摘要：針對(duì)造船企業(yè)存在多種消防安全隱患和消防機(jī)器人價(jià)格昂貴、功能單一等問(wèn)題，文章基于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)和傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一款巡檢消防機(jī)器人，能協(xié)助安全員對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡檢，可實(shí)現(xiàn)柵格地圖實(shí)時(shí)構(gòu)建、火焰檢測(cè)和著火源定位、火情處理等功能，有效降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了搜救效率，并有效保障了企業(yè)和員工的生命財(cái)產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：造船；消防；巡檢；SLAM

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242.3" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

造船企業(yè)作為大型工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)所，存在多種消防安全隱患。首先，由于大量使用易燃易爆材料，火災(zāi)發(fā)生的可能性較高；其次，造船企業(yè)中電焊、氣割等明火作業(yè)多，生產(chǎn)線(xiàn)復(fù)雜，設(shè)備和管道密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)容易迅速蔓延；最后，部分造船企業(yè)還存在消防設(shè)施配備不足、作業(yè)場(chǎng)地?fù)頂D、員工消防意識(shí)薄弱等問(wèn)題［1］。因此，提高消防安全水平，預(yù)防火災(zāi)事故的發(fā)生，是造船企業(yè)不容忽視的問(wèn)題。

隨著人工智能、機(jī)器人等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人在生活和工作中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。作為高端滅火救援裝備，消防機(jī)器人能代替消防救援人員進(jìn)入高危、高溫、有毒、缺氧、易爆等危險(xiǎn)災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)、救援、滅火，不僅有效減少了消防人員面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)，而且機(jī)器人所配備的偵檢功能模塊更是為后臺(tái)指揮系統(tǒng)提供了及時(shí)可靠的火場(chǎng)即時(shí)信息［2］。

盡管消防機(jī)器人在滅火救援中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但目前仍存在一些問(wèn)題，如價(jià)格昂貴、維修難度大、功能單一、智能化程度有待提高等，這些因素限制了其在企業(yè)中的普及和應(yīng)用，目前，消防機(jī)器人僅在部分消防部隊(duì)有所配備，如圖1所示。

因此，面向造船企業(yè)開(kāi)發(fā)一款價(jià)格低廉、功能豐富、智能化程度高的消防機(jī)器人，讓消防機(jī)器人代替人工在生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巡檢、探測(cè)、救援、滅火等工作，對(duì)于節(jié)約人力成本、降低安全風(fēng)險(xiǎn)、提高事故響應(yīng)速度等都有很大幫助。

1 巡檢消防機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

巡檢消防機(jī)器人的硬件系統(tǒng)是其正常工作和實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)，主要包含運(yùn)動(dòng)模塊、通信傳感模塊和執(zhí)行單元，如圖2—3所示。

巡檢消防機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模塊是其實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，包括速度、轉(zhuǎn)向、越障等能力。移動(dòng)平臺(tái)由多層鋁合金車(chē)身、編碼器電機(jī)及輪胎組成，并由STM32控制板驅(qū)動(dòng)。針對(duì)造船企業(yè)復(fù)雜的施工環(huán)境，提供了橡膠輪和麥克納姆輪以供選擇，麥克納姆輪可實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)，便于其在小空間的移動(dòng)；橡膠輪具有更好的承重能力和抓地力。

通信傳感模塊是巡檢消防機(jī)器人的重要組成部分，具備實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息、數(shù)據(jù)處理分析、主從機(jī)通信及遠(yuǎn)程控制等功能。利用樹(shù)莓派作為機(jī)器人的處理器，用于匯總和處理各傳感器的信息并控制小車(chē)和執(zhí)行部件動(dòng)作；激光雷達(dá)用于感知周?chē)h(huán)境；攝像頭用于采集巡檢現(xiàn)場(chǎng)的圖像信息。

執(zhí)行模塊作為消防機(jī)器人核心功能實(shí)現(xiàn)的載體，能夠根據(jù)控制指令執(zhí)行滅火動(dòng)作，可通過(guò)投擲滅火彈、噴射滅火劑或水等多種方式來(lái)?yè)錅缁馂?zāi)。

2 巡檢消防機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件系統(tǒng)

巡檢消防機(jī)器人和上位機(jī)均以u(píng)buntu 18.04+ROS melodic為平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

ROS（Robot Operating System）是一個(gè)為機(jī)器人軟件開(kāi)發(fā)提供的框架，能使開(kāi)發(fā)者更高效地開(kāi)發(fā)、測(cè)試和實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種功能。ROS提供了一套豐富的工具和庫(kù)，使得開(kāi)發(fā)者可以輕松地處理機(jī)器人感知、定位、控制和交互等方面的問(wèn)題［3-4］。得益于ROS提供的分布式軟件框架，使多個(gè)的功能節(jié)點(diǎn)可以運(yùn)行在不同的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，通過(guò)話(huà)題（Topic）進(jìn)行主從機(jī)通信。由于主機(jī)具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，主要負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制、地圖構(gòu)建和顯示等，而巡檢消防機(jī)器人作為從機(jī)，主要負(fù)責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)采集，如圖4所示。

2.2 地圖構(gòu)建

即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization ""and Mapping，SLAM）可以描述為：機(jī)器人在未知的環(huán)境中從一個(gè)未知位置開(kāi)始移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中根據(jù)位置估計(jì)和地圖進(jìn)行自身定位，同時(shí)建造增量式地圖，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航［4］。

機(jī)器人通過(guò)激光雷達(dá)不斷掃描本體與環(huán)境之間的距離信息，結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)上傳的里程計(jì)信息、運(yùn)動(dòng)慣性數(shù)據(jù)來(lái)感知周?chē)h(huán)境，并確定自身在環(huán)境中的具體位置。

如圖5所示，消防巡檢機(jī)器人使用Gmapping算法來(lái)實(shí)現(xiàn)地圖構(gòu)建，該算法集成了Rao-Blackwellized粒子濾波算法，通過(guò)訂閱機(jī)器人的深度信息、IMU信息和里程計(jì)信息，即可輸出基于概率的二維柵格地圖，相對(duì)于其他建圖算法具有實(shí)時(shí)性、計(jì)算效率高、精度高、魯棒性強(qiáng)和可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［5］。

在消防機(jī)器人的巡檢過(guò)程中，工作人員可通過(guò)遠(yuǎn)程控制使機(jī)器人按照預(yù)定路線(xiàn)行進(jìn)。機(jī)器人搭載的激光雷達(dá)設(shè)備會(huì)不斷采集周?chē)h(huán)境的深度信息。STM32控制板則會(huì)處理來(lái)自編碼器和IMU模塊的數(shù)據(jù)，以獲得精確的里程計(jì)和運(yùn)動(dòng)慣性數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)傳送到樹(shù)莓派，再由樹(shù)莓派將信息發(fā)送給上位機(jī)，并完成地圖構(gòu)建和更新。

2.3 火焰檢測(cè)和火源定位

OpenCV（Open Source Computer Vision Library）是一個(gè)開(kāi)源的計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)軟件庫(kù)，由C++編寫(xiě)，但提供了Python、Java、MATLAB等語(yǔ)言的接口，廣泛應(yīng)用于圖像處理、目標(biāo)檢測(cè)、人臉識(shí)別等領(lǐng)域。OpenCV具有跨平臺(tái)性、高效性、豐富的算法庫(kù)和廣泛的社區(qū)支持等特點(diǎn)，是計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域的重要工具之一［6］。

消防巡檢機(jī)器人利用OpenCV庫(kù)對(duì)攝像頭采集的圖片信息進(jìn)行處理分析。首先，在RGB顏色空間下，將火焰圖像拆分成B、G、R 3個(gè)通道的灰度值；然后，根據(jù)設(shè)定閾值，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，再對(duì)圖形進(jìn)行膨脹處理；最后，提取圖形的輪廓信息，即判斷為火焰輪廓，并用矩形邊框?qū)鹧孢M(jìn)行標(biāo)識(shí)，如圖6所示。

當(dāng)識(shí)別出火焰后，根據(jù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)獲取前方火焰距離，并在柵格地圖中標(biāo)識(shí)出火源位置，如圖7所示。

2.4 火情處理

巡檢消防機(jī)器人應(yīng)具備一定的滅火能力，當(dāng)發(fā)現(xiàn)火情時(shí)及時(shí)動(dòng)作實(shí)施滅火，從而在第一時(shí)間有效遏制火勢(shì)蔓延。

目前，為了方便功能調(diào)試，消防機(jī)器人上僅安裝了L9110風(fēng)扇模塊，該模塊與樹(shù)莓派的GPIO口連接，在檢測(cè)到火情后可自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制其啟動(dòng)。后續(xù)的研發(fā)工作，會(huì)進(jìn)一步提升機(jī)器人的滅火能力，并根據(jù)巡檢生產(chǎn)車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)存放物質(zhì)、可能發(fā)生的火災(zāi)類(lèi)型對(duì)執(zhí)行模塊做相應(yīng)替換和調(diào)整，如圖8所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)和傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一款巡檢消防機(jī)器人，該機(jī)器人可協(xié)助安全員對(duì)造船施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡檢，利用Gmapping和機(jī)器視覺(jué)算法實(shí)現(xiàn)柵格地圖構(gòu)建、火焰檢測(cè)及火源定位等功能，并可通過(guò)控制執(zhí)行單元?jiǎng)幼魍瓿蓽缁稹?/p>

該機(jī)器人的使用和推廣主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可有效降低安全員巡邏的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高巡檢效率。

（2）可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)地圖構(gòu)建，能預(yù)先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的地形結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索，提高消防人員的搜救效率。

（3）可實(shí)現(xiàn)著火源位置標(biāo)記，為消防人員合理制定救援逃生方案提供有效信息。

（4）可第一時(shí)間對(duì)火情進(jìn)行處理，進(jìn)一步保障企業(yè)和員工的生命財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

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Design of inspection and fire fighting robot for shipbuilding enterprises

Abstract： "In view of the various fire safety hazards existing in shipbuilding enterprises and the problems of fire-fighting robots being expensive and having single functions， this article designed an inspection fire-fighting robot based on ROS robot operating system and sensor technology. The robot can assist safety officers in inspecting construction sites， and can realize functions such as grid map real-time construction， flame detection， fire source location， and fire handling. It can effectively reduce the labor intensity of staff， improve search and rescue efficiency， and further protect enterprises. and the safety of employees’ lives and property.

Key words： shipbuilding; fire-fighting; inspection; SLAM