CN110180114A

CN110180114A - 消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法

Info

Publication number: CN110180114A
Application number: CN201910485632.4A
Authority: CN
Inventors: 鲍明松; 郭亭亭
Original assignee: Shandong Arturo Robot Technology Co Ltd; Shandong Guoxing Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: Shandong Arturo Robot Technology Co Ltd; Shandong Guoxing Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2019-08-30
Anticipated expiration: 2039-06-05
Also published as: CN110180114B

Abstract

本发明涉及一种消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法，采用定位法对多消防机器人实时定位，从而快速获取各机器人相对控制台的位置，便于对机器人反推空间定位、控制和管理；采用侦察机器人和灭火机器人配合作业，通过侦察机器人在前方获取火源等兴趣点的空间位置，而后进行空间坐标变换实现灭火机器人精准定点灭火，在识别火源等目标点时不受水炮水流等障碍物影响。本发明中的机器人定位、侦察和灭火方法不受任何室内或室外环境影响，应用范围更广，通过实时快速定位、侦察和灭火，实现对灾害现场火源等危险源的全自动识别、定位和灭火机器人自动瞄准功能，从而提高现场处置速度，提高危险源处置效率，降低人员损伤和财产损失。

Description

消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法

技术领域

本发明属于消防机器人领域，具体涉及一种消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法。

背景技术

当前，每年火灾、化学危险品和放射性物质等泄露及燃烧、爆炸、坍塌事故，给人民群众的生命安全和财产造成巨大损失。消防机器人技术应运而生，作为特种机器人的一种，在灭火和抢险救援中愈加发挥举足轻重的作用。消防机器人作为一种消防装备，可替代消防人员进入高温、易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场进行灭火、洗消、排烟、照明、侦查以及数据采集、处理、反馈等，可有效解决消防人员在上述场所面临的人身安全、数据信息采集不足等问题。现场指挥人员可以利用其进行先期压制，并根据其反馈结果，及时对灾情做出科学判断，从而对灾害事故现场工作做出正确、合理地决策。

目前携带消防水炮的机器人绝大多数需依赖后方消防人员采用操作控制台对机器人的水炮三维角度进行调整，从而控制水炮打水的抛物线落在着火点上。但现场环境恶劣，浓烟密布，消防人员由于自身视野或环境影响，极可能出现无法瞄准的问题；即使消防人员发现并定位着火点，需遥控消防水炮进行打水定位，这中间需要较长的调试和定位耗时，对危及的恶劣环境和抢险现场来说非常不利。故如何实现在现场高危环境下对火源的快速寻找并定位是决定能否降低灾害现场人员伤亡和财产损失的关键。

当前针对灾害现场进行灭火的机器人对火源寻找或定位的方案主要分为两类：

1)无人机高空协助检测法

该方式下，消防机器人工作前需将无人机飞至火焰上空测定高度，后将无人机自身GPS 位置信息发送至消防机器人，从而确定无人机下火焰相对机器人空间位置关系，进而喷射灭火。典型的有专利号为201721688135.7的发明专利公布的“基于无人机和智能消防机器人的精确灭火系统”。

对于无人机高空协助检测法，存在如下主要问题：①无人机需飞至火焰上方，实际中这对设备危害性极大；②无人机的定位精度取决于GPS定位精度，传统GPS精度无法满足需求，而差分GPS价格较贵导致系统成本过高；③当室内着火时，GPS定位系统无法工作，该方法失效。

2)机器人本体双目视觉定位法

通过在消防机器人上安装双目视觉设备，实现对火焰空间位置的检测，从而控制水炮进行定点灭火。典型的有专利号为201520997745.X的专利公布的智能消防机器人。还有采用热成像仪在火源不同位置检测到的夹角，间接计算火源位置，例如申请号为201610089608.5的专利公布的“火灾现场火源定位方法、定位系统及消防机器人”等。

对于机器人本体上安装双目视觉设备的方案，由于消防机器人本体高度较低，当发射水柱时，对前方视线遮挡容易导致双目视觉定位失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法，解决恶劣灾害现场下火源等危险源的识别和定位困难问题，实现对灾害现场火源等危险源的全自动识别、定位和灭火机器人自动瞄准功能，从而提高现场处置速度，提高危险源处置效率，降低人员损伤和财产损失。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法，包括消防机器人协同定位方法以及消防机器人协同侦察和灭火方法；所述消防机器人包括相互无线连接的控制台、M台灭火机器人和N台侦察机器人，其中M≥1，N≥1， M+N≥3；所述侦察机器人布置在前方，灭火机器人布置在中间，控制台布置在后方任意位置。

具体的，所述消防机器人协同定位方法包括以下步骤：

①系统布置完毕后，控制台首先通过主通讯模块发送定位指令，灭火机器人中的从通讯模块、侦察机器人中的次通讯模块接收到指令后进行解析并各自控制灭火机器人中的定位标签和侦察机器人中的基站天线进行参数设定并就位；

②控制台通过主定位基站发射信号，各标签天线和从定位基站进行回应并计算从主定位基站到达各标签天线和从定位基站之间的耗时，测定出灭火机器人中标签天线距离控制台中主定位基站距离、灭火机器人中标签天线距离各侦察机器人中从定位基站的距离；

③控制台将获得的距离信息通过三边作圆法进行位置计算，从而确定出M台灭火机器人、N台侦察机器人相对控制台的位置信息。

上述步骤③中三边作圆法步骤如下：

记测得的第一侦察机器人到灭火机器的距离为L1，第二侦察机器人到灭火机器人的距离为L2，控制台距离灭火机器人的距离为L3，然后分别以第一侦察机器人、第二侦察机器人和控制台为圆心，以距离L1、L2、L3为半径作圆，交于一点为灭火机器人的位置；

假设灭火机器人的位置坐标为(X，Y)，第一侦察机器人、第二侦察机器人和控制台的坐标分别为(X_a，Y_a)、(X_b，Y_b)、(X_c，Y_c)，故有如下关系：

由此求得灭火机器人的位置坐标为：

当M>2时，通过上述方法同时对第1-M台的灭火机器人进行定位；

当N>2时，根据测距的冗余参数进行对各消防灭火机器人定位。

具体的，所述消防机器人协同侦察和灭火方法包括以下步骤：

①系统布置完毕后，控制台首先通过主通讯模块发送定位指令后，通过定位标签、从定位基站和主定位基站的定位算法实时计算出灭火机器人所在的定位标签相对侦察机器人中各从定位基站和控制台中主定位基站的相对位置；

②控制台发出对兴趣目标点火源侦察指令，侦察机器人通过次通讯模块接受指令后控制双目摄像机进行对目标点三维空间计算，从而获得火源兴趣点相对侦察机器人的空间三维位置并返回至控制台；

③控制台推算出火源兴趣点相对灭火机器人的空间位置关系；

④根据火源兴趣点相对灭火机器人的空间关系，控制台实时计算水流压力等参数、实时计算出水炮喷射的抛物线轨迹，使水流喷射至火源兴趣点上；然后将计算的水炮喷射角度参数发送至灭火机器人中；

⑤灭火机器人收到指令后，通过灭火机器人控制系统控制消防水炮进行角度参数调整，实现定点喷射灭火。

进一步的，所述步骤②中，当N≥2时，根据多台侦察机器人通过双目摄像机对目标点进行侦察，实现数据冗余计算，提高计算精度。

具体的，所述步骤③中，控制台根据火源兴趣点相对侦察机器人的空间三维位置信息，侦察机器人、灭火机器人和控制台间的相对空间位置进行叠加并反推，推算出火源兴趣点相对灭火机器人的空间位置关系。

具体的，所述任意一台灭火机器人的消防灭火工作方法如下：主通讯模块通过主通讯天线将包含待喷射兴趣目标点的控制指令发送，各灭火机器人中的从通讯模块通过从通讯天线接受指令后解析、决策，然后各灭火机器人到达各指定位置，控制消防水炮进行定点灭火。

具体的，所述任意一台侦察机器人的侦察工作方法如下：主通讯模块通过主通讯天线将包含待侦察兴趣目标点的控制指令发送，各侦察机器人中的次通讯模块通过次通讯天线接受指令后解析、决策，然后到达指定位置，侦察机器人控制系统控制侦察传感器群进行定点侦察。

具体的，所述任意一台侦察机器人的双目定位工作方法如下：主通讯模块通过主通讯天线将包含待侦察兴趣目标点的控制指令发送，各侦察机器人中的次通讯模块通过次通讯天线接受指令后解析、决策，然后到达指定位置，侦察机器人控制系统控制双目摄像机对目标兴趣点进行三维视觉定位，计算XYZ坐标值后通过次通讯模块返回至主通讯模块。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明采用定位法，可实现对多消防机器人实时定位，从而快速获取各机器人相对控制台的位置，便于对机器人反推空间定位、控制和管理；

2)采用侦察机器人和灭火机器人配合作业，通过侦察机器人在前方获取火源等兴趣点的空间位置，而后进行空间坐标变换实现灭火机器人精准定点灭火，在识别火源等目标点时不受水炮水流等障碍物影响；

3)本发明中的机器人定位、侦察和灭火方法不受任何室内或室外环境影响，应用范围更广，通过实时快速定位、侦察和灭火，实现对灾害现场火源等危险源的全自动识别、定位和灭火机器人自动瞄准功能，从而提高现场处置速度，提高危险源处置效率，降低人员损伤和财产损失。

附图说明

图1是本发明消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法中各机器人的一种布局图。

图2是本发明中机器人相对控制关系三边测量定位法示意图。

图3是本发明消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法中各机器人的立体结构示意图。

图4是本发明中灭火机器人的主视结构示意图。

图5是本发明中灭火机器人去掉部分外壳体后的立体结构示意图。

图6是本发明中侦察机器人的主视结构示意图。

图7是本发明中侦察机器人去掉部分外壳体后的主视结构示意图。

图8是本发明中控制台主视结构示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

如图1、3所示，消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火系统，包括灭火机器人1、侦察机器人2和控制台3，灭火机器人1、侦察机器人2均由控制台3控制，灭火机器人1、侦察机器人2、控制台3之间相互无线连接。

灭火机器人1数量为M台，其中M≥1，包括第一灭火机器人1-1、第二灭火机器人 1-2、……、第M灭火机器人1-M；侦察机器人2数量为N台，N≥1，包括第一侦察机器人 2-1、第二侦察机器人2-2、……、第N侦察机器人2-N；且灭火机器人数量M、侦察机器人数量N满足约束条件：M+N≥3。

如图4、5所示，每台灭火机器人1包括灭火机器人移动平台11、消防水炮12、定位标签13、灭火机器人控制系统14、标签天线15、从通讯模块16、从通讯天线17，灭火机器人移动平台11、消防水炮12、定位标签13、标签天线15、从通讯模块16、从通讯天线17均与灭火机器人控制系统14连接。

灭火机器人移动平台11为履带式移动平台、轮式移动平台、轮履复合移动平台中的一种。驱动前进、后退和转弯等运动功能，可带动并控制其上部的消防水炮等进行三维喷射角度调整。

消防水炮12设置于灭火机器人移动平台11的上部，消防水炮12与后方消防管路连接进行灭火，消防水炮12还能进行水平、垂向角度调整，进行喷水、喷雾喷射形式变换。消防水炮12的详细结构可参见申请号为201811138551.9的一种全地形消防机器人及工作方法中消防水炮系统200的结构。

定位标签13为通讯模块，定位标签13设置于灭火机器人移动平台11的内部，定位标签 13与标签天线15连接，定位标签13通过标签天线15与侦察机器人中的从定位基站24进行信号传输和通讯。定位标签13可通过测定其自身标签天线15与从定位基站24中基站天线 26通讯时间计算中间的距离，相同的还可计算自身与主定位基站32中控制台天线34间的距离。

灭火机器人控制系统14主要实现对灭火机器人的通讯控制、驱动控制和决策等功能，设置于灭火机器人移动平台11的内部。

标签天线15设置于灭火机器人移动平台11外部的壳体上，配合定位标签13实现通讯功能。

从通讯模块16设置于灭火机器人移动平台11的内部，从通讯天线17设置于灭火机器人移动平台11外部壳体上。从通讯模块16与从通讯天线17连接，从通讯模块16通过从通讯天线17与侦察机器人中的次通讯模块27、控制台3中的主通讯模块35进行通讯和信息传递。

如图6、7所示，每台侦察机器人2包括侦察机器人移动平台21以及设置于侦察机器人移动平台21上的双目摄像机22、侦察传感器群23、从定位基站24、侦察机器人控制系统25、基站天线26、次通讯模块27、次通讯天线28，侦察机器人移动平台21、双目摄像机22、侦察传感器群23、从定位基站24、基站天线26、次通讯模块27、次通讯天线28均与侦察机器人控制系统25连接。

侦察机器人移动平台21均为履带式移动平台、轮式移动平台、轮履复合移动平台中的一种，驱动前进、后退和转弯等运动功能，可带动并控制其上部的侦察系统等进行现场环境参数侦察。

双目摄像机22设置于侦察机器人移动平台21上方，可实现对侦察机器人移动平台21前方或周围目标兴趣点的空间三维定位。

侦察传感器群23设置于侦察机器人移动平台21上方，用以对灾害现场参数进行侦察并实时回传。

从定位基站24为通讯模块，设置于灭火机器人移动平台11内部，从定位基站24与基站天线26连接，从定位基站24通过基站天线26与灭火机器人中的定位标签13进行信号传输和通讯。从定位基站24可通过测定基站天线26与定位标签13的标签天线15、主定位基站32的控制台天线34的通讯时间，计算之间对应的距离。

侦察机器人控制系统25主要实现对侦察机器人的通讯控制、驱动控制和决策等功能，设置于侦察机器人移动平台21的内部。

基站天线26设置于侦察机器人移动平台21外部的壳体上，配合从定位基站24实现通讯功能。

次通讯模块27设置于灭火机器人移动平台11内部，次通讯天线28设置于侦察机器人移动平台21上方，次通讯模块27与次通讯天线28连接，次通讯模块27通过次通讯天线28与灭火机器人中的从通讯模块16、控制台3中的主通讯模块35进行通讯和信息传递。

如图8所示，控制台3包括控制台本体31以及设置于控制台本体31上的主定位基站32、显示模块33、控制台天线34、主通讯模块35和主通讯天线36。

控制台本体31为箱式或手持式操控箱，内部设置有控制器、电源和通讯模块等，外部设置有摇杆等控制组件。

主定位基站32为通讯模块，设置于控制台本体31内部，主定位基站32与控制台天线 34连接，主定位基站32通过控制台天线34与灭火机器人中的定位标签13和侦察机器人中的从定位基站24进行信号传输和通讯，主定位基站32可通过控制台天线34测定与定位标签 13、从定位基站24间的传输时间计算控制台与灭火机器人、侦察机器人间的距离。

显示模块33设置于控制台本体31壳体上，用以对机器人各本体参数和执行机构(消防水炮、侦察系统)等状态或返回的数据显示。显示模块33与主通讯模块35连接，实现对接收数据的显示。

控制台天线34设置于控制台本体31外部壳体上，和主定位基站32连接，用以实现信号转换和数据传输通讯。

主通讯模块35设置于控制台本体31内部，主通讯模块35与主通讯天线36连接，主通讯模块35通过主通讯天线36与灭火机器人中的从通讯模块16和侦察机器人中的次通讯模块 27进行通讯和数据传输。

主通讯天线36设置于控制台本体31外壳上，主通讯天线36与灭火机器人中的从通讯天线17和侦察机器人中的次通讯天线28进行信号传递，实现指令控制和数据回传。

消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法，包括消防机器人协同定位方法以及消防机器人协同侦察和灭火方法。

任意一台灭火机器人的消防灭火工作方法如下：主通讯模块35通过主通讯天线36将包含待喷射兴趣目标点的控制指令发送，各灭火机器人1中的从通讯模块16通过从通讯天线 17接受指令后解析、决策，然后各灭火机器人1到达各指定位置，控制消防水炮12进行定点灭火。

任意一台侦察机器人的侦察工作方法如下：主通讯模块35通过主通讯天线36将包含待侦察兴趣目标点的控制指令发送，各侦察机器人中的次通讯模块27通过次通讯天线28接受指令后解析、决策，然后到达指定位置，侦察机器人控制系统25控制侦察传感器群23进行定点侦察。

任意一台侦察机器人的双目定位工作方法如下：主通讯模块35通过主通讯天线36将包含待侦察兴趣目标点的控制指令发送，各侦察机器人中的次通讯模块27通过次通讯天线28 接受指令后解析、决策，然后到达指定位置，侦察机器人控制系统25控制双目摄像机22对目标兴趣点进行三维视觉定位，计算XYZ坐标值后通过次通讯模块27返回至主通讯模块35。

消防机器人协同定位方法包括以下步骤：

以M＝1、N＝2为例，机器人布局图可以为如图1所示，系统布置：第一侦察机器人2-1 布置在左前侧、第二侦察机器人2-2布置在右前侧，第一灭火机器人1-1布局在中间前侧，控制台布局在后方任意位置。

①系统布置完毕后，控制台3首先通过主通讯模块35发送定位指令，灭火机器人中的从通讯模块16、侦察机器人2中的次通讯模块27接收到指令后进行解析并各自控制灭火机器人中的定位标签13和侦察机器人2中的基站天线26进行参数设定并就位；

②控制台3通过主定位基站32发射信号，各标签天线15和从定位基站24进行回应并计算从主定位基站32到达各标签天线15和从定位基站24之间的耗时，测定出灭火机器人中标签天线15距离控制台3中主定位基站32距离、灭火机器人中标签天线15距离各侦察机器人2中从定位基站24的距离；

③控制台3将获得的距离信息通过三边作圆法进行位置计算，从而确定出M台灭火机器人、N台侦察机器人相对控制台3的位置信息。

如图2所示，三边作圆法定位方法步骤如下：

记测得的第一侦察机器人2-1到灭火机器的距离为L1，第二侦察机器人2-2到灭火机器人的距离为L2，控制台3距离灭火机器人的距离为L3，然后分别以第一侦察机器人2-1、第二侦察机器人2-2和控制台3为圆心，以距离L1、L2、L3为半径作圆，交于一点为灭火机器人1-1的位置；

由此求得灭火机器人的位置坐标为：

消防机器人协同侦察和灭火方法包括以下步骤：

①系统布置完毕后，控制台3首先通过主通讯模块35发送定位指令后，通过定位标签 13、从定位基站24和主定位基站32的定位算法实时计算出灭火机器人所在的定位标签13相对侦察机器人中各从定位基站24和控制台中主定位基站32的相对位置。

②控制台3发出对兴趣目标点火源侦察指令，侦察机器人通过次通讯模块27接受指令后控制双目摄像机22进行对目标点三维空间计算，从而获得火源兴趣点相对侦察机器人的空间三维位置并返回至控制台3；当N≥2时，根据多台侦察机器人通过双目摄像机22对目标点进行侦察，实现数据冗余计算，提高计算精度。

③控制台3根据火源兴趣点相对侦察机器人2的空间三维位置信息，侦察机器人2、灭火机器人1和控制台3间的相对空间位置进行叠加并反推，推算出火源兴趣点相对灭火机器人1的空间位置关系。

④根据火源兴趣点相对灭火机器人1的空间关系，控制台3实时计算水流压力等参数、实时计算出水炮喷射的抛物线轨迹，使水流喷射至火源兴趣点上；然后将计算的水炮喷射角度参数发送至灭火机器人1中。

⑤灭火机器人1收到指令后，通过灭火机器人控制系统14控制消防水炮12进行角度参数调整，实现定点喷射灭火。当M≥2时，可实现多台灭火机器人对火源等兴趣点的协同喷射灭火。

更进一步的，在上述系统协同侦察和灭火时，灭火机器人和侦察机器人的相关任务执行可在运动状态下进行，上述过程变为通讯、控制、决策等的实时工作。

本发明中未详细公开的结构，如灭火机器人1、侦察机器人2的必要的其他结构，均为现有技术，可参照申请人在本发明的申请日之前提出的专利申请中的机器人结构。

本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims

1.消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法，其特征在于，包括消防机器人协同定位方法以及消防机器人协同侦察和灭火方法；所述消防机器人包括相互无线连接的控制台、M台灭火机器人和N台侦察机器人，其中M≥1，N≥1，M+N≥3；

消防机器人协同定位方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法，其特征在于，所述消防机器人协同侦察和灭火方法包括以下步骤：

3.如权利要求1所述的消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法，其特征在于，所述步骤③中三边作圆法步骤如下：

由此求得灭火机器人的位置坐标为：

4.如权利要求1所述的消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法，其特征在于，所述侦察机器人布置在前方，灭火机器人布置在中间，控制台布置在后方任意位置。

5.如权利要求2所述的消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法，其特征在于，所述步骤②中，当N≥2时，根据多台侦察机器人通过双目摄像机对目标点进行侦察，实现数据冗余计算，提高计算精度。

6.如权利要求2所述的消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法，其特征在于，所述步骤③中，控制台根据火源兴趣点相对侦察机器人的空间三维位置信息，侦察机器人、灭火机器人和控制台间的相对空间位置进行叠加并反推，推算出火源兴趣点相对灭火机器人的空间位置关系。

7.如权利要求1-6任一所述的消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法，其特征在于，所述任意一台灭火机器人的消防灭火工作方法如下：主通讯模块通过主通讯天线将包含待喷射兴趣目标点的控制指令发送，各灭火机器人中的从通讯模块通过从通讯天线接受指令后解析、决策，然后各灭火机器人到达各指定位置，控制消防水炮进行定点灭火。

8.如权利要求1-6任一所述的消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法，其特征在于，所述任意一台侦察机器人的侦察工作方法如下：主通讯模块通过主通讯天线将包含待侦察兴趣目标点的控制指令发送，各侦察机器人中的次通讯模块通过次通讯天线接受指令后解析、决策，然后到达指定位置，侦察机器人控制系统控制侦察传感器群进行定点侦察。

9.如权利要求1-6任一所述的消防机器人协同定位、侦察、火源识别与瞄准灭火方法，其特征在于，所述任意一台侦察机器人的双目定位工作方法如下：主通讯模块通过主通讯天线将包含待侦察兴趣目标点的控制指令发送，各侦察机器人中的次通讯模块通过次通讯天线接受指令后解析、决策，然后到达指定位置，侦察机器人控制系统控制双目摄像机对目标兴趣点进行三维视觉定位，计算XYZ坐标值后通过次通讯模块返回至主通讯模块。