一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統及方法與流程

2023-05-03 05:23:06 5

本發明涉及一種消防機器人的控制系統，特別是一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統及方法。

背景技術：

隨著社會經濟的迅猛發展，建築和企業生產的特殊性，導致化學危險品和放射性物質洩漏以及燃燒、爆炸、坍塌的事故隱患增加，事故發生的概率也相應提高。一旦發生災害事故，消防員面對高溫、黑暗、有毒和濃煙等危害環境時，若沒有相應的設備貿然衝進現場，不僅不能完成任務，還會徒增人員傷亡。

消防機器人作為特種機器人的一種，在滅火和搶險救援中愈加發揮舉足輕重的作用。各種大型石油化工企業、隧道、地鐵等不斷增多，油品燃氣、毒氣洩漏爆炸、隧道、地鐵坍塌等災害隱患不斷增加。此類災害具有突發性強、處置過程複雜、危害巨大、防治困難等特點，已成頑疾。而消防機器人能代替消防救援人員進入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險災害事故現場進行數據採集、處理、反饋，有效地解決消防人員在上述場所面臨的人身安全、數據信息採集不足等問題。現場指揮人員可以根據其反饋結果，及時對災情作出科學判斷，並對災害事故現場工作作出正確、合理的決策。

由於目前的消防機器人大多是通過在路面行走、跨越障礙物、實時監測機器人行走路線過程中前方水平方向的地理情況，然後到達災區發生的中心位置並進行噴水滅火的效果，但是這樣的檢測方式只能對著火點水平方向進行實時檢測，並不能從上到下進行大範圍的了解火情的具體情況，或者一旦有障礙物就會使檢測受到一定的局限性，因此目前的著火點檢測均為開放式檢測，無法實現閉環式的檢測效果，最終影響救援的時間，因此需要改進。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決上述現有技術的不足而提供一種對消防過程中實現水平方向的檢測路徑以及垂直方向構成的檢測路徑，最終實現對火災以及路況進行閉環控制，以此來提高檢測效率及滅火效率的一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統及方法。

為了實現上述目的，本發明所設計的一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統，包括設於移動滅火設備上的主作業系統和設於飛行器上的輔作業系統，所述主作業系統與輔作業系統通訊連接，所述主作業系統包括主控制器、火情分析系統、滅火設備、水平方向圖像攝像設備和第一坐標檢測設備，所述的火情分析系統用於對所述水平方向和垂直方向檢測到的火情進行計算並分析最終確定火情的具體位置區域、範圍和大小，所述滅火設備通過檢測到的火災位置並根據移動滅火設備上的具體位置實現自動開啟滅火設備進行滅火；所述第一坐標檢測設備實時檢測移動滅火設備的具體位置坐標（x1，y1，z1），所述輔作業系統包括垂直方向圖像攝像設備、投滅火彈系統、滅火彈檢測系統、煙霧檢測設備、風向標、輔控制器和第二坐標檢測設備，所述垂直方向圖像攝像設備、投滅火彈系統、滅火彈檢測系統、煙霧檢測設備、風向標和第二坐標檢測設備均連接在輔控制器上，且輔控制器與主控制器通訊連接，所述第二坐標檢測設備實時檢測所述飛行器的具體位置坐標（x2，y2，z2），所述主控制器通過飛行器發送過來的飛行器具體坐標位置與移動滅火設備的坐標位置實時確定兩者的距離，並使其保持在設定範圍內同時通過飛行器發送過來的垂直方向圖像攝像設備和自身的水平方向圖像攝像設備實時監測飛行器前方規定範圍內的閉環路徑情況最終控制移動滅火設備順利移動到最佳的滅火位置以及到達火災位置時，通過檢測著火點的閉環路徑最終準確地計算出火災的範圍、大小並控制滅火設備和投滅火彈系統工作實現閉環滅火。

作為優選，進一步提高實時檢測效率，所述主作業系統還包括：連接衛星導航系統的定位系統，用於接收飛行器和移動滅火設備的實時位置；

主存儲器，用於儲存移動滅火設備行駛過程中的路徑以及火災相關信息；

主機損壞檢測裝置，用於檢測主檢測系統的損壞情況；

所述輔作業系統還包括：

紅外傳感器，用於對火災現場的溫度檢測，以及探測火情發生區域的生命跡象；

輔儲存器，用於儲存飛行器行駛過程中的路徑與火災現場信息，且所述的輔儲存器與主存儲器之間信息相互傳輸。

本發明還公開了一種消防機器人，所述移動滅火設備為消防機器人，所述飛行器為無人機，且消防機器人包括用於放置主作業系統的消防機器人本體，在消防機器人本體上設有用於停靠無人機的無人機停靠點，在消防機器人本體內設有滅火彈投放箱，所述滅火彈投放箱的下方連接有傾斜設置的滅火彈輸送艙，所述主控制器上連接有控制滅火彈輸送艙與滅火彈投放箱連通或關閉的閥門，所述水平方向圖像攝像設備中的攝像頭角度固定始終保持水平方向檢測，所述垂直方向圖像攝像設備中的攝像頭朝向下方，且其攝像頭能夠水平方向繞著攝像頭鏡頭的中心360度旋轉。

作為優選，為了進一步體現如何安裝滅火彈，所述無人機的底部設有旋轉裝置，所述旋轉裝置的下方設有旋轉盤，在旋轉盤上設有均勻分布的滅火彈安裝部，在每一個滅火彈安裝部上設有當旋轉裝置旋轉後，使任意一個滅火彈安裝部與滅火彈輸送艙對應後，將信號發送給主控制器的位置感應器，在滅火彈安裝部上還設有與主控制器連接的物品感應器。

作為優選，進一步將滅火彈投入到滅火彈安裝部中，所述滅火彈安裝部的下方能夠通過輔控制器打開，使滅火彈離開滅火彈安裝部，在旋轉盤上設有與對應的每一個滅火彈安裝部貫通的進料口，且所述滅火彈輸送艙上設有將滅火彈推送入進料口的推送器。

本發明還公開了一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統的控制方法，包括上述的一種消防機器人，是具體包括以下步驟：

（a）得到報警信息，立即調取火災位置最近的消防機器人，該消防機器人到達目的地，啟動消防機器人，消防機器人上的主作業系統工作，通過衛星定位系統檢測當前位置，並確定是否與儲存在主控制器內的火災地理位置在同一區域內，確定完成後，此時主控制器驅動底盤滾輪的電機轉動，帶動底盤前進，同時啟動水平方向圖像攝像設備工作，實時檢測機器人前方水平方向上的路況信息及障礙物信息；

（b）然後主控制器開啟無人機工作，飛離機器人，然後通過第二坐標檢測設備實時檢測所述飛行器的具體位置坐標（x2，y2，z2）並發送給主控制器；由主控制器通過第一坐標檢測設備實時監測機器人本體的位置坐標（x1，y1，z1）然後與飛行器的具體位置坐標（x2，y2，z2）對比計算出兩者的水平距離，在飛行過程中使兩者距離保持在設定範圍內，一旦超出規定範圍，主控制器控制機器人提速使其與無人機始終保持在規範範圍內；

（c）由無人機上的垂直方向圖像攝像設備從上到下在一定範圍內實時監測距離機器人規定範圍內的路況信息，然後發送給主控制器，由主控制器通過水平、縱向方向雙重檢測機器人前方的路況信息，從而實現對路況的閉環檢測；使消防機器人能夠避開前方的障礙物，同時又能夠規划行走的路徑，最終達到火災現場，並控制機器人停靠在滅火的最佳位置；

（d）當靠近火災現場時，此時由無人機停靠在高空位置時，從上到下並通過調整垂直方向圖像攝像設備上的攝像頭進行水平方向的360度旋轉構成一個從上到下的閉環檢測路徑，並通過水平方向圖像攝像設備檢測水平方向上構成的水平方向的檢測點與無人機的檢測路徑構成一個閉環的檢測方式；然後將檢測的數據傳輸給主控制器，由主控制器上的火情分析系統分析得到精確的火災信息，然後控制滅火設備以及滅火彈檢測系統進行投彈滅火。

進一步實時檢測現場溫度情況來作為對滅火情況的實時監測，本發明提供的一種消防機器人的閉環控制方法，其步驟還包括：

步驟（e）通過紅外傳感器預先檢測火災位置的生命跡象，若有，說明有生命跡象，通過檢測生命位置的溫度情況，並判斷是否溫度過高，若溫度過高，說明該處有大火，此時先對生命位置進行滅火，並將位置信息發送給雲臺，由雲臺控制救援人員來救援，然後繼續檢測火場是否還有其他生命跡象，若有，繼續判斷是否溫度過高，若溫度過高，說明該處有大火，此時先對生命位置進行滅火，並將位置信息發送給雲臺，由雲臺控制救援人員來救援，直至無生命跡象即可，說明火災處未有人員受困，此時檢測火災現場的溫度情況，檢測到溫度最高點的位置時，說明該處火情嚴重，先進行滅火，然後按照溫度順序繼續進行滅火，直至滅火完成；

作為優先，為了進一步實現能夠確保實時數據不被破壞，以備後續使用，本發明提供的一種消防機器人的閉環控制方法，其步驟還包括：

同時機器人在火災現場檢測滅火過程中，一旦主機損壞檢測裝置檢測到主檢測系統被破壞時，立即將主存儲器內的數據傳輸給輔儲存器，然後由輔儲存器飛離現場。

作為優先，為了進一步實現快速安裝滅火彈，當檢測到無人機上的滅火彈用完時，控制無人機飛回無人機停靠點，然後由主控制器控制旋轉裝置實現順時針旋轉，當位置感應器感應到信息時，說明有一個滅火彈安裝部的進料口與滅火彈輸送艙對應，此時主控制器控制旋轉裝置停止旋轉，並打開閥門，輸送一個滅火彈到該滅火彈安裝部上，然後通過推送器推將滅火彈送入滅火彈安裝部，並夾緊，再控制旋轉裝置工作繼續旋轉，實現下一個滅火彈的安裝，直至將無人機上的滅火彈全部裝滿，此時物品感應器檢測到信息，控制閥門關閉，並控制無人機重新起飛工作。

本發明得到的一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統及方法，通過從上到下的路徑構成一個圓形軌跡，與水平方向的直線軌跡構成一個半圓形的閉環路徑，實現對道路的閉環檢測，從而以最快的速度避開障礙物，到達終點，同時到達火場時，通過半圓形的閉環路徑實現對火情的實時監測，以確定檢測的準確性，最終提高滅火效率，並利用滅火彈以及滅火設備進行水平以及上下滅火實現閉環滅火，最終以最短的速度保證滅火效率、人員及財產的安全。

附圖說明

圖1是實施例1所提供的一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統的結構示意圖；

圖2是實施例1所提供的一種消防機器人的結構示意圖；

圖3是實施例1所提供一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統的控制方法的流程示意圖；

圖4是實施例1中閉環路徑的結構示意圖；

圖5是實施例2所提供的一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統的結構示意圖；

圖6是實施例2所提供的一種消防機器人的結構示意圖；

圖7是實施例2中的無人機結構示意圖；

圖8是實施例2所提供一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統的控制方法的上半部分流程示意圖；

圖9是實施例2所提供一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統的控制方法的下半部分流程示意圖。

圖中：主控制器1、火情分析系統2、滅火設備3、水平方向圖像攝像設備4、第一坐標檢測設備5、垂直方向圖像攝像設備6、投滅火彈系統7、滅火彈檢測系統8、煙霧檢測設備9、風向標10、輔控制器11、第二坐標檢測設備12、定位系統13、主存儲器14、主機損壞檢測裝置15、紅外傳感器17、輔儲存器18、消防機器人19、無人機20、消防機器人本體21、滅火彈投放箱22、滅火彈輸送艙23、閥門24、旋轉裝置25、滅火彈安裝部26、位置感應器27、物品感應器28、推送器29、無人機停靠點30、旋轉盤31、進料口32。

具體實時方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

實施例1：

如圖1所示，本實施例提供的一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統，包括設於移動滅火設備上的主作業系統和設於飛行器上的輔作業系統，所述主作業系統與輔作業系統通訊連接，所述主作業系統包括主控制器1、火情分析系統2、滅火設備3、水平方向圖像攝像設備4和第一坐標檢測設備5，所述的火情分析系統2用於對所述水平方向和垂直方向檢測到的火情進行計算並分析最終確定火情的具體位置區域、範圍和大小，所述滅火設備3通過檢測到的火災位置並根據移動滅火設備上的具體位置實現自動開啟滅火設備3進行滅火；所述第一坐標檢測設備5實時檢測移動滅火設備的具體位置坐標（x1，y1，z1），所述輔作業系統包括垂直方向圖像攝像設備6、投滅火彈系統7、滅火彈檢測系統8、煙霧檢測設備9、風向標10、輔控制器11和第二坐標檢測設備12，所述垂直方向圖像攝像設備6、投滅火彈系統7、滅火彈檢測系統8、煙霧檢測設備9、風向標10和第二坐標檢測設備12均連接在輔控制器11上，且輔控制器11與主控制器1通訊連接，所述第二坐標檢測設備12實時檢測所述飛行器的具體位置坐標（x2，y2，z2），所述主控制器1通過飛行器發送過來的飛行器具體坐標位置與移動滅火設備的坐標位置實時確定兩者的距離，並使其保持在設定範圍內同時通過飛行器發送過來的垂直方向圖像攝像設備6和自身的水平方向圖像攝像設備4實時監測飛行器前方規定範圍內的閉環路徑情況最終控制移動滅火設備順利移動到最佳的滅火位置以及到達火災位置時，通過檢測著火點的閉環路徑最終準確地計算出火災的範圍、大小並控制滅火設備3和投滅火彈系統7工作實現閉環滅火。

如圖2所示，本實施例還公開了一種消防機器人，包括採用上述的一種消防機器人系統，所述移動滅火設備為消防機器人19，所述飛行器為無人機20，且消防機器人19包括用於放置主作業系統的消防機器人本體21，在消防機器人本體21上設有用於停靠無人機20的無人機停靠點30，在消防機器人本體21內設有滅火彈投放箱22，所述滅火彈投放箱22的下方連接有傾斜設置的滅火彈輸送艙23，所述主控制器1上連接有控制滅火彈輸送艙23與滅火彈投放箱22連通或關閉的閥門24，所述水平方向圖像攝像設備4中的攝像頭角度固定始終保持水平方向檢測，所述垂直方向圖像攝像設備6中的攝像頭朝向下方，且其攝像頭能夠水平方向繞著攝像頭鏡頭的中心360度旋轉。

如圖3所示，本實施例還公開了一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統的控制方法，包括上述的一種消防機器人，是具體包括以下步驟：

（a）得到報警信息，立即調取火災位置最近的消防機器人19，該消防機器人19到達目的地，立即啟動消防機器人19，消防機器人19上的主作業系統工作，通過衛星定位系統檢測當前位置，並再次確定是否與儲存在主控制器1內的火災地理位置在同一區域內，確定完成後，此時主控制器1驅動底盤滾輪的電機轉動，帶動底盤前進，同時啟動水平方向圖像攝像設備4工作，實時檢測機器人前方水平方向上的路況信息及障礙物信息；（b）然後主控制器1開啟無人機20工作，飛離機器人，然後通過第二坐標檢測設備12實時檢測所述飛行器的具體位置坐標（x2，y2，z2）並發送給主控制器1；由主控制器1通過第一坐標檢測設備5實時監測機器人本體的位置坐標（x1，y1，z1）然後與飛行器的具體位置坐標（x2，y2，z2）對比計算出兩者的水平距離，在飛行過程中使兩者距離保持在設定範圍內，一旦超出規定範圍，主控制器1控制機器人提速使其與無人機20始終保持在規範範圍內；

（c）由無人機20上的垂直方向圖像攝像設備6從上到下在一定範圍內實時監測距離機器人規定範圍內的路況信息，然後發送給主控制器1，由主控制器1通過水平、縱向方向雙重檢測機器人前方的路況信息，從而實現對路況的閉環檢測；使消防機器人19能夠避開前方的障礙物，同時又能夠規划行走的路徑，最終達到火災現場，並控制機器人停靠在滅火的最佳位置；在本實施例中所述滅火的最佳位置位置的確定是依靠火情大小、能夠使滅火設備起到最佳效果，而對最佳位置確定的計算方法是目前機器人的一種常規技術手段，因此在此不作具體描述；

（d）當靠近火災現場時，此時由無人機20停靠在高空位置時，從上到下並通過調整垂直方向圖像攝像設備6上的攝像頭進行水平方向的360度旋轉構成一個從上到下的閉環檢測路徑（如圖4所示），並通過水平方向圖像攝像設備4檢測水平方向上構成的水平方向的檢測點與無人機的檢測路徑構成一個閉環的檢測方式；然後將檢測的數據傳輸給主控制器1，由主控制器1上的火情分析系統2分析得到精確的火災信息，然後控制滅火設備3以及滅火彈檢測系統8進行投彈滅火。

首選將該消防機器人按消防機器人的最遠距離分布在不同位置處，工作時，當某地出現報警時，此時根據報警人員詳細說明的報警點進行火災位置的初步確定，然後報警中心根據火災位置的查找靠近火災位置最近的消防機器人，啟動報警信息，然後由消防機器19規劃路徑然後根據路逕到達火災位置，然後進入火災現場，例如某大廈，此時消防機器19工作，使得內部的主控制器1工作，控制水平方向圖像攝像設備4工作實時監測水平方向上的前方路況信息構成一個直線監測路徑，並控制輔監測系統工作，無人機20飛離消防機器人本體21，此時主控制器1通過第一坐標檢測設備5實時監測防機器人本體21的位置情況得到第一坐標（x1，y1，z1），由第二坐標檢測設備12監測無人機20的位置情況得到第二坐標（x2，y2，z2），並由主控制器1計算兩者的距離，一旦超出規範範圍內，控制消防機器人本體21的運行速度，使兩者始終保持在規定範圍內，而不影響數據傳輸的穩定性，同時通過垂直方向圖像攝像設備6實時監測從上到下的路徑構成一個圓形軌跡，與水平方向的直線軌跡構成一個半圓形的閉環路徑，實現對道路的閉環檢測，從而以最快的速度避開障礙物，到達終點，同時到達火場時，通過這樣的閉環路徑實現對火情的實時監測，以確定檢測的準確性，最終提高滅火效率，並利用無人機20上的滅火彈以及消防機器人19上的高壓滅火設備進行水平以及上下滅火實現閉環滅火，最終以最短的速度保證滅火效率、人員及財產的安全。

同時本實施例中涉及到的相關算法是本技術領域的公知技術，在此不作具體描述。

實施例2：

如圖5所示，本實施例提供的一種基於消防機器人的火災救援閉環控制系統，為了進一步提高實時檢測效率，所述主作業系統還包括：連接衛星導航系統的定位系統13，用於接收飛行器和移動滅火設備的實時位置；

主存儲器14，用於儲存移動滅火設備行駛過程中的路徑以及火災相關信息；

主機損壞檢測裝置15，用於檢測主檢測系統的損壞情況；

所述輔作業系統還包括：

紅外傳感器17，用於對火災現場的溫度檢測，以及探測火情發生區域的生命跡象；

輔儲存器18，用於儲存飛行器行駛過程中的路徑與火災現場信息，且所述的輔儲存器18與主存儲器14之間信息相互傳輸。

如圖6、圖7所示，同時本實施例中還公開了一種消防機器人，為了進一步體現如何安裝滅火彈，所述滅火彈安裝部26的下方能夠通過輔控制器11打開，使滅火彈離開滅火彈安裝部26，在旋轉盤31上設有與對應的每一個滅火彈安裝部26貫通的進料口32，且所述滅火彈輸送艙23上設有將滅火彈推送入進料口32的推送器29。同時，為了進一步將滅火彈投入到滅火彈安裝部26中，所述滅火彈安裝部26的下方能夠通過輔控制器11打開，使滅火彈離開滅火彈安裝部26，在旋轉盤31上設有與對應的每一個滅火彈安裝部26貫通的進料口32，且所述滅火彈輸送艙23上設有將滅火彈推送入進料口32的推送器29。在本實施例中輔控制器11如何控制滅火彈安裝部26的開口打開的結構屬於常規技術，因此在此不作具體描述。

如圖8、圖9所示，進一步實時檢測現場溫度情況來作為對滅火情況的實時監測，本實施例提供的一種消防機器人的閉環控制方法，其步驟還包括：

步驟（e）通過紅外傳感器17預先檢測火災位置的生命跡象，若有，說明有生命跡象，通過檢測生命位置的溫度情況，並判斷是否溫度過高，若溫度過高，說明該處有大火，此時先對生命位置進行滅火，並將位置信息發送給雲臺，由雲臺控制救援人員來救援，然後繼續檢測火場是否還有其他生命跡象，若有，繼續判斷是否溫度過高，若溫度過高，說明該處有大火，此時先對生命位置進行滅火，並將位置信息發送給雲臺，由雲臺控制救援人員來救援，直至無生命跡象即可，說明火災處未有人員受困，此時檢測火災現場的溫度情況，檢測到溫度最高點的位置時，說明該處火情嚴重，先進行滅火，然後按照溫度順序繼續進行滅火，直至滅火完成；

同時機器人在火災現場檢測滅火過程中，一旦主機損壞檢測裝置15檢測到主檢測系統被破壞時，立即將主存儲器14內的數據傳輸給輔儲存器18，然後由輔儲存器18飛離現場。

當檢測到無人機20上的滅火彈用完時，控制無人機20飛回無人機停靠點30，然後由主控制器1控制旋轉裝置25實現順時針旋轉，當位置感應器27感應到信息時，說明有一個滅火彈安裝部26上的進料口32與滅火彈輸送艙23對應，此時主控制器1控制旋轉裝置25停止旋轉，並打開閥門24，輸送一個滅火彈到該滅火彈安裝部26上，然後通過推送器29推將滅火彈送入滅火彈安裝部26，並夾緊，再控制旋轉裝置25工作繼續旋轉，實現下一個滅火彈的安裝，直至將無人機20上的滅火彈全部裝滿，此時物品感應器28檢測到信息，控制閥門24關閉，並控制無人機20重新起飛工作。