CN110051954A - 一种分体式超高层全自动灭火机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分体式超高层全自动灭火机器人及其控制方法，采用分体式结构设计，包括置于消防云梯顶端的热成像单元、图像采集单元、信息检测单元、远程无线通信单元、指令执行单元以及置于消防车驾驶室内的信息分析和处理单元；在实现消防水炮有效灭火前提下显著减少云梯承受载荷进而大大降低云梯生产成本；建立了带有图像采集时序因子和图像传输时延因子的火焰集散趋势预测模型，体现在构建基于神经网络着火点蔓延方式的预测模型时，将图像传输过程中存在的时延因子引入到预测模型中，同时将采集图像按时序输入到神经网络中，构成了着火点图像与其后续蔓延方式间更为精确的映射关系，从而为消防水炮运动控制指令的生成提供重要依据。

Description

一种分体式超高层全自动灭火机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及消防控制技术领域，特别涉及一种分体式超高层全自动灭火机器人及其控制方法。

背景技术

我国目前的高层和超高层建筑的数量逐年增加，据不完全统计，截止至2018年4月，国内超过200米的超高层建筑数量已经突破了800座，而据消防权威部门的数据，大多数高层建筑存在消防隐患，这些建筑一旦发生火灾，主要依靠具有高层云梯的消防车采用户外灭火进行有效扑救。目前市场上一台云梯高为53米消防车售价接近1000万人民币，云梯高达101米的消防车每台售价超过2000万，这导致国内仅有很少数城市的消防部门具备采购此类型消防车辆的经济实力，而大多数城市的超高层建筑一旦发生火灾则会由于缺乏超高层云梯消防车导致灭火效率的急剧下降，甚至束手无策。而此类消防车之所以造价很高的一个最主要原因是消防车云梯要承载消防人员、消防水炮和消防水带进行升降，并且需要升高到百米以上。由于三者重量之和在100kg左右(其中消防人员自身重量约占其60％)，再考虑到动载荷因素，导致此类云梯必须只能采用某些质轻且高强度的特种材料制造而成，特别是需要上升达百米乃至更高的高度，使得云梯的生产制造所用料量很多，故此整体造价非常昂贵；此外，高层云梯的设计过程也相对更加复杂，综合这两个因素致使具有百米云梯的消防车成本居高不下。试想在此情况如果能够采用自重较轻的分体式机器人代替消防员，而且机器人中只有质量很轻的热成像采集单元、图像采集单元、信息检测单元、无线通信单元以及指令执行单元部署在云梯之上，机器人中质量最重的信息分析和处理单元部署在消防车驾驶室内，因此可以大大降低云梯需要升降过程中所需要承载的载荷；同时该机器人具有智能判定着火点的当前位置和蔓延趋势，并自动执行电控水炮的开闭操作。由于云梯承载的重量显著减轻，既可以大大增加云梯设计材料的可选范围，甚至可以选用成本较低材料，同时大量减少这些材料的用量；又可简化云梯的设计过程，进而显著减低超高层消防车的整体造价，使得经济欠发达的二、三线城市的消防部门拥有高达百米云梯的消防车辆成为可能，进而可以更加有效地保障人民生命财产安全。

发明内容

为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种分体式超高层全自动灭火机器人及其控制方法，提高控制的可靠性和准确性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种分体式超高层全自动灭火机器人，所述的机器人采用分体式结构设计，包括置于消防云梯顶端的热成像单元、图像采集单元、信息检测单元、远程无线通信单元、信息分析和处理单元以及置于消防车驾驶室内的指令执行单元；所述的信息检测单元包括测距单元和测风速单元。

一种分体式超高层全自动灭火机器人的控制方法包括如下步骤：

1)通过热成像单元中的热成像相机采集火焰区域热像信息；

2)借助信息检测单元测量消防车与着火楼宇间的直线距离以及云梯顶部当前横向风速；

3)运用远程无线通信技术将所上述两种信息实时发送到驾驶室内的分析处理单元；

4)由分析处理单元运用预先建立的基于深度学习的火焰集散趋势预测模型对各时序所采集图像进行分析处理，并将图像信息通信过程时延因素考虑进去，在着火点火焰集散趋势预测模型中引入时滞因子，从而更加精确地预判出该着火点的蔓延方式，包括譬如链式、多点式、平面扇形式和空间全方位式蔓延，进而有针对性的确定具体灭火方位，最后根据消防车与着火楼宇间的距离、云梯顶部当前横向风速以及消防水炮自身参数生成水炮控制指令后通过无线通信单元将其发送给指令执行单元；

5)由指令执行单元负责控制电控高压水炮竖直方向和水平方向的转动角度和开闭操作；

6)由图像采集单元中的CCD相机采集水炮喷射到着火点区域的图像信息并借助无线通信单元将其发送到分析处理单元；

7)由分析处理单元中的位置参数修正模型判断水炮实际喷射水柱与预定喷射水柱间是否存在偏差，如果存在则由位置参数修正模型生成水炮位置参数修正指令并借助无线通信单元发送给指令执行单元；

8)由指令执行单元执行修正指令直至水炮喷射水柱精确落于着火点为止，从而实现消防水炮的闭环控制；

9)循环执行上述的(1)～(8)这八个环节直至该着火点灭火过程结束，进而实现整个灭火过程的全程自动化控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用智能分体式机器人分布式结构设计，在实现消防水炮有效灭火控制的前提下显著降低云梯载荷。本发明中分体式结构思想运用到灭火机器人中，将组成机器人的热成像单元、图像采集单元、信息检测单元、远程无线通信单元、信息分析和处理单元以及指令执行单元分别置于消防云梯顶端和消防车驾驶室内，仅将必要的单元置于消防云梯的顶端，从而进一步降低了云梯需要承受的载荷；

2)建立带有图像采集时序因子和图像传输时延因子的火焰集散趋势的深度学习预测模型，由其确定着火点的蔓延方式(譬如线式、多点式、扇形区域式和全方位式蔓延)，防止因图像传输和信息处理引发信息滞后而出现消防水炮水柱覆盖区域与火焰蔓延区域不同步的问题。因为图像在采集、压缩、发送、接收以及后续的接收处理过程最大耗时将近十秒，导致控制指令的产生在一定程度上会滞后于着火点实际蔓延状况，因此在构建以着火点图像为输入和以着火点蔓延方式为输出节点构建基于卷积神经网络(以下简称CNN)着火点图像处理预测模型时，将图像传输过程中存在的时延因子引入到预测模型中，同时将按照时序采集的图像输入到循环神经网络中，由其产生时序因子输入到预测模型中，最后根据预先采集的着火点图像训练样本形成CNN网络参数，构成了着火点图像与其后续蔓延方式间的映射关系，从而为消防水炮运动控制指令的生成提供重要依据；

3)消除距离和风速对消防水炮喷射角度的影响，准确确定消防水炮的喷水口角度。一方面借助热成像图像采集单元所采集的着火点红外信息有效克服了烟雾干扰获取着火点正确位置，另一方面又通过信息检测单元采集的消防水炮与建筑物间水平距离和云梯顶端当前风速信息以修正消防水炮水平和竖直方位角的角度，从而有助于消防水炮所喷射水柱准确落于着火点位置；

4)消防水炮控制过程的闭环处理。消防水炮喷射水柱之后，由图像采集单元采集其灭火图像并将其发送给信息分析和处理单元，由其确认指令执行单元是否按照控制指令内容进行相应的操作，并且在指令执行单元未正确执行指令时向指令执行单元发送纠正控制指令直至其正确执行指令为止，从而实现对消防水炮移动的闭环控制；

5)整个灭火过程的全程自动化处理。在消防水炮借助热成像单元获取控制指令喷水水柱之后，由热成像单元继续采集着火点红外图像并将其发送给信息分析和处理单元，由其确认实际灭火进程与预测灭火进程间的差异状况，并由此生成下一步控制指令发送给指令执行单元，由此控制消防水炮执行相应的角度调整以及开闭等操作，该过程一直往复执行直至灭火过程的终止，从而实现了灭火过程的全程自动化处理；

6)显著降低超高层消防车云梯的设计和制作成本。由于将组成灭火机器人的热成像单元、图像采集单元、信息检测单元、远程无线通信单元和指令执行单元置于消防云梯顶端就可以实现消防水炮的运动和开闭控制，替代了原有的消防人员对消防水炮的控制，从而大大降低了云梯需要承受的载荷，可以显著地简化云梯设计、拓宽云梯制作材料选择范围以及减少云梯制作材料用量，进而在很大程度上降低了超高层消防云梯的设计和制作成本，使得欠发达城市拥有超高层消防云梯的灭火车辆成为可能。

附图说明

图1为本发明的系统总体结构图；

图2为本发明的采集单元组件横截面图。

1-水炮 2-采集单元组件(包括CCD相机、热成像相机、测距单元) 3-转动固定卡箍4-转动控制机械单元 5-线束(电源线与数据线) 6-CCD相机 7-热成像相机 8-测距单元。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

一种分体式超高层全自动灭火机器人，如图1-2所示，所述的机器人采用分体式结构设计，包括置于消防云梯顶端的热成像单元7、图像采集单元6、信息检测单元、远程无线通信单元、信息分析和处理单元以及置于消防车驾驶室内的指令执行单元；所述的信息检测单元包括测距单元8和测风速单元。

分体式超高层全自动灭火机器人实现了图像采集(包括CCD图像和红外图像)、距离和风速检测、无线通信、分析处理和指令执行的全程自动化处理，其中热成像单元7、图像采集单元6、测距单元8和消防水炮1间通过机械装置将四者间位置关系固定，从而当指令执行单元控制消防水炮1转动时热成像单元7和图像采集单元6同步转动，使热成像单元7和图像采集单元6所采集的图像真实反映了消防水炮1的实时灭火状态；同时借助测距单元8测量消防水炮1与着火建筑物间的水平距离以便对消防水炮1的竖直方向仰角进行更加精确的确定，并使用风速测量单元测量当前云梯顶部的横向风速，修正消防水炮1的水平转动角度，从而克服横向风速对消防水炮1喷射水柱的影响，使所喷射水柱准确落于着火点，进而实现对消防水炮灭火全过程的闭环智能控制，显著地提高了灭火效率。此外，由于采用了分体式结构，在云梯顶端处仅安装信息采集和指令执行单元，将机器人质量最重的部分转移到驾驶室内，因此可以明显降低云梯升降过程中所需承受的重量，故此可以大大降低现有超高层消防车云梯的设计成本和材料成本，因装置整体重量约重6kg，仅为云梯所需承载的消防员体重的十分之一左右(消防员体重按照60kg计算)，即便考虑到水带中水重量不变的因素，由消防车云梯升降运动过程与动力学理论综合分析结果可知，采用分体式机器人的消防车，其云梯材料所需承重仅为现有承重的50％左右，因此可以大幅缩减云梯的设计成本和材料成本，显著降低超高层消防车的整体造价，从而可以有效促进此类消防车的生产和普及，进而更好地为高层楼宇居民提供安全生活保障。

一种分体式超高层全自动灭火机器人的控制方法，包括如下步骤：

1)通过热成像单元中的热成像相机7采集火焰区域热像信息；

2)借助信息检测单元测量消防车与着火楼宇间的直线距离以及云梯顶部当前横向风速；

3)运用远程无线通信技术将所上述两种信息实时发送到驾驶室内的分析处理单元；

4)由分析处理单元运用预先建立的基于深度学习的火焰集散趋势预测模型对各时序所采集图像进行分析处理，并将图像信息通信过程时延因素考虑进去，在着火点火焰集散趋势预测模型中引入时滞因子，从而更加精确地预判出该着火点的蔓延方式，包括譬如链式、多点式、平面扇形式和空间全方位式蔓延，进而有针对性的确定具体灭火方位，最后根据消防车与着火楼宇间的距离、云梯顶部当前横向风速以及消防水炮1自身参数生成水炮控制指令后通过无线通信单元将其发送给指令执行单元；

5)由指令执行单元负责控制电控高压水炮1竖直方向和水平方向的转动角度和开闭操作；

6)由图像采集单元中的CCD相机6采集水炮1喷射到着火点区域的图像信息并借助无线通信单元将其发送到分析处理单元；

7)由分析处理单元中的位置参数修正模型判断水炮1实际喷射水柱与预定喷射水柱间是否存在偏差，如果存在则由位置参数修正模型生成水炮1位置参数修正指令并借助无线通信单元发送给指令执行单元；

8)由指令执行单元执行修正指令直至水炮喷射水柱精确落于着火点为止，从而实现消防水炮1的闭环控制；

9)循环执行上述的(1)～(8)这八个环节直至该着火点灭火过程结束，进而实现整个灭火过程的全程自动化控制。

所述机器人由热成像单元7采集着火点的红外图像信息，克服烟雾干扰正确捕捉着火点位置；由图像采集单元6自动进行聚焦着火建筑以及动态采集水炮灭火状态图像，由此判断水炮1控制指令的执行状态，形成闭环控制；由信息检测单元负责采集水炮与建筑物间距离和水炮处当前风速信息后，借助远程无线通信单元将上述两种信息发送到驾驶室内的信息分析与处理单元，并形成消防水炮1转动角度的运动控制参数；由机器人的信息分析和处理单元对接收图像进行无损解压后使用基于深度学习模型对其进行视觉理解，同时为了确保预测分析模型的精度，在模型中引入各时序烟火图像传输过程中的通信时延因子，由此综合确定着火点的蔓延方式(譬如线式、多点式、扇形区域式和全方位式蔓延)，再综合考虑由信息检测单元生成的消防水炮1运动控制参数及其喷射参数，最终生成电控水炮1的控制指令；由远程无线通信单元将该指令发送给指令执行单元，通过指令执行单元控制电控水炮1进行水平和竖直方向的转动以及水炮1的开关操作。其中，当信息分析和处理单元向指令执行单元发送控制指令后，会在后续所接收的图像信息中自动判定消防水炮1喷射水柱是否到达指定位置，若存在偏差，则采用网格矢量法确定两者间相对偏差，并由此修正水炮1的控制参数，并再次生成控制指令向指令执行单元进行发送，此调整过程直至水炮1与预先设定的位置一致时停止，从而实现了消防水炮1位置的闭环自动控制，进而提高控制的可靠性和准确性。

由于分体式超高层全自动灭火机器人替代了消防员的人工操作，并且在云梯顶端仅布置了热成像采集7、图像采集6、距离8和风速检测、指令执行、无线通信单元和供电单元，这些单元重量仅占全套机器人自身总重量的20％(≤6kg)，而占机器人总重量80％的信息分析和处理单元则部署在驾驶室内，从而进一步降低了对云梯的负重要求。由于云梯负重程度是导致百米及百米以上云梯结构设计复杂度以及制作材料强度的最主要影响因素，因此其负重程度的明显减少必然降低对云梯结构和材料强度的要求，在缩减云梯设计成本的同时扩大制造材料的可选择范围，故此可以从设计成本和材料成本两个方面促进云梯成本的整体显著下降，从而导致具有此类云梯的消防车辆被快速推广应用到一些经济欠发达的城市和地区。

分体式超高层全自动灭火机器人实现了两种不同类型的图像采集及图像的压缩处理、距离和风速的信息采集、无线信息发送和接收、图像无损解压及智能分析处理、水炮1运动控制指令的生成与反向发送、水炮1水平位置和竖直位置的调整以及控制指令执行情况监管等各项操作的全程自动化，具有智适应程度好、指令执行快、灭火效率高和制造成本低等特点，它的有效普及可以为消防部门在超高层建筑火灾灭火方面提供强有力的技术手段。

下表给出了高层消防车消防水炮1控制系统的各项技术指标。

根据给出的技术指标进行具体的开发设计。具体可以分为：

(1)、设计实现无线通信模块的发送与接收的功能，包括数据和图像；

(2)、设计实现火焰红外图像的采集功能；

(3)、设计实现对火灾图像的分析和处理功能；

(4)、设计实现消防车辆消防水炮1与热成像相机6及CCD相机7间同步移动功能；

(5)、设计实现根据所采集的热成像图像和CCD图像调整消防水炮1的左、右和上、下偏转角度的控制指令功能；

(6)、设计实现将控制指令发送到云梯前端消防水炮1控制模块，并由其控制高压消防水炮1的平转和上下转动角度；

(7)、设计实现消防水炮1远程自动打开和关闭的功能。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (2)

1.一种分体式超高层全自动灭火机器人，其特征在于，所述的机器人采用分体式结构设计，包括置于消防云梯顶端的热成像单元、图像采集单元、信息检测单元、远程无线通信单元、信息分析和处理单元以及置于消防车驾驶室内的指令执行单元；所述的信息检测单元包括测距单元和测风速单元。

2.权利要求1所述的一种分体式超高层全自动灭火机器人的控制方法，其特征在于，所述的控制方法包括如下步骤：

1)通过热成像单元中的热成像相机采集火焰区域热像信息；

2)借助信息检测单元测量消防车与着火楼宇间的直线距离以及云梯顶部当前横向风速；

3)运用远程无线通信技术将所上述两种信息实时发送到驾驶室内的分析处理单元；

4)由分析处理单元运用预先建立的基于深度学习的火焰集散趋势预测模型对各时序所采集图像进行分析处理，并将图像信息通信过程时延因素考虑进去，在着火点火焰集散趋势预测模型中引入时滞因子，从而更加精确地预判出该着火点的蔓延方式，包括譬如链式、多点式、平面扇形式和空间全方位式蔓延，进而有针对性的确定具体灭火方位，最后根据消防车与着火楼宇间的距离、云梯顶部当前横向风速以及消防水炮自身参数生成水炮控制指令后通过无线通信单元将其发送给指令执行单元；

5)由指令执行单元负责控制电控高压水炮竖直方向和水平方向的转动角度和开闭操作；

6)由图像采集单元中的CCD相机采集水炮喷射到着火点区域的图像信息并借助无线通信单元将其发送到分析处理单元；

7)由分析处理单元中的位置参数修正模型判断水炮实际喷射水柱与预定喷射水柱间是否存在偏差，如果存在则由位置参数修正模型生成水炮位置参数修正指令并借助无线通信单元发送给指令执行单元；

8)由指令执行单元执行修正指令直至水炮喷射水柱精确落于着火点为止，从而实现消防水炮的闭环控制；

9)循环执行上述的(1)～(8)这八个环节直至该着火点灭火过程结束，进而实现整个灭火过程的全程自动化控制。