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)部通訊的全自動滅火救援機器人系統(tǒng)的研究

作者 / 倪銀堂、王振豪、呂迪洋，南京工程學(xué)院

項目內(nèi)容：本項目為南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項目（項目編號TZ20160010）

本系統(tǒng)中墻體固定傳感器可實現(xiàn)對火情的監(jiān)測，在起火后第一時間通知場地人員和上位機，上位機接收到數(shù)據(jù)后空中喚醒滅火機器人和救援機器人。機器人通過通訊模塊與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換與處理，實現(xiàn)機器人個體的自主運行與機器人間的協(xié)同工作，提高了滅火和救援的效率。

機器人；滅火；救援；內(nèi)部通訊；協(xié)同

引言

目前世界各國在消防救援上主要使用遙控型機器人，不僅需要專業(yè)人員進行遠(yuǎn)程操控，以攝像機捕捉的場景進行遠(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機器人至現(xiàn)場也可能會錯過最佳的救援時間。一些實驗室和公司正在攻克自主救援機器人的難題，有望在救援時實現(xiàn)機器人的自主工作。同時，機器人協(xié)同工作也是機器人領(lǐng)域的一個研究方向，不同功能的機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. 研究內(nèi)容

構(gòu)建一種基于內(nèi)部通訊的的全自動滅火救援機器人系統(tǒng)，包括上位機、滅火機器人、救援機器人和墻體固定傳感器四個部分。上位機與墻體固定傳感器實現(xiàn)一對多形式的通訊模塊連接，工作時墻體固定傳感器單方向發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機。上位機軟件對數(shù)據(jù)處理后，通過通訊模塊向滅火機器人與救援機器人發(fā)送指令，機器人也可以向上位機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：在每個房間的墻體上固定安裝；

（3）功能：實時監(jiān)測房間內(nèi)的各種數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)某個指數(shù)超標(biāo)，則立即不間斷的發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機，直到指數(shù)達(dá)到正常水平；實現(xiàn)蜂鳴器的報警功能與排風(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現(xiàn)對被困人員的監(jiān)測。

■1.2 上位機

（1）主要構(gòu)成：上位機軟件，微處理器，通訊模塊等；

（2）功能：處理從墻體固定傳感器、救援機器人和滅火機器人接收到的數(shù)據(jù)，綜合處理之后，發(fā)指令控制各個部分執(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?，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），通訊模塊等；

（2）功能：接受上位機的指令執(zhí)行自動規(guī)劃路徑，尋找火源并撲滅火源，向上位機傳輸數(shù)據(jù)。

■1.4 救援機器人

（1）主要構(gòu)成：微處理器，救援系統(tǒng)（救援艙，機械臂等），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：自動工作模式下接受上位機的指令執(zhí)行自動規(guī)劃路徑，尋找被困人員時使用安全艙收納被困人員，將被困人員運送到預(yù)設(shè)的安全地點后執(zhí)行自動搜索指令；受控模式下上位機可控制機器人行進路線，可使用機械臂實現(xiàn)清障功能，可通過攝像頭獲得以救援機器人第一視角的實時視頻；可向上位機傳輸數(shù)據(jù)。

2. 具體實施過程

■2.1 墻體固定傳感器向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)

正常情況下，上位機和墻體固定傳感器處于開機狀態(tài)，救援機器人和滅火機器人處于休眠狀態(tài)；墻體固定傳感器不間斷向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)有異常情況發(fā)生時，上位機空中喚醒救援機器人和滅火機器人置于工作狀態(tài)。如果墻體固定傳感器檢測到可燃性氣體超標(biāo)會打開排風(fēng)系統(tǒng)，直到危險解除。

■2.2 上位機控制滅火機器人滅火

墻體固定傳感器檢測到明火，會立即向上位機發(fā)送異常點的位置、傳感器接收到的數(shù)據(jù)，同時通過蜂鳴器向場地人員報警。上位機會向滅火機器人發(fā)送指令，滅火機器人自動計算路徑以最短時間到達(dá)指定地點勘察具體情況并實施滅火及數(shù)據(jù)采集，同時，墻體固定傳感器也會檢測著火點的火情，如果滅火機器人順利滅火，滅火機器人復(fù)位，補充電能，關(guān)閉蜂鳴器；如果滅火機器人和墻體固定傳感

器檢測到火勢已超出自身能力范圍，則上位機實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報告火警，說明具體地點和火勢，滅火機器人繼續(xù)滅火。

■2.3 上位機控制滅火、救援機器人協(xié)同工作

當(dāng)火勢過大并檢測到有被困人員，墻體固定傳感器會立即向上位機發(fā)送位置信息，上位機在處理之后會立即向救援機器人發(fā)送指令，前往指定地點實施救援，如果救援機器人在預(yù)定位置檢測到被困人員，則立即打開安全艙，待被困者進入安全艙，迅速撤離火災(zāi)現(xiàn)場，運送至指定的安全地點。在運送完后，救援機器人實現(xiàn)自動搜索，營救被困人員。火源全被撲滅后系統(tǒng)還原，并完成對機器人的電能補充。

■2.4 救援機器人的工作模式切換

若救援人員趕到現(xiàn)場，可通過上位機向救援機器人發(fā)送指令，救援機器人暫停自動工作狀態(tài)（滅火機器人仍繼續(xù)工作），此時救援機器人的行為以及安裝在機器人上的起清障作用的機械手和救援艙可以通過上位機控制實施救援，同時可通過上位機打開視頻傳輸通道，接受救援機器人發(fā)回的實時圖像。

3. 研究的創(chuàng)新點

（1）實際使用中上位機和墻體固定傳感器處于開啟狀態(tài)，在火災(zāi)發(fā)生后機器人及時啟動，在一定程度上加快了火災(zāi)后的反應(yīng)能力，也強調(diào)了系統(tǒng)的節(jié)能性。

（2）起火后系統(tǒng)立即做出反應(yīng)，通知場地工作人員并迅速根據(jù)情況派出不同的機器人。實現(xiàn)機器人的協(xié)同工作，通過通訊模塊實現(xiàn)機器人與上位機的數(shù)據(jù)通訊。

（3）墻體固定傳感器實現(xiàn)全覆蓋，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和簡易的排風(fēng)報警等功能；救援機器人的自動工作狀態(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）通過延長履帶底盤的長度并提高其穩(wěn)定性，使得機器人能夠自主爬樓，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

通過滅火機器人、救援機器人與上位機的通訊，墻體固定傳感器與上位機的通訊，實現(xiàn)機器人間的協(xié)同工作。本機器人系統(tǒng)在迅速反應(yīng)從而減少火災(zāi)帶來的財產(chǎn)損失、救援被困人員上起著不可估量的作用；同時也由于本系統(tǒng)制備工藝簡單帶來成本較低，占地面積較小，操作難度低，具有可觀的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景。