CN113521616A

CN113521616A - 一种消防机器人、调度方法及灭火系统

Info

Publication number: CN113521616A
Application number: CN202110874149.2A
Authority: CN
Inventors: 纪鹏; 孙向前; 孙至喆; 李文涛; 张芳芳; 马凤英; 曹茂永
Original assignee: Qilu University of Technology
Current assignee: Qilu University of Technology
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2021-10-22

Abstract

本公开涉及一种消防机器人、调度方法及灭火系统，包括本体，本体上安装有处理器和红外热成像传感器，红外热成像传感器用于获得消防机器人周边环境的红外图像，红外热成像传感器通过云台安装在消防机器人的本体上，以改变红外热成像传感器的拍摄方向；处理器能够接收红外图像并执行阴燃火检测算法。在检测到阴燃火后判断火势大小及火源坐标，控制消防机器人单独或者多个消防机器人协同灭火。

Description

一种消防机器人、调度方法及灭火系统

技术领域

本公开属于气泡发生器技术领域，具体涉及一种阴燃火检测方法、消防机器人、调度方法及灭火系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

仓库是物资集中储存的场所，一旦发生火灾，经济损失巨大。仓库火灾在初期阶段阴燃时间长，不易被发现，具有烧大火的条件；在大型仓库发生火灾时，消防队员无法及时获取火场信息，采用高压水枪等措施进行灭火，没有针对性，并很难进入仓库中灭火，如果强行打开门窗进行救援，则会加快空气流动，加剧火情，而且即使消防队员进入到仓库中，也无法及时找到火源位置。

发明人了解到，其中一些技术方案中提及基于无线传感网的火灾检测及消防系统。这种系统通常需要大范围改造仓储环境，且需要相当多的无线传感节点才能覆盖大区域的仓储环境。这种固定式的火灾监测及消防系统灵活性较差，无法完全覆盖仓储环境。

另外一些技术方案中提及消防机器人，但是其消进行灭火的主要方法是在火灾现场外围运用水枪、消防炮等设备进行灭火，无法准确针对起火点进行灭火，只能在外围持续性的大量喷淋泡沫和水来灭火。这种方式只能减少消防员的受害几率，仍然存在消防滞后的问题。消防滞后，会导致火灾长时间得不到有效控制，进而带来更大的损失。

发明内容

本公开的目的是提供一种面向仓储环境的主动型消防机器人及方法，能够至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供一种消防机器人，包括本体，本体上安装有处理器和红外热成像传感器，红外热成像传感器用于获得消防机器人周边环境的红外图像，红外热成像传感器通过云台安装在消防机器人的本体上，以改变红外热成像传感器的拍摄方向；处理器能够接收红外图像并执行阴燃火检测算法。

本公开的一个或多个实施例还提供一种消防机器人灭火调度方法，利用了上述的消防机器人，包括以下步骤：

多个消防机器人分别在不同区域巡逻，通过红外热成像传感器扫描周围环境，并执行阴燃火检测方法；检测到阴燃火时，执行火势检测算法；

火势小于预设的火灾过大阈值时，当前机器人单独灭火；火势大于火灾过大阈值时，通知其他区域消防机器人支援。

完成灭火后，留置一个消防机器人对阴燃火监测设定时间，当阴燃火复燃后，进行灭火。

本公开的一个或多个实施例还提供一种消防机器人灭火系统，包括多个上述的消防机器人。

以上一个或多个技术方案的有益效果：

本公开中消防机器人配备红外热成像传感器并且能够利用处理器执行阴燃火检测算法，通过消防机器人在仓库中的巡逻来及时发现仓库中的阴燃火，在没有明显的烟雾及火焰情况下，完成阴燃火的灭火工作，避免后续发展成大规模火灾。相对于采用无线网络与大范围布置火灾监测传感器的方式来讲，消防机器人能够自主行走，其对于仓库的监测更灵活，且不易出现监测死角，便于在仓库中不同区域时刻调整火灾监测的力度，重点防范容易发生火灾的区域。

本公开中公开的消防机器人的灭火调度方法，在消防机器人发现阴燃火的情况下，通过阴燃火火势大小检测来判断是否需要其他区域消防机器人支援，使得阴燃火或者明火火灾与当前灭火力量相匹配，减少消防资源的消耗。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开一个或多个实施例中单个消防机器人的结构示意图；

图2是本公开一个或多个实施例中多个消防机器人配合巡逻的示意图；

图3是本公开一个或多个实施例中灭火调度方法的工作流程示意图；

图4是本公开一个或多个实施例中单个消防机器人测距三维示意图；

图5是本公开一个或多个实施例中单个消防机器人测距平面示意图；

图6是本公开一个或多个实施例中灭火瞄准位置及角度调整示意图；

图7是本公开一个或多个实施例中喷嘴及喷水云台的结构示意图。

图中，101、红外热成像传感器；102、激光雷达；103、显示屏；104、喷水云台；105、stm32芯片；106、树莓派4B；107、水管；108、供水组件；110、履带；111、辅助轮；112、驱动轮；113、本体；114、ZigBee节点；115、陀螺仪传感器；116、GPS芯片；117、数传电台。

209、喷嘴；210、第一舵机；211、旋转舵机；401、第一消防机器人；402、第二消防机器人；403、第三消防机器人；404第四消防机器人。

具体实施方式

实施例1

为了解决现有消防机器人只能够在火灾发生后，通过远程控制系统调动在火场外围灭火，无线网络+固定未知的火灾监测传感器需要大范围改变仓储环境，灵活性差的问题。本实施例提供一种消防机器人，如图1所示，包括本体113，本体113上安装有处理器和红外热成像传感器101，红外热成像传感器101用于获得消防机器人周边环境的红外图像，红外热成像传感器101通过云台安装在消防机器人的本体113上，以改变红外热成像传感器101的拍摄方向；处理器能够接收红外图像并执行阴燃火检测算法。

具体的，此处的阴燃火检测方法，包括以下步骤：

第一步，处理器获得红外热成像传感器101输出的红外图像；第二步，处理器对红外图像进行二值化处理；第三步，提取出高温特征块的个数，以及高温特征块在红外图像中的编号；第四步，若提取到的高温特征块的数量高于设定值，并且有高温特征块编号连续时，则判定为发现阴燃火；否则判定为未发现阴燃火。

具体的，所谓高温特征块，即红外热成像传感器在检测到高温时，成像会出现呈红色的像素点，该像素点被称为高温特征块。

本实施例中的处理器采用树莓派4B106，其上安装有Ubuntu系统，并安装ROS系统，处理器安装在消防机器人本体113的中部，直接与消防机器人中的行走组件、喷水组件及传感器组件信号连接，根据所接收的传感器组件信号对行走组件、喷水组件做出控制。具体的，树莓派4B106与stm32芯片105信号连通，stm32芯片105通过继电器控制上述行走组件、喷水组件及消防机器人的电源。

本实施例中，消防机器人采用履带110式行走机构，在本体113的两侧分别驱动轮112和辅助轮111，每一侧的驱动轮112与辅助轮111外部套设行走履带110。消防机器人的两侧分别设有带动驱动轮112旋转的电机。树莓派4B106通过stm32芯片105和继电器控制电机的转停。

本实施例中，传感器组件包括安装在消防机器人本体113上部的陀螺仪传感器115、激光雷达102、GPS芯片116和红外热成像传感器101，陀螺仪用于测量消防机器人当前的姿态，激光雷达102能够对周边设定半径范围内进行扫描测距，结合开源机器人系统ROS中的工具，可以实现消防机器人的地图构件功能。利用GPS芯片116能够实现消防机器人在露天仓库中的定位。

消防机器人采用所述的红外热成像传感器101进行火焰检测，红外热成像传感器101能够获得一组温度数据，基于温度数据，进行阴燃火检测算法后，可以获得是否发生阴燃火。当然，也可以根据该组温度数据，判断火灾的火势大小。

本实施例中，喷水组件包括喷水云台，供水组件108、水管107及喷嘴209，供水组件108设置在机器人本体113的下部，以降低中心，供水组件108包括水箱和水泵，水泵的出口与水管107的一端连通，水管107的另一端安装所述的喷嘴209，为了实现喷嘴209的角度调节，本实施例中的喷水云台包括两节机械臂，第一节机械臂的一端与消防机器人本体113通过旋转舵机211连接，旋转舵机211能够相对于消防机器人前进方向做-90°至90°旋转，第一节机械臂的另一端与第二节机械臂的一端通过第一舵机210连接，第一舵机210负责竖向的俯仰角度调节，以消防机器人本体113两个履带110的底端所在平面为基准面，俯仰的设计旋转角度为0°至朝上的90°。水箱为方形塑料容器，用于实现供水功能，水泵能够为水管107及喷嘴209提供足够的喷射动力。喷嘴209上设置一个喷射触发器，控制喷嘴209的开闭。

消防机器人中还设置通信组件，用于实现消防机器人之间的相互通信，以及远程控制终端的通信，本实施例中通信组件包括ZigBee节点114和数传电台117，ZigBee节点114为主要的通信设备，数传电台117为备用的通信设备，保障在复杂环境下的通信流畅。

实施例2

本实施例提供一种消防机器人灭火调度方法，利用了实施例2中所述的消防机器人，如图2-7所示，包括以下步骤：

步骤1，在仓储环境中，分划片区给不同的消防机器人，各消防机器人在补给站充电并储备消防用水后出发进入不同区域进行基于slam技术的自主巡逻，在巡逻过程中，通过自带的红外热成像传感器101实时扫描周围环境，并执行阴燃火检测方法；当未检测到阴燃火时，继续巡逻；检测到阴燃火时，执行步骤2；

步骤2，以仓储环境中的第一消防机器人401为例，第一消防机器人401检测到有阴燃火时，使用阴燃火坐标的标定方法实现火源坐标的标定及高度检测，并辅助Slam技术，在ROS系统中自建仓库地图中标定火源坐标，并在第一消防机器人401所在的当前位置进行阴燃火火势代火势小于预设的火灾过大阈值时，第一消防机器人401单独灭火；当火势大于火灾过大阈值时，判定为需要其他消防机器人协助灭火，此时执行步骤3。当火势大小低于火灾熄灭阈值时，执行步骤6。

步骤3，第一消防机器人401通过无线通信技术，报警并告知仓储环境中其他区域的第二消防机器人402、第三消防机器人403、第四消防机器人404等其他机器人火源地点坐标，在其他消防机器人到来之前先通过行走组件运动至火源前方设定距离，然后利用喷水组件喷水灭火。其余的第二消防机器人402、第三消防机器人403及第四消防机器人404等通过在线路径规划后，跟踪路径并通过激光雷达102进行避障，前往火灾周围集结，其余消防机器人到达后，协同对火源形成围攻。当阴燃火火势检测算法判定火势大小低于火灾熄灭阈值时，执行步骤4。

步骤4，除第一消防机器人401以外的其他机器人回到原定区域继续巡逻，留下第一消防机器人401对火源进行延时监测15分钟，以防复燃。若发生复燃，执行步骤2，否则十五分钟后第一消防机器人401执行步骤1。

阴燃火坐标的标定方法如下：在巡逻区域的水平面内建立绝对坐标系；

以第一消防机器人401为例，标定第一消防机器人401当前位置点A的绝对坐标为(X₀，Y₀)，在红外图像中标记火焰中心点F，调整云台使F点与红外图像中心点重合，读取此时红外热成像传感器101的光轴方向与前进方向夹角θ₁，与水平面夹角α₁；前进方向与绝对坐标系中x轴夹角为σ；

消防机器人沿前进方向移动距离k，再次调整云台使F点与红外图像中心点重合，读取此时红外热成像传感器101的光轴方向与水平面的夹角θ₂；其中θ₁、θ₂、α₁的角度均小于180°。根据绝对坐标(X₀，Y₀)，K、θ₁、θ₂、α₁、σ的数值求出点F的绝对坐标。

具体的，此时火焰中心点F与第一消防机器人401的位置A、B构成一个三角形，过点火焰中心点F取垂直AB于点P的垂线。

此时对于ΔAFP和ΔBFP有：

代入AP+BP＝k得：

此时，

此时火源高度为：H＝BF×sinα；距离401的水平距离为：x＝BF×cosα₁。此时401行进方向与坐标x轴夹角为σ，消防机器人在仓库地图中绝对坐标为(X₀，Y₀)，则火源在仓库的绝对坐标(X，Y)：

对于在火灾过大情况下，使消防机器人分别在距离火源一米，两米等距离下的多次成像并处理后，提取高温特征块个数，将不同距离下得到的高温特征块个数取平均值q，由q＝n得到不同距离下的火灾过大阈值n；对于火灾熄灭情况下使机器人分别在距离火源一米，两米等距离下的多次成像并处理后，提取高温特征块个数，将不同距离下得到的高温特征块取平均值e，由e＝m，得到不同距离下火灾熄灭阈值m。将上述不同距离下的m与n的数值输入处理器存储。

当执行火势检测算法时，求得消防机器人与阴燃火之间的距离b，查询处理器中，当前距离下预设的火灾过大阈值n与火灾熄灭阈值m，并得到当前距离b下高温特征块个数c；

当n>c>m则判定为单个消防机器人可灭火；

当n<c时则判定为火灾过大，需要多台消防机器人协作灭火；

当c<m时则判定为火灾熄灭。

消防机器人在发现火源后需要到达消防位置，进行喷水灭火，此时根据阴燃火坐标标定方法得到消防机器人与阴燃火之间的距离b，此时喷嘴209喷射方向的仰角可知，记为α₂，此时α₂即为喷射云台中喷嘴喷射的中心轴线与水平面夹角。

水流喷射初速度为V₀；最终喷射角度为β；则阴燃火中心点高度H＝b×sinα、水流水平速度v_x＝v₀×cosβ，竖直方向初速度v_y＝v₀×sinβ；由能量守恒定理得出：

由V₀、g、H已知可推得：

此时机器人还需要向火焰方向移动的距离为：

实施例3一种消防机器人灭火系统，包括多个实施例2中所述的消防机器人。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims

1.一种消防机器人，其特征在于，包括本体，本体上安装有处理器和红外热成像传感器，红外热成像传感器用于获得消防机器人周边环境的红外图像，红外热成像传感器通过云台安装在消防机器人的本体上，以改变红外热成像传感器的拍摄方向；处理器能够接收红外图像并执行阴燃火检测算法。

2.根据权利要求1所述的消防机器人，其特征在于，其特征在于，所述阴燃火检测算法包括以下步骤：

获得红外热成像传感器输出的红外图像；

对红外图像进行二值化处理；

提取出高温特征块的个数，以及高温特征块在红外图像中的编号；

若提取到的高温特征块的数量高于设定值，并且有高温特征块编号连续时，则判定为发现阴燃火；否则判定为未发现阴燃火。

3.根据权利要求1所述的消防机器人，其特征在于，所述消防机器人中设置有通信组件，消防机器人之间能够通过通信组件相互通信。

4.一种消防机器人灭火调度方法，利用了权利要求1-3中任意一项所述的消防机器人，其特征在于，包括以下步骤：

多个消防机器人分别在不同区域巡逻，通过红外热成像传感器扫描周围环境，并执行阴燃火检测算法；检测到阴燃火时，执行火势检测算法；

5.根据权利要求4所述的消防机器人灭火调度方法，其特征在于，完成灭火后，留置一个消防机器人对阴燃火监测设定时间，当阴燃火复燃后，进行灭火。

6.根据权利要求4所述的消防机器人灭火调度方法，其特征在于，检测到有阴燃火时，当前消防机器人标定阴燃火坐标，并发送至其他的消防机器人。

7.根据权利要求6所述的消防机器人灭火调度方法，其特征在于，阴燃火坐标的标定方法如下：在巡逻区域的水平面内建立绝对坐标系；

消防机器人当前位置的绝对坐标为(X₀，Y₀)，在红外图像中标记火焰中心点F，调整云台使F点与红外图像中心点重合，读取此时红外热成像传感器的光轴方向与前进方向夹角θ₁，与水平面夹角α₁；前进方向与绝对坐标系中x轴夹角为σ；

消防机器人沿前进方向移动距离k，再次调整云台使F点与红外图像中心点重合，读取此时红外热成像传感器的光轴方向与水平面的夹角θ₂；

根据绝对坐标(X₀，Y₀)，K、θ₁、θ₂、α₁、σ的数值求出点F的绝对坐标。

8.根据权利要求6或7所述的消防机器人灭火调度方法，其特征在于，所述火势检测算法包括：求得消防机器人与阴燃火之间的距离，查询处理器中，当前距离下预设的火灾过大阈值n与火灾熄灭阈值m，并得到当前测量距离下高温特征块个数c；

当n>c>m则判定为单个消防机器人可灭火；

当n<c时则判定为火灾过大，需要多台消防机器人协作灭火；

当c<m时则判定为火灾熄灭。

9.根据权利要求4所述的消防机器人灭火调度方法，其特征在于，根据绝对坐标值得到消防机器人与阴燃火之间的距离b，此时喷嘴喷射方向的仰角可知，记为α₂；水流喷射初速度为V₀；最终喷射角度为β；则阴燃火中心点高度H＝b×sinα₂、水流水平速度v_x＝v₀×cosβ，竖直方向初速度v_y＝v₀×sinβ；由能量守恒定理得出：此时消防机器人还需要向火焰方向移动的距离为：

10.一种消防机器人灭火系统，其特征在于，包括多个权利要求1-3中任意一项所述的消防机器人。