CN111617414A - 用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人包括；车体，所述车体用于对安装于车体两侧的悬挂组件以及安装于车体上部的各组件进行连接支撑；悬挂组件，用于驱动车体移动；安装于车体上的消防灭火组件、侦察组件、降温组件、传感照明组件、控制模块、通讯模块。采用防爆激光雷达和避障传感器组合，实现对现场的环境建模、运动避障和路径规划，配合热成像仪实现对火源的自动追踪，利用消防灭火组件完成全自主智能侦察和灭火，提高了现场对灾害的处理效率和智能化程度。且不需要人工近距离操控，提高消防灭火的安全性。

Description

用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人及工作方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人及工作方法。

背景技术

消防机器人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。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。

目前国内外投入使用的消防机器人一般由带动力的全地形底盘作为行驶与载重基体，在其之上装载灭火设备、洗消设备、排烟设备、照明设备、侦查设备等进行各种特种救援作业，以及装载数据采集、处理、反馈设备进行现场数据反馈，所有设备的控制及传输均通过无线传输进行，消防机器人的应用显著提高了处理恶性事故的能力并大大减少了人员的伤亡。

例如申请号为CN201821656812.1的专利公开了适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人，包括机器人本体和远程控制终端，使用机器人本体和远程控制终端实现无线通信，最终实现消防官兵在远距离外进行消防侦查和灭火工作。

申请号为CN201721504560.6的专利公开了一种消防排烟灭火机器人控制系统，机器人本体采用柴油内燃机作为动力源，机器人本体控制箱通过无线方式接收远程控制箱发出的控制命令来控制机器人的各种动作，接收各种传感器信号传送至远程控制箱显示，实时监控设备运行状态。

火灾现场的环境和地形都比较复杂，需越过或躲避较多地面甚至空中的障碍物，目前现有的机器人多采用半自动化的无线遥控方式，需要人工通过控制台在距离百米外，并通过配合前端摄像机或避障传感器对机器人车体前方障碍物进行观测并操纵机器人，当前方出现浓雾时，该方法极易因机器人碰撞至前端障碍物造成机器人损伤。另外，由于需要近距离人工遥控，当机器人面临爆炸性或有毒气体环境时会威胁到操作人员，采用半自动化人工遥控的灭火机器人方案并不适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人及其工作方法，采用防爆激光雷达和避障传感器组合，实现对现场的环境建模、运动避障和路径规划，配合热成像仪实现对火源的自动追踪，配合消防水炮完成全自主智能侦察和灭火。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人包括：

车体，所述车体用于对安装于车体两侧的悬挂组件以及安装于车体上部的各组件进行连接支撑；

悬挂组件，用于驱动车体移动；

安装于车体上的消防灭火组件、侦察组件、降温组件、传感照明组件以及安装于车体内部的控制模块、通讯模块。

具体地，所述悬挂组件包括轮系组件、驱动组件、支撑侧板和履带，所述轮系组件用于导向和承托履带；所述驱动组件与履带啮合连接；所述支撑侧板是悬挂组件的主体，支撑侧板通过软连接与轮系组件连接，支撑侧板还与车体连接，用于支撑车体并承受转向扭矩。

具体地，所述消防灭火组件包括消防水炮、摄像头，所述消防水炮通过连接件与车体连接，能够实现回转和俯仰调整，所述摄像头固定于消防水炮的外周上，能随消防水炮移动。

具体地，所述侦察组件包括二维云台、摄像机、热成像仪、气体传感器和温湿度传感器，所述二维云台固定于车体上方，所述摄像机和热成像仪均固定于二维云台上，通过二维云台实现360°回转和俯仰观测，所述气体传感器和温湿度传感器均固定于车体上。

具体地，所述降温组件通过连接接头固定于消防水炮的炮管上，用于整个设备的降温。

具体地，所述传感照明组件包括避障传感器、防爆大灯、防爆激光雷达，避障传感器用于通过激光扫描前端障碍物并反馈，实现避障；防爆大灯用于对能见度较低的环境实施照明；防爆激光雷达用于通过激光扫描周围环境，实现绘图，通过算法规划路线，实现自主巡航；

具体地，所述控制模块与消防灭火组件、侦察组件、降温组件、传感照明组件、通讯模块连接，用于实现对机器人的信息融合、指令解析和编码、运动控制和作业；所述通讯模块用于实现机器人接收外部指令和发送侦察组件采集的参数。

本发明的一些实施方式中，所述驱动组件由驱动轮、传动部件和固定部件组成，驱动组件通过固定部件与车体连接，传动部件与驱动轮连接，驱动轮与履带啮合连接。

进一步地，所述驱动组件与车体连接处设有密封圈，防护等级IP67，驱动组件与车体形成防爆结合面，长度和间隙满足二类防爆要求。

本发明的一些实施方式中，所述履带为插齿履带，包覆于轮系组件外部，履带通过驱动组件传递的扭矩带动车体移动。

本发明的一些实施方式中，所述避障传感器、防爆大灯、防爆激光雷达均固定于车体的前端。

上述用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人的工作方法包括以下步骤：

1)机器人移动：工作人员发出指令，机器人利用通讯模块接收指令后传输至控制模块，机器人中的控制模块控制驱动组件驱动履带移动，带动机器人进入待作业指定地点；

2)机器人位置环境建模地图构建：机器人在移动过程中，控制模块控制激光雷达工作，对机器人前方环境扫描搜索并构建区域地图，确定自身处于地图中的位置；同时，机器人还将记忆自身的移动路线；

3)机器人避障：机器人在移动过程中，控制模块控制避障传感器工作，实现对车体前方障碍物的判别；当遇到障碍物时，机器人停止前移并配合建模的地图进行避让，并在地图中进行标记，为返程或其它机器人进入现场提供指导；

4)机器人自主侦察：机器人在移动或静止过程中，控制模块控制气体传感器和温湿度传感器工作，实现对现场环境气体、温湿度参数的采集；同时，控制模块还配合控制二维云台带动摄像机、热成像仪，对机器人周围现场环境图像、视频侦察，采集和侦察的现场环境参数、图像和视频通过通讯模块上传供工作人员分析和决策。

5)机器人自主灭火：控制模块控制二维云台进行角度调整，带动热成像仪对环境扫描，当检测到火源位置时，控制模块控制消防水炮进行角度调整，实现灭火；在此过程中，控制模块可控制摄像头工作，实现对灭火时水流的喷射情况观测，观测的图像视频同样经通讯模块上传供工作人员进行位置微调；

6)机器人自降温：机器人进入火灾高温场所侦察和灭火时，降温组件开启，实现水流和雾气喷洒，降低自身温度，保护上装组件和内部元器件；

7)机器人照明：当现场光照不足时，防爆大灯开启实现补光。

本发明具有以下有益效果：本发明的全自主消防灭火侦察机器人采用防爆激光雷达和避障传感器组合，实现对现场的环境建模、运动避障和路径规划，配合热成像仪实现对火源的自动追踪，利用消防灭火组件完成全自主智能侦察和灭火，提高了现场对灾害的处理效率和智能化程度。且不需要人工近距离操控，提高消防灭火的安全性。

附图说明

图1是本发明全自主消防灭火侦察机器人立体结构示意图。

图2是本发明全自主消防灭火侦察机器人主视结构示意图。

图3是本发明全自主消防灭火侦察机器人左视结构示意图。

图4是本发明全自主消防灭火侦察机器人右视结构示意图。

图5是本发明全自主消防灭火侦察机器人俯视结构示意图。

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1-5所示，用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人包括：车体1，所述车体1用于对安装于车体1两侧的悬挂组件2以及安装于车体1上部的各组件进行连接支撑，车体1可以为方形车体；悬挂组件2，用于驱动车体1移动；安装于车体1上的消防灭火组件3、侦察组件4、降温组件5、传感照明组件6以及安装于车体1内部的控制模块和通讯模块，控制模块和通讯模块在说明书附图中未示出。所述控制模块与消防灭火组件3、侦察组件4、降温组件5、传感照明组件6、通讯模块连接，用于实现对机器人的信息融合、指令解析和编码、运动控制和作业；所述通讯模块用于实现机器人接收外部指令和发送侦察组件4采集的参数。

所述悬挂组件2包括轮系组件2-1、驱动组件2-2、支撑侧板2-3和履带2-4，如图2所示。

所述轮系组件2-1外覆履带2-4，对履带2-4起导向和承托作用；轮系组件2-1通过软连接与支撑侧板2-3连接，对整个车体1起支撑和减震作用。

所述驱动组件2-2由驱动轮、传动部件和固定部件组成，驱动轮、传动部件和固定部件在图中未示出，驱动组件2-2通过固定部件与车体1连接，驱动组件2-2与车体1连接处设有密封圈，防护等级IP67，驱动组件2-2与车体1形成防爆结合面，长度和间隙满足二类防爆要求。传动部件与驱动轮连接，通过传动部件将动力传于驱动轮，驱动轮与履带2-4啮合连接从而带动整车移动。

所述支撑侧板2-3是悬挂组件2的主体，支撑侧板2-3通过软连接与轮系组件2-1连接，支撑侧板2-3还与车体1连接，用于支撑车体1并承受转向扭矩。

所述履带2-4为插齿履带，包覆于轮系组件2-1外部，与驱动组件2-2为啮合连接，履带2-4通过驱动组件2-2传递的扭矩带动车体1移动。

所述消防灭火组件3实现定点灭火功能，包括消防水炮3-1、摄像头3-2，所述消防水炮3-1通过连接件与车体1连接，能够实现回转和俯仰调整，通过喷射水柱进行灭火。

所述摄像头3-2固定于消防水炮3-1的炮头的圆周上，能随消防水炮3-1移动，通过摄像头来观测炮头喷出水柱的形态和灭火点的火势。

所述侦察组件4包括二维云台4-1、摄像机4-2、热成像仪4-3、气体传感器4-4和温湿度传感器4-5，如图2、4所示。

所述二维云台4-1是圆柱形回转支撑架，固定于车体1上方，可实Z轴和Y轴的360°回转。

所述摄像机4-2固定于二维云台4-1上，并带照明灯，通过二维云台4-1实现360°回转和俯仰观测。

所述热成像仪4-3固定于二维云台4-1上，通过二维云台4-1实现360°回转和俯仰观测。

所述气体传感器4-4固定于车体1上，实时监测受控气体的含量。

所述温湿度传感器4-5固定于车体1上，可以实时监测环境温度和湿度。

所述降温组件5通过连接接头固定于消防水炮3-1的炮管上，通过喷出水幕用于整个设备的降温。

所述传感照明组件6包括避障传感器6-1、防爆大灯6-2、防爆激光雷达6-3，如图2、3所示，所述避障传感器6-1、防爆大灯6-2、防爆激光雷达6-3均固定于车体1的前端。避障传感器6-1用于通过激光扫描前端障碍物并反馈，实现避障；防爆大灯6-2用于对能见度较低的环境实施照明；防爆激光雷达6-3用于通过激光扫描周围环境，实现绘图，通过算法规划路线，实现自主巡航。

上述用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人，还包括对应的工作方法，包括以下步骤：

1)机器人移动：工作人员发出指令，机器人利用通讯模块接收指令后传输至控制模块，机器人中的控制模块控制驱动组件2-2驱动履带2-4移动，带动机器人进入待作业指定地点；

2)机器人位置环境建模地图构建：机器人在移动过程中，控制模块控制激光雷达6-3工作，对机器人前方环境扫描搜索并构建区域地图，确定自身处于地图中的位置；同时，机器人还将记忆自身的移动路线；

3)机器人避障：机器人在移动过程中，控制模块控制避障传感器6-1工作，实现对车体1前方障碍物的判别；当遇到障碍物时，机器人停止前移并配合建模的地图进行避让，并在地图中进行标记，为返程或其它机器人进入现场提供指导；

4)机器人自主侦察：机器人在移动或静止过程中，控制模块控制气体传感器4-4和温湿度传感器4-5工作，实现对现场环境气体、温湿度参数的采集；同时，控制模块还配合控制二维云台4-1带动摄像机4-2、热成像仪4-3，对机器人周围现场环境图像、视频侦察，采集和侦察的现场环境参数、图像和视频通过通讯模块上传供工作人员分析和决策。

5)机器人自主灭火：控制模块控制二维云台4-1进行角度调整，带动热成像仪4-3对环境扫描，当检测到火源位置时，控制模块控制消防水炮3-1进行角度调整，实现灭火；在此过程中，控制模块可控制摄像头3-2工作，实现对灭火时水流的喷射情况观测，观测的图像视频同样经通讯模块上传供工作人员进行位置微调；

6)机器人自降温：机器人进入火灾高温场所侦察和灭火时，降温组件5开启，实现水流和雾气喷洒，降低自身温度，保护上装组件和内部元器件；

7)机器人照明：当现场光照不足时，防爆大灯6-2开启实现补光。

机器人在不断避障、移动的同时，进行现场位置环境建模和定位，经过遍历后，从而实现获取现场完整地图和自身位置的实时更新，在此过程中还可对灾害环境的侦察和灭火作业等。

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 (6)

1.用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人，其特征在于，包括，

车体，所述车体用于对安装于车体两侧的悬挂组件以及安装于车体上部的各组件进行连接支撑；

悬挂组件，用于驱动车体移动；

安装于车体上的消防灭火组件、侦察组件、降温组件、传感照明组件；

以及安装于车体内部的控制模块和通讯模块；

其中，所述悬挂组件包括轮系组件、驱动组件、支撑侧板和履带，所述轮系组件用于导向和承托履带；所述驱动组件与履带啮合连接；所述支撑侧板是悬挂组件的主体，支撑侧板通过软连接与轮系组件连接，支撑侧板还与车体连接，用于支撑车体并承受转向扭矩；

所述消防灭火组件包括消防水炮、摄像头，所述消防水炮通过连接件与车体连接，能够实现回转和俯仰调整，所述摄像头固定于消防水炮上且能随消防水炮移动；

所述侦察组件包括二维云台、摄像机、热成像仪、气体传感器和温湿度传感器，所述二维云台固定于车体上方，所述摄像机和热成像仪均固定于二维云台上，通过二维云台实现360°回转和俯仰观测，所述气体传感器和温湿度传感器均固定于车体上；

所述降温组件通过连接接头固定于消防水炮的炮管上，用于整个设备的降温；

所述传感照明组件包括避障传感器、防爆大灯、防爆激光雷达，避障传感器用于通过激光扫描前端障碍物并反馈，实现避障；防爆大灯用于对能见度较低的环境实施照明；防爆激光雷达用于通过激光扫描周围环境，实现绘图，通过算法规划路线，实现自主巡航；

所述控制模块与消防灭火组件、侦察组件、降温组件、传感照明组件、通讯模块连接，用于实现对机器人的信息融合、指令解析和编码、运动控制和作业；

所述通讯模块用于实现机器人接收外部指令和发送侦察组件采集的参数。

2.如权利要求1所述的用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人，其特征在于，所述驱动组件由驱动轮、传动部件和固定部件组成，驱动组件通过固定部件与车体连接，传动部件与驱动轮连接，驱动轮与履带啮合连接。

3.如权利要求2所述的用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人，其特征在于，所述驱动组件与车体连接处设有密封圈，防护等级IP67，驱动组件与车体形成防爆结合面，长度和间隙满足二类防爆要求。

4.如权利要求1所述的用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人，其特征在于，所述履带为插齿履带，包覆于轮系组件外部，履带通过驱动组件传递的扭矩带动车体移动。

5.如权利要求1所述的用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人，其特征在于，所述避障传感器、防爆大灯、防爆激光雷达均固定于车体的前端。

6.如权利要求1-5任一所述的用于复杂环境中的全自主消防灭火侦察机器人的工作方法，其特征在于，步骤如下：

1)机器人移动：工作人员发出指令，机器人利用通讯模块接收指令后传输至控制模块，机器人中的控制模块控制驱动组件驱动履带移动，带动机器人进入待作业指定地点；

2)机器人位置环境建模地图构建：机器人在移动过程中，控制模块控制激光雷达工作，对机器人前方环境扫描搜索并构建区域地图，确定自身处于地图中的位置；同时，机器人还将记忆自身的移动路线；

3)机器人避障：机器人在移动过程中，控制模块控制避障传感器工作，实现对车体前方障碍物的判别；当遇到障碍物时，机器人停止前移并配合建模的地图进行避让，并在地图中进行标记，为返程或其它机器人进入现场提供指导；

4)机器人自主侦察：机器人在移动或静止过程中，控制模块控制气体传感器和温湿度传感器工作，实现对现场环境气体、温湿度参数的采集；同时，控制模块还配合控制二维云台带动摄像机、热成像仪，对机器人周围现场环境图像、视频侦察，采集和侦察的现场环境参数、图像和视频通过通讯模块上传供工作人员分析和决策；

5)机器人自主灭火：控制模块控制二维云台进行角度调整，带动热成像仪对环境扫描，当检测到火源位置时，控制模块控制消防水炮进行角度调整，实现灭火；在此过程中，控制模块控制摄像头工作，实现对灭火时水流的喷射情况观测，观测的图像视频同样经通讯模块上传供工作人员进行位置微调；

6)机器人自降温：机器人进入火灾高温场所侦察和灭火时，降温组件开启，实现水流和雾气喷洒，降低自身温度，保护上装组件和内部元器件；

7)机器人照明：当现场光照不足时，防爆大灯开启实现补光。

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