍進(jìn)行對比，若已達(dá)到火警點(diǎn)的煙霧溫度范圍，可排除因?yàn)榉块g的構(gòu)造和家具死角造成的煙霧聚集帶來的干擾。如若上述情況都已排除，可確定此處為火警點(diǎn)。

5 對移動機(jī)器人定位火警點(diǎn)的過程進(jìn)行仿真

當(dāng)房間中有家具和拐角時(shí)，煙霧的擴(kuò)散過程會受此情況的影響，在擴(kuò)散過程中會產(chǎn)生煙霧聚集，當(dāng)可自主移動的火災(zāi)探測裝置在探測和定位火警點(diǎn)的過程中，會因煙霧聚集和死角的存在的干擾而誤將其視作火警點(diǎn)，這一干擾會使其定位到火警點(diǎn)耗時(shí)增大，所行路徑軌跡有決策不前的跡象，其具體實(shí)驗(yàn)情況與無死角時(shí)的路徑對比情況用Sinmulink建立基于移動機(jī)器人的火災(zāi)探測裝置對火警點(diǎn)進(jìn)行距離火警點(diǎn)的5 m的有死角和無死角的探測和定位系統(tǒng)模型[6]，其仿真模型如圖8所示。

圖8 結(jié)合移動機(jī)器人的火災(zāi)探測裝置探測火警點(diǎn)的Simulink模型

對上述建立的系統(tǒng)模型，設(shè)置合理的采樣時(shí)間和仿真參數(shù)，對安裝有火災(zāi)探測裝置的移動機(jī)器人定位室內(nèi)火警點(diǎn)的過程進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 對室內(nèi)火警點(diǎn)定位的過程仿真

由上述結(jié)果可知：可移動的火災(zāi)探測裝置在探測和定位到火警點(diǎn)的過程中，若所在空間中由拐角或家具死角導(dǎo)致煙霧擴(kuò)散有聚集死角的情況存在，會對探測和定位過程造成很大的影響，仿真實(shí)驗(yàn)中的移動機(jī)器人在探測和定位火警點(diǎn)中的軌跡可以看出死角存在雖然影響了對火警點(diǎn)的探測，但最終還是能夠探測和定位到火警點(diǎn)，其路徑軌跡表現(xiàn)出很好的一致性和連續(xù)性。采用上述的煙霧探測與定位方法可探測和定位到火警點(diǎn)。

6 結(jié)論

本論文因固定式探測煙霧裝置不能實(shí)現(xiàn)火災(zāi)定位的需求，依據(jù)人鼻工作機(jī)制設(shè)計(jì)出仿人鼻的多位姿感煙探測裝置，其包含平面張合自由度、平面整體轉(zhuǎn)動自由度和上下仰俯自由度，來模仿人鼻一樣的工作流程，實(shí)時(shí)檢測煙霧信息.且此裝置可在移動機(jī)器人的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自主定位到火警點(diǎn)的功能，使火災(zāi)在發(fā)生初期得到有效的防護(hù)作用，在現(xiàn)實(shí)生活中，該設(shè)備可在火災(zāi)發(fā)生前將其控制，具有較大的實(shí)際應(yīng)用意義和應(yīng)用前景。

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ResearchonMethodofDetectionandLocationforIndoorFireWarningPointBasedonMobileRobot

Zhang Chuanchuan,Chen Guoliang, Li Xiaolong

(School of Mechanical and Electronic Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070,China)

Fire detection technology has become one of the important means to prevent fire, At present, the frequently-used and fixed fire detection device can not detect and locate the fire point autonomously, thus, there are some limitations in the early stage of fire prevention and fire fighting. Based on the analysis of fire detection technology, this paper proposes a kind of multiposition humanoid nose fire detection device, and model machine is prepared, at the same time, tries to combine it with the mobile robot to realize the detection and location of indoor fire point.In the process of detection and location of fire point with a movable fire detection device ,a great impact will be caused on the detection and localization process,if there exists gathering corner of smoke spreading because of the dead corner or furniture corner in the space.Although the dead corner affects the detection of fire alarm point,the detection and location device can also detect and locate the fire point in the experiment.And its path show great consistency and continuity.

fire detection; mobile robot; target localization

2017-03-06；

2017-03-24。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61373110)。

張釧釧(1989-)，女，河南三門峽人，研究生，主要從事機(jī)器人技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)09-0166-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.043

TP273

A