CN112043991A - 隧道导轨行进消防机器人系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了隧道导轨行进消防机器人系统及使用方法，该系统包括供电装置、控制装置、火情监测装置、磁悬浮导轨、火源追踪装置和灭火装置。供电装置给整个系统供电，控制装置控制各个装置的动作，火情监测装置监测到火情后向控制装置发出信号并实时存储灭火视频以便分析，灭火装置根据控制装置的指令通过磁悬浮导轨移动到火灾发生位置，火源追踪装置追踪火源的准确位置，灭火装置根据指令伸缩炮管长度、移动炮管方向对准火源，发射灭火剂进行灭火。该系统能快速、准确地发现火焰或烟雾，发出报警信号，同时快速抵达火灾现场进行灭火，在浓烟环境下也能不断追踪移动火源；会记录整个起火到灭火过程，为事后分析提供数据。

Description

隧道导轨行进消防机器人系统及使用方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种隧道导轨行进消防机器人系统及使用方法。

背景技术

伴随着交通运输业的快速发展，隧道工程日益增多，隧道呈圆筒状，排烟与散热条件差，加上隧道通常在远离人群聚居的地方和隧道内设备老化及故障等原因，一旦隧道发生火灾，火势蔓延快，浓烟在隧道内积聚，消防救援人员又很难快速到达现场实施救援，被困车辆造成交通拥堵瘫痪，人员疏散困难，甚至会造成人员伤亡。因此，在隧道火灾事故中，倘若能使用机器人、无人机等技术监测火灾信息，定位火灾位置，参与灭火救援工作，对于提高灭火效率、避免或减少消防人员伤亡、减小火灾损失等具有重要意义。

传统技术中，隧道火灾救援一般采用消防人员灭火，灭火速度慢、灵活性差、工作效率低，对于较大的火灾事故难以控制，而且安全风险极大，容易造成人员伤亡。而较少采用消防机器人参与的火灾救援工作也体现了现有消防机器人的不足：首先，现有的火灾探测器如感温火灾探测器只有当火势很大时才能发出报警信号，通过具体实验可发现，隧道的空间很大，使用传统的方法，使用感温火灾探测器对于较远的火源不能作出反映，往往火源蔓延到探测器探测范围内才可被感知，此时火灾已发生一定时间并开始蔓延，从而不能对火灾作出及时的防控。感烟火灾探测器在环境造成干扰及尘土和污染物堆积在传感器的罩和滤网表面时，容易造成错误警报，感光火灾探测器易受环境的影响易发出假报警信号。且现有的消防机器人采取的监控设备分辨率低，易受环境影响，整体摄像效果差，影响火灾图像探测的准确度。其次，有些消防机器人需要配备消防运输车，体积大，传统的消防机器人想要持续性工作，都需要配备专有的消防供电车等一系列附属设备，这就导致这些机器人总体的体积很大，交通拥堵时不易进入隧道，有的还需要人员遥控操作灭火，半智能化的消防机器人智能化程度低；另外，现有的消防机器人采用轮式或履带式的移动装置，移动的普适性不足，而且其控制器抗干扰能力差，故障率高，灭火范围不足。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种隧道导轨行进消防机器人系统及使用方法。该消防机器人系统的主体采用固定于纵向隧道壁的导轨行进的方式，并将火眼系统和机器学习算法等智能技术应用在隧道消防机器人中，具有实时存储火灾图片和灭火视频的优点，实现精准监测定位隧道火灾并自主快速灭火的目的，有效解决现有技术的监测精度低、机器人移动笨拙、抗干扰能力差等问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种隧道导轨行进消防机器人系统，

该系统包括供电装置，给整个系统供电，包括储能子系统供电及市电供电；

控制装置，控制各个装置动作；

火情监测装置，监测到火情后向控制装置发出信号并实时存储灭火视频；

火源追踪装置，追踪火源的准确位置；

灭火装置，根据控制装置的指令通过磁悬浮导轨移动到火灾发生位置，能伸缩炮管长度、移动炮管方向对准火源，发射灭火剂进行灭火。

储能子系统在市电断电时继续给整个系统供电，

火情监测装置监测到火情后向控制装置发出信号并实时存储灭火视频，该灭火视频指从消防机器人检测到火灾到消防机器人把火灾消灭的整个过程的视频，即隧道的视频监控系统及消防机器人的热成像追踪系统所摄取的视频都将会保留下来，存储在消防机器人的服务器中，既作为工程人员之后火灾分析数据资源，也添加到机器人火源追踪系统中，作为机器学习的部分训练集。消防机器人根据控制装置的指令通过磁悬浮导轨移动到火灾发生位置，火源追踪装置追踪火源的准确位置，灭火装置根据指令伸缩炮管长度、移动炮管方向对准火源，发射灭火剂进行灭火。

本发明还公开一种隧道导轨行进消防机器人的使用方法，该方法采用上述的隧道导轨行进消防机器人系统，步骤为：

(1)将隧道内的视频监控系统与安装了火眼系统的控制装置连接，完成初始设置；

(2)根据隧道内监控摄像头的实时图像，当监控的视频图像中出现疑似的火焰或烟雾时，火眼系统会快速准确地判断出火情，若是火灾，便向消防机器人的控制装置发出报警信号及火灾位置；

(3)控制装置接收到报警信号后，供电装置启动电刷给导轨上消防机器人供电，根据信号及火灾位置，灭火装置即刻自行启动，通过磁悬浮导轨控制灭火装置的速度及行动方向，使灭火装置沿隧道导轨快速到达火灾发生位置附近；

(4)火源追踪装置追踪火源的准确位置，控制装置控制灭火装置调整炮管的长度和方向使其对准火源，然后发射灭火剂进行灭火工作，将火扑灭在初始状态；

(5)经火情监测装置监测灭火完成后，控制装置对机器人发出指令，离开火灾现场；火眼系统会实时存储火灾图片和灭火视频，以便进行总结和分析。

本发明解决了隧道消防机器人不能自主快速灭火的问题，与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明公开的轨道行进消防机器人系统将火眼系统、火源追踪、控制装置及灭火装置集成在一块，共同用于隧道内快速灭火，结构完整，适用性强。运用火眼报警系统和机器学习技术，可精准监测火灾，发出报警信号，解决了现有消防机器人监测火灾系统精度低的问题；储能子系统使消防机器人能自行提供电能，即使在断电时期也能正常进行消防灭火救援工作；火眼系统可以记录灭火过程，为事后分析提供数据。同时，此系统为隧道火灾中的紧急救援研究提供了科学的指导。采用火眼系统与运用深度学习方法的协同合作对火源追踪的方式，采用火眼系统监测识别定位火灾，适用性强、探测速度快、抗干扰能力强、火灾定位准确，能同时识别火焰和烟雾、实现可视化。本发明消防机器人系统能够实时识别多次火灾，克服了以往消防机器人只能识别某一次火灾，然后对火灾进行消灭，当火灾移动时，便无能为力，或需要更多的消防机器人的不足。

2、本发明公开的轨道行进消防机器人系统采用磁悬浮导轨移动，移动迅速稳定，能够快速移动到着火位置进行灭火，就隧道长度大的特点，使用较快的移动消防机器人进行灭火是很有必要的，磁悬浮相对传统移动工具满足速度的特点，消防机器人只需沿着隧道纵向行进，不影响转弯。

3、本发明公开的轨道行进消防机器人的消防灭火工作迅速，释放灭火剂，远离火灾现场时间相对短暂。设备故障率低、易于维护、使用寿命长。

4、本发明公开的轨道行进消防机器人系统的灭火装置外部加装有防火隔热的陶瓷纤维外壳，外壳内外采用防火涂料，使机器人在高温恶劣环境中能够保证自身安全并且进行可靠的消防灭火工作。

5、本发明公开的轨道行进消防机器人采用固定于纵向隧道壁的导轨行进代替传统消防机器人在水平地表行进方式，能够快速移动灭火，完成快速、高效的消防救援工作。本消防机器人能代替人工进行消防灭火工作，节省人力资源，避免人员伤亡。

6、本发明采用太阳能充电的储能蓄电池组和市电网协同给消防机器人供电的方式，在机器人断电情况下，仍然能够满足使用。采用可伸缩旋转的追踪火源的灭火炮管，灭火范围更广。

附图说明

图1为本发明隧道导轨行进消防机器人系统的模块构成图；

图2为本发明隧道导轨行进消防机器人系统的工作流程图；

图3为本发明隧道导轨行进消防机器人系统的结构示意图；

图4为本发明隧道导轨行进消防机器人系统的安装场景示意图；

图5为本发明隧道导轨行进消防机器人系统的A-A剖面图；

图6为本发明隧道导轨行进消防机器人系统的算法实现流程图；

图7为本发明消防机器人灭火装置中炮管的局部连接示意图。

图8为本发明灭火装置中炮管向下移动时的机械连接示意图。

图9为本发明灭火装置中炮管向上移动时的机械连接示意图。

图中，1为供电装置、2为控制装置、3为火情监测装置、4为磁悬浮导轨、5为火源追踪装置；6为灭火装置；7为隧道上壁；8为定导轨；9为动导轨；10为磁悬浮电磁铁；11为直线电机的次级；12为直线电机的初级；13为电源接口；14为速度位移传感器；15为螺栓；16为主机；17为灭火剂储蓄箱；18为炮管；19为热成像镜头；20为陶瓷纤维外壳；21、蜗杆、22为齿轮，23水平杆、24为固定杆，25为电机、26为旋转台体，27为转台电机，28为电动液压伸缩杆，29为加压装置，30为灭火剂输送管，31为曲柄块，32为推杆，33为伸缩电机，34为连接曲柄，35为输出轴，36为斜向杆，37为连接件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明公开了一种隧道导轨行进消防机器人系统，该系统包括供电装置1、控制装置2、火情监测装置3、磁悬浮导轨4、火源追踪装置5和灭火装置6。供电装置1给整个系统供电，控制装置2控制各个装置的动作，火情监测装置3监测到火情后向控制装置2发出信号并实时存储灭火视频以便分析，灭火装置6根据控制装置2的指令通过磁悬浮导轨4移动到火灾发生位置，火源追踪装置5追踪火源的准确位置，根据指令伸缩炮管长度、移动炮管方向对准火源，发射灭火剂进行灭火。

所述供电装置1的储能子系统，是一组采用太阳能充电的蓄电池组，隧道内部配有专门的供电房，供电房中设有10个以上型号为6-CA-200的太阳能专用储能蓄电池组。蓄电池组的输出端连接如图3所示的电源接口13，蓄电池组的输入端连接隧道山体外的单晶硅太阳板，单晶硅太阳板应安装在有合适阳光照射处。有阳光直接给蓄电池组充电，当蓄电池组充满，关闭蓄电池组的充电输入端。蓄电池组的供电接口连接于定导轨8中的电源接口13，用于给整个系统提供电能。这样即使在外界断电的情况下也能给整个系统供电维持工作。

以电网供电为主，储能子系统作为备用电，正常情况下使用电网供电，突发情况下转换为太阳能储能电池组负载供电，储能子系统能够储存的总电能由型号为6-CA-200的太阳能专用储能蓄电池组提供，一次性最少能提供24KWh的电能。当电网供电端没有电压时，消防机器人的电源输入端自动弹跳到太阳能储能电池组供电端。电网供电系统修复后，转换为电网供电。

所述控制装置2，是将控制整个工作流程的所有步骤集成为一个软件，装载在主机16中，主机16安装在如图3所示的本发明的灭火装置6的上半部分，用于对各类信息进行处理，并控制各个装置。例如，火灾发生时控制磁悬浮导轨4运送灭火装置6行进，控制灭火装置6移动伸缩其炮管18并对其下达喷射灭火剂的指令。在灭火后向火情监测装置3下达上传整个视频的指令。

所述火情监测装置3，包括火眼系统、安装在隧道中的视频监控系统；隧道中的视频监控系统，通过网络交换机和网线，利用TCP/IP协议组成局域网，与火眼系统连接，组成火情监测装置3。火眼系统中包括“火眼系统”软件，是一个火灾视频图像识别的软件，即“火眼”可视图像早期火灾报警系统，简称火眼系统，火眼系统技术上可依据授权公告号CN102663869B的发明专利实现，软件集成在主机16中。利用隧道中已经安装好的视频监控系统，通过网络交换机和网线，利用TCP/IP协议组成局域网，与火眼系统连接，通过安装在服务器上的“火眼系统”软件读取连接的视频监控系统，在视频监控系统的电脑显示器上实时显示该设备上连接的摄像头的画面，对实时图像进行分析，判断是否有火焰和烟雾产生。一旦图像中出现火灾，立即发出火灾报警信号。安装“火眼系统”后，根据不同的隧道需要，读取隧道中各摄像机机位在隧道前进方向的坐标数据并进行编号，通过视频监控系统实时输入的视频数据，“火眼系统”判断火灾后，输出火灾报警信号和采取到火灾视频的摄像机机位编号。

火眼系统识别隧道内监控摄像头监控范围内的实时图像，当监控的视频图像中出现的火焰或烟雾时，火眼系统会快速准确地判断出火情，向控制装置2传出报警信号及火灾位置。当火被消灭后，上传整个起火到灭火视频，实时储存灭火视频(也就是从起火到灭火的全过程)，供后续的火灾事后分析。控制装置负责往隧道监控中心上传灭火过程，供监控部门运筹和分析。储存的灭火过程图片也作为提交给主机16作为之后用于深度学习火焰的训练样本数据。控制装置2再负责往隧道监控中心上传灭火过程。通过主机中的流媒体服务器、隧道内所安装的前端监控摄像机和控制中心的终端PC机所搭建的相通网络。流媒体服务器将获取摄像机的视频流，完成视频的采集。然后由流媒体服务器内部实现流媒体协议转换、转码和流媒体分发工作。最终可实现视频数据传输到控制中心的PC机上，供监控部门运筹和分析。流媒体服务器自身也实现对视频流的储存和管理功能，并提供二次开发的HTTP接口供之后的深度学习部分，将其作为火焰的训练样本数据。

所述磁悬浮导轨4包括定导轨8和动导轨9，定导轨8固定于隧道7内，如图4所示，磁悬浮导轨4中的定导轨8是与隧道侧壁直接固定连接，悬挂于隧道两侧壁，悬挂高度为隧道建筑限界高度，即高速公路、一级公路、二级公路取5m；三、四级公路取4.5m，为灭火装置6提供固定的行驶路线，无需转向，消防机器人只能沿着磁悬浮导轨前进和后退，不能左右移动，能实现在磁悬浮导轨4上的来回行走，再加上使用炮管18的左右移动便能够达到对火源的全方位追踪。定导轨和动导轨上分别设有6块吸力型磁悬浮电磁铁。固定在定导轨8内只有一个自由度的是动导轨9，能够高速的来回移动，其也是连接灭火装置6的支座平台。通过螺栓15连接于动导轨下方的是灭火装置6。在定导轨8和动导轨9上分别安装有六块采用吸力型磁悬浮电磁铁10，通过控制电流，在电磁铁中产生磁力，为动导轨9提供悬浮力和导向力，根据实际隧道的使用情况及长度等在确定消防机器人的总体结构设计后，电磁铁10的规格可通过计算得到。如图3所示，初级直线电机12沿隧道全长布置在定导轨8上，相当于旋转电机的定子，次级直线电机11布置在动导轨9上，相当于旋转电机的转子，初级直线电机12通上电流，次级直线电机11在电磁力的作用下沿着初级直线电机12(隧道上的定导轨8)做直线运动，从而为动导轨9提供驱动力。下面动导轨9上的是次级直线电机11，无连线，这样避免灭火装置6需要提供大功率电流。在动导轨9上安装用来检测动导轨9移动速度和位移的速度位移传感器14。螺栓15用于连接动导轨9和灭火装置6。所有电源电线均从定导轨8中的电源接口13相连，这样避免了灭火装置6体积过于庞大的问题。

本发明采用磁悬浮轨道行进的方式。采用磁悬浮的方式，能够使消防机器人更快地抵达火灾现场，消防机器人(灭火装置)与导轨梁(定导轨)之间相互抱合，使得此消防机器人安全性能也更高。在无火灾发生时，消防机器人在隧道中段设置的停留区待命。接收到火灾报警信号和摄像机机位坐标后，磁悬浮依靠安装在动导轨上的速度位移传感器，移送消防机器人到采取到火灾视频的摄像机机位坐标处。之后接收到移动位移信号，都依靠此方式行进。火灾消灭后，将消防机器人送回至停留区。整个过程只需在控制装置输入火灾发生、火灾消灭和移动位移大小的命令，由控制装置控制磁悬浮导轨上消防机器人的移动。

所述火源追踪装置5，包括深度学习算法和热成像系统，通过安装在炮管18上的热成像镜头19得到火灾现场的热成像视频图像，通过深度学习算法获得火源初步位置的像素坐标；

通过隧道视频监控系统传入的视频画面和热成像镜头采集的热成像画面耦合得到确定的火源立体空间，火源立体空间通过空间数据模型得到火源的世界坐标，传输给控制装置，进行定点灭火。火源追踪装置5主要是基于热成像技术，即使在有浓烟视线模糊的情况下也能传播热源，以达到火灾的识别和追踪的目的，并且火源在快速移动的情况下，也能很好地追踪火源位置。

本发明将“火眼系统”和深度学习算法“YOLO-V4”融合，利用火情监测装置的视频监控系统传入的画面和热成像镜头获取的热成像画面，通过视频帧截取得到图片格式数据，对其进行一系列的预处理操作后，对截取来的图片格式数据库进行二值化处理，根据阈值选择所需要的火灾火源图片，再根据设置的阈值去掉每一张图片中所过多的干扰和噪点，作为测试集输入到深度学习算法“Yolo-V4”得到的火源追踪装置中进行火源检测，对火源进行精准定位，根据定位结果对火源进行锁定与追踪。

“YOLO-V4”算法将导入预先采集到的人工在隧道现场模拟的火灾视频数据，作为追踪的标准训练数据集进行预处理，将数据集输入到目标检测模型Yolo-V4中进行训练与交叉验证，训练完成后得到Yolo-V4的火源追踪模型。火灾发生后，对热成像采集的实时视频数据进行相同的预处理后输入到Yolo-V4的火源追踪模型，作为追踪的测试集进行预测。通过隧道视频监控系统传入的画面和消防机器人的热成像画面耦合得到火源的世界坐标，传输给主机，进行定点灭火。

所述世界坐标系指客观三维世界的绝对坐标系，用(X,Y,Z)表示其坐标值。

所述像素坐标系指以图像平面的左上角顶点为原点，X轴和Y轴分别平行于图像坐标系的X轴和Y轴，用(u,v)表示其坐标值。

具体操作如下：

(1)火情监测装置运用火眼系统识别隧道视频监控系统所摄取的视频，识别火灾的发生；得到火灾发生的摄像机机位编号，输出火灾报警信号，将机位编号及火灾坐标传给控制装置控制磁悬浮导轨移动，磁悬浮导轨运送灭火装置抵达火灾发生的摄像机位置处；灭火装置伸出炮管，开启热成像视频采集；

(2)控制装置运用火眼系统识别当前火灾附近的隧道视频监控系统所摄取的视频，识别火源位置，再运用深度学习算法识别热成像摄像机所摄取的视频，再次识别火源位置；通过两种方式获得的火源位置的相互耦合，最后转化得到火源的空间坐标；

(3)再将火源的空间坐标传给控制装置来控制磁悬浮导轨运行灭火装置抵达火源位置处；控制装置再控制灭火装置，转动伸长炮管对准火源，发射灭火剂直至火灾消灭；

A.其中“深度学习”部分，需要预先导入人工在隧道现场采集模拟的火灾视频数据，作为追踪的标准训练数据集进行去噪、滤波、颜色光感预处理，使图像更清楚；将数据集输入到目标检测模型Yolo-V4中进行训练与交叉验证，训练完成后得到火源追踪模型；将热成像镜头所采集的热成像视频输入到火源追踪模型中，从而检测出火源在视频图像中的像素坐标位置；

B.其中从视频的像素坐标转换成世界的空间坐标的方式，需要预先给机器人导入隧道的空间数据档案建立将视频图像的像素坐标变换成隧道世界坐标的空间数据模型；所述空间数据档案是包含隧道内的视频监控系统的监控摄像头和热成像镜头的PTZ参数、经纬度和视场角的数据；根据摄像头的位置、朝向、火源的立体空间位置与空间数据模型进行对应，这种对应指对得到的火源立体空间进行缩放移动等操作与隧道世界坐标进行重合，最终得到火源的世界坐标。

深度学习只是对热成像镜头的视频图像进行处理，处理之后得到的热成像图像和隧道视频监控系统传入的视频画面耦合得到确定的火源立体空间，火源立体空间通过空间数据模型得到火源的世界坐标。

隧道视频监控负责整个隧道的监控(只负责监控，不负责识别火源)，火眼系统接受视频监控的画面，识别有火灾产生，并截取视频/图像，输出火灾所在区域机位编号并报警，机器人按机位编号到达火灾区域，用热成像镜头拍摄，热成像视频经深度学习算法处理后，此时火眼系统截取的视频监控中相应位置的图像(二维像素坐标)，与热成像拍摄的画面(二维像素坐标)以火源位置为基准点，耦合成火灾区域的立体空间，根据摄像头的位置、朝向、火源的立体空间位置与空间数据模型进行对应，进而将火源位置转化成对应隧道的世界坐标，输出火源的坐标(在隧道世界坐标系下的三维坐标)。

所述灭火装置6构成消防机器人的主体，包括主机16、灭火剂储蓄箱17、炮管18、热成像镜头19和陶瓷纤维外壳20。主机16、灭火剂储蓄箱17被包裹在陶瓷纤维外壳20内，炮管18是由三节直径为50～200mm钢管制造，两侧连接电动液压伸缩杆控制伸缩，第三节炮管连接曲柄滑块机构控制炮管在隧道横截面90度内转动，第三节为连接灭火剂储蓄箱17的一端，炮管18无需包裹在陶瓷纤维外壳20内；热成像镜头19安装于炮管18第一节的顶端，使用纯镍耐高温线连接于主机16上的视频编码设备，热成像镜头19也无需包裹在陶瓷纤维外壳20内。灭火装置连接在动导轨9的支座平台上，通过喷射灭火剂达到灭火。其中主机16集合了控制装置2、火情监测装置3和火源追踪装置5的所有相关软件。主机16下面安装的是灭火剂储蓄箱17，储存着所有的灭火剂，使用完可直接添加。再下面便是一根三节可伸缩的炮管18，用于喷射灭火剂。根据热成像追踪给予的信息，可以移动炮管方向对准火源，再伸缩炮口到距离火源合适的位置。第一节炮管(第一节为追踪火源的一端，第三节为连接灭火剂储蓄箱17的一端)前端安装着火源追踪装置5的热成像镜头19，可以随着炮管的移动而更好的检测火源位置。最后是灭火装置6的外壳采用的是陶瓷纤维外壳20，可以起到很好的防火耐高温隔热作用，更好地保护好消防机器人的内部结构。

本发明还保护一种隧道导轨行进消防机器人系统的使用方法，该方法采用上述的隧道导轨行进消防机器人系统，步骤为：

(1)将隧道内的视频监控系统与安装了火眼系统的控制装置连接，完成初始设置；

(2)根据隧道内监控摄像头的实时图像，当监控的视频图像中出现疑似的火焰或烟雾时，即火情监测装置检测到隧道有突发火情，并检测是否达到灭火效果，若达到灭火效果，灭火装置停止喷射灭火剂，收回炮管；若没有达到灭火效果，则火眼系统会快速准确地判断出火情，发出报警信号及火灾位置给控制装置；

(3)控制装置接收到报警信号后，供电装置启动电刷给导轨上消防机器人供电，消防机器人在无火灾发生时回到隧道中段离隧道进口和出口相等距离的位置待命，根据信号及火灾位置，消防机器人即刻自行启动，通过磁悬浮导轨控制消防机器人的速度及行动距离，使消防机器人沿隧道导轨快速到达火灾发生位置附近；灭火装置下放炮管，

(4)火源追踪装置时刻感应火源精确位置，进而追踪火源的实时准确位置，灭火装置到达最终位置，控制装置控制灭火装置调整炮管的长度和方向使其对准火源，然后发射灭火剂进行灭火工作，将火扑灭在初始状态，然后返回火情检测装置继续检测是否达到灭火效果，

(5)经火情监测装置监测灭火完成后，控制装置对机器人发出指令，离开火灾现场；火眼系统会实时存储火灾图片和灭火视频，以便进行总结和分析。

本发明突出消防机器人在发生意外断电时能够自行供电，使用单晶硅太阳板给太阳能专用储能蓄电池组充电，蓄电池组便能给消防机器人供电，达到自给自足的目的。正常使用情况下由市电供电，为整个系统供电，由于消防机器人只在火灾发生时才工作，所以充满电的太阳能专用储能蓄电池组能够提供扑灭火灾的电能，这样即使阴天消防机器人也能正常灭火，具有精准监测定位火灾位置、快速灭火和实时存储火灾图片和灭火视频的优点。

实施例

本实施例隧道导轨行进消防机器人系统中炮管不是固定不动的，能够根据火势大小和位置变化进行调整，进而进行精确灭火。可伸缩炮管18共三节,前端第一节炮管前端安装着火源追踪装置5的热成像镜头19,炮管的最大伸缩度可达隧道直径的一半。根据热成像追踪给予的信息，控制装置控制灭火装置调整炮管方向对准火源，再伸缩炮口到距离火源合适的位置，对准火源，发射灭火剂进行灭火工作。可伸缩炮管18与灭火剂储蓄箱17相连通，灭火剂储蓄箱17设有阀门和加压装置，灭火时阀门开启，灭火剂储蓄箱17中的灭火剂进入炮管，加压装置29加压把灭火剂发射出去。阀门由控制装置控制开启。可伸缩炮管18与灭火剂储蓄箱17连接处设有旋转伸缩装置，旋转伸缩装置包括旋转台体26、转台电机27、曲柄滑块机构和电动液压伸缩杆28。通过旋转伸缩装置，在隧道消防机器人主体不动的情况下，调整炮管的长度及水平和竖向的角度，从而增大灭火面积，有利于大面积和全方位进行灭火，提高隧道消防机器人的灭火效率。

所述加压装置29安装于旋转台体26的内部通过灭火剂输送管30与炮管连通，加压装置的入口与灭火剂储蓄箱的出口联通，用于加压待喷射的灭火剂。

所述旋转台体26用于调整炮管在平行于旋转台体方向的转动。所述转台电机27安装于所述灭火剂储蓄箱的内部，其输出轴35穿过灭火剂储蓄箱的下端与旋转台体26机械连接，用于控制旋转台体26的旋转。

所述曲柄滑块机构是设置于所述旋转台体26的内部，包括蜗杆21、齿轮22、水平杆23、固定杆24、电机25、曲柄块31、连接曲柄34、斜向杆36和连接件37，用于调整所述炮管在竖直方向的转动。在位于旋转台体内部的蜗杆21上固定套接有电机25和螺旋齿，螺旋齿位于蜗杆21中间位置，与齿轮22啮合连接，由蜗杆21带动齿轮22转动。电机25为旋转的电机，电机25旋转时，蜗杆21同步旋转。蜗杆21左右端还套接连接件37，连接件37与下侧的炮管连接，连接件37与蜗杆21连接处是螺母状的，内部空的地方放蜗杆21，蜗杆21转动时，连接件37不动。齿轮22通过一个销轴连接有水平杆23和连接曲柄34，连接曲柄34与齿轮22的中心轴固定连接，跟随齿轮22的转动而转动，连接曲柄34通过另一销轴转动连接斜向杆36，斜向杆的另一端和水平杆的另一端分别通过相应的销轴转动连接在固定杆24的两端，固定杆24固定在旋转台体体的内壁，不移动，在水平杆远离齿轮22的一侧上固定安装有曲柄块31，曲柄块31的下部同时与旋转台体26内的炮管固定连接。

所述电机25为可旋转的电机，电机25旋转时，蜗杆21同步旋转，带动齿轮22旋转，齿轮22带动连接曲柄34运动，调整炮管在竖直方向上的角度。

炮管为三节伸缩炮管，第一节的直径大于第二节，第二节直径大于第三节，三节炮管依次套接，第三节炮管位于旋转台体内部的一端连接电机25，并与灭火剂输送管30联通，第三节炮管伸出旋转台体的一端上下两侧安装有两个电动液压伸缩杆28，分别安装在炮管两侧，两个电动液压伸缩杆28的底端与旋转台体外侧面固定连接，一个电动液压伸缩杆的推杆32伸出时抵在第二节炮管的底部，用于调整第二节炮管的长度；另一个电动液压伸缩杆的推杆伸出时抵在第一节炮管的底部，用于调整第一节炮管的长度。推杆32伸出的长度是可变的，可根据隧道不同定制不同长度的电动液压伸缩杆，推杆的伸缩由电动液压伸缩杆的伸缩电机33和内部的开关控制，推杆32伸出，使得炮管伸长；当推杆32收回时，炮管缩回到原长度；伸缩电机和内部开关均受控制装置控制，

当所述炮管需要在旋转台体方向转动时，可以控制所述转台电机27旋转，其输出轴35的转动带动所述旋转台体26转动，进而带动所述炮管在水平面旋转运动；当所述炮管需要在竖直方向调整角度时，利用电机25旋转控制蜗杆21转动，蜗杆带动齿轮22转动，与齿轮22连接的连接曲柄34以齿轮22的中心为轴旋转转动，带动与之连接的斜向杆36左右移动，带动水平杆23上下移动，利用与水平杆23连接的曲柄块31带动炮管的上下移动；固定杆24固定在旋转台体内壁不动，斜向杆36的长度是不可变化的，利用水平杆23通过曲柄块31带动炮管在竖直方向的上下移动，来配合斜向杆36、水平杆23和连接曲柄34的转动，,调整炮管在竖直方向上的角度；当着火点较远时，可以通过所述电动液压伸缩杆28调整炮管的长度，从而使炮管靠近着火点。

需要输入的是火灾的世界坐标，磁悬浮轨道支持消防机器人的隧道纵向坐标，炮管支持消防机器人的隧道横截面方向的横向坐标，以达到对隧道整个空间火灾的消灭。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种隧道导轨行进消防机器人系统，其特征在于，该消防机器人系统包括：

供电装置，给整个系统供电，包括储能子系统供电及市电供电；

控制装置，控制各个装置动作；

火情监测装置，监测到火情后向控制装置发出信号并实时存储灭火视频；

火源追踪装置，追踪火源的准确位置；

灭火装置，根据控制装置的指令通过磁悬浮导轨移动到火灾发生位置，能伸缩炮管长度、移动炮管方向对准火源，发射灭火剂进行灭火。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，磁悬浮导轨包括定导轨和固定在定导轨内的动导轨，在隧道侧壁靠近上方位置沿隧道长度方向设置定导轨；在动导轨上安装有用来检测动导轨移动速度和位移的速度位移传感器；所述灭火装置通过螺栓连接在动导轨的支座平台上，灭火装置包括主机、灭火剂储蓄箱、炮管和防火隔热外壳；主机和灭火剂储蓄箱包裹在防火隔热外壳内，主机内加载有控制装置、火情监测装置和火源追踪装置的所有相关软件；灭火剂储蓄箱设在主机下方；炮管设在灭火剂储蓄箱下方，炮管能伸缩及调整方向，第一节炮管前端安装热成像镜头。

3.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述储能子系统为采用太阳能储能电池组，与定导轨中的电源接口相接，给整个系统供电；机器人系统正常情况下使用市电网供电，突发情况下转换为太阳能储能电池组负载供电。

4.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述火情监测装置包括火眼系统、安装在隧道中的视频监控系统；隧道中的视频监控系统，通过网络交换机和网线，利用TCP/IP协议组成局域网，与火眼系统连接；在电脑显示器上实时显示隧道内的摄像头的画面，对实时图像进行分析，判断是否有火焰和烟雾产生；一旦图像中出现火灾，立即发出火灾报警信号；安装火眼系统后，根据不同隧道需要，读取隧道中各摄像机机位在隧道前进方向的坐标数据并进行编号，通过视频监控系统实时输入的视频数据，火眼系统判断出火灾后，输出火灾报警信号，并通过采集到火灾视频的摄像机机位编号和读取的隧道摄像机机位坐标数据得到火灾坐标位置；

所述火源追踪装置包括深度学习算法和热成像系统，通过安装在炮管上的热成像镜头得到火灾现场的热成像视频图像，通过深度学习算法获得火源初步位置的像素坐标；

通过隧道视频监控系统传入的视频画面和热成像镜头采集的热成像画面耦合得到确定的火源立体空间，再将火源立体空间转换成火源的世界坐标，传输给控制装置，进行定点灭火；

所述深度学习算法为Yolo-v4算法，具体是将导入预先采集到的人工在隧道现场模拟的火灾视频数据，作为追踪的标准训练数据集进行预处理，将数据集输入到目标检测模型Yolo-V4中进行训练与交叉验证，训练完成后得到Yolo-V4的火源追踪模型；火灾发生后，对热成像采集的实时视频数据进行相同的预处理后输入到Yolo-V4的火源追踪模型，进行火源检测，给出火源初步位置的像素坐标。

5.根据权利要求1所述的机器人系统，其特征在于，所述灭火装置构成消防机器人的主体，包括主机、灭火剂储蓄箱、炮管、热成像镜头和陶瓷纤维外壳；主机、灭火剂储蓄箱被包裹在陶瓷纤维外壳内，主机下面安装的是灭火剂储蓄箱，储存着所有的灭火剂；可伸缩炮管与灭火剂储蓄箱相连通，灭火剂储蓄箱设有阀门和加压装置，灭火时阀门开启，灭火剂储蓄箱中的灭火剂进入炮管，加压装置加压把灭火剂发射出去，阀门由控制装置控制开启；炮管由三节直径为50～200mm钢管制造，炮管两侧连接电动液压伸缩杆控制炮管长度的变化；第三节炮管为连接灭火剂储蓄箱的一端，第三节炮管连接曲柄滑块机构控制炮管在隧道横截面90度内的转动；第一节为追踪火源的一端，热成像镜头安装于炮管第一节的顶端，能随着炮管的移动而检测火源位置，使用纯镍耐高温线连接于主机上的视频编码设备；可伸缩炮管与灭火剂储蓄箱连接处设有旋转伸缩装置，旋转伸缩装置包括旋转台体、转台电机、曲柄滑块机构和电动液压伸缩杆；所述转台电机安装于所述灭火剂储蓄箱的内部，其输出轴穿过灭火剂储蓄箱的下端与旋转台体机械连接；所述曲柄滑块机构设置于所述旋转台体的内部；通过旋转伸缩装置，在隧道消防机器人主体不动的情况下，调整炮管的长度及水平和竖向的角度。

6.根据权利要求5所述的机器人系统，其特征在于，所述曲柄滑块机构包括蜗杆、齿轮、水平杆、固定杆、电机、曲柄块、连接曲柄、斜向杆和连接件，在位于旋转台体内部的蜗杆上固定套接有电机和螺旋齿，螺旋齿位于蜗杆中间位置，与齿轮啮合连接，由蜗杆带动齿轮转动；电机为旋转的电机，电机旋转时，蜗杆同步旋转；蜗杆左右端还套接连接件，连接件与下侧的炮管连接，蜗杆转动时，连接件不动；齿轮通过一个销轴连接有水平杆和连接曲柄，连接曲柄与齿轮的中心轴固定连接，跟随齿轮的转动而转动，连接曲柄通过另一销轴转动连接斜向杆，斜向杆的另一端和水平杆的另一端分别通过相应的销轴转动连接在固定杆的两端，固定杆固定在旋转台体体的内壁，不移动；在水平杆远离齿轮的一侧上固定安装有曲柄块，曲柄块的下部同时与旋转台体内的炮管固定连接。

7.一种隧道导轨行进消防机器人系统的使用方法，该方法采用权利要求1-6任一所述的隧道导轨行进消防机器人系统，方法的步骤为：

(1)将隧道内的视频监控系统与安装了火眼系统的控制装置连接，完成初始设置；

(2)根据隧道内监控摄像头的实时图像，当监控的视频图像中出现疑似的火焰或烟雾时，火眼系统会快速准确地判断出火情，若是火灾，便向消防机器人的控制装置发出报警信号及火灾位置；

(3)控制装置接收到报警信号后，供电装置启动电刷给导轨上消防机器人供电，根据信号及火灾位置，灭火装置即刻自行启动，通过磁悬浮导轨控制灭火装置的速度及行动距离，使灭火装置沿隧道导轨快速到达火灾发生位置附近；

(4)火源追踪装置追踪火源的准确位置，控制装置控制灭火装置调整炮管的长度和方向使其对准火源，然后发射灭火剂进行灭火工作，将火扑灭在初始状态；

(5)经火情监测装置监测灭火完成后，控制装置对机器人发出指令，离开火灾现场；火眼系统会实时存储火灾图片和灭火视频，以便进行总结和分析。

8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于，该方法的具体实现原理是：

(1)火情监测装置运用火眼系统识别隧道视频监控系统所摄取的视频，识别火灾的发生；得到火灾发生的摄像机机位编号，输出火灾报警信号，将机位编号及火灾坐标传给控制装置控制磁悬浮导轨移动，磁悬浮导轨运送灭火装置抵达火灾发生的摄像机位置处；灭火装置伸出炮管，开启热成像视频采集；

(2)控制装置运用火眼系统识别当前火灾附近的隧道视频监控系统所摄取的视频，识别火源位置，再运用深度学习算法识别热成像摄像机所摄取的视频，再次识别火源位置；通过两种方式获得的火源位置的相互耦合转化得到火源的空间坐标；

(3)再将火源的空间坐标传给控制装置来控制磁悬浮导轨运行灭火装置抵达火源位置处；控制装置再控制灭火装置，转动伸长炮管对准火源，发射灭火剂直至火灾消灭；

A.其中“深度学习”部分，需要预先导入人工在隧道现场采集模拟的火灾视频数据，作为追踪的标准训练数据集进行去噪、滤波、颜色光感预处理，使图像更清楚；将数据集输入到目标检测模型Yolo-V4中进行训练与交叉验证，训练完成后得到火源追踪模型；将热成像镜头所采集的热成像视频输入到火源追踪模型中，从而检测出火源在视频图像中的像素坐标位置；

B.其中从视频的像素坐标转换成世界的空间坐标的方式，需要预先给机器人导入隧道的空间数据档案建立将视频图像的像素坐标变换成世界坐标的空间数据模型；所述空间数据档案是包含隧道内的视频监控系统的监控摄像头和热成像镜头的PTZ参数、经纬度和视场角的数据。

9.一种隧道消防机器人，其特征在于，该机器人包括灭火剂储蓄箱、炮管、热成像镜头、控制装置和外壳，控制装置和灭火剂储蓄箱被包裹在陶瓷纤维外壳内，可伸缩炮管与灭火剂储蓄箱相连通，灭火剂储蓄箱设有阀门和加压装置，灭火时阀门开启，灭火剂储蓄箱中的灭火剂进入炮管，加压装置加压把灭火剂发射出去；阀门由控制装置控制开启；可伸缩炮管与灭火剂储蓄箱连接处设有旋转伸缩装置，旋转伸缩装置包括旋转台体、转台电机、曲柄滑块机构和电动液压伸缩杆；所述转台电机安装于所述灭火剂储蓄箱的内部，其输出轴穿过灭火剂储蓄箱的下端与旋转台体机械连接；所述曲柄滑块机构设置于所述旋转台体的内部；通过旋转伸缩装置，在隧道消防机器人主体不动的情况下，调整炮管的长度及水平和竖向的角度。

10.根据权利要求9所述的机器人，其特征在于，所述曲柄滑块机构用于调整炮管在隧道横截面90°内的转动，包括蜗杆、齿轮、水平杆、固定杆、电机、曲柄块、连接曲柄、斜向杆和连接件。

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