CN212282643U - 一种基于视觉slam的消防侦察灭火机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，包括机器人本体和远程控制装置，所述机器人本体包括电源系统、运动控制系统、侦察系统、灭火系统及各系统的电气器件；所述侦察系统包括地图构建系统、传感器系统和雷达生命探测仪；能够代替消防员进入高温、浓烟密布的建筑火场环境中，通过运动系统实现在火场中的移动，同时通过侦察系统构建火场地图，侦察火场环境,同时将侦察到的火源和被困人员等信息融合到所构建的地图上，消防员可以根据机器人所构建地图制定救援计划，机器人可以依靠地图进行定位导航，同时根据侦察到的火源等信息使用不同灭火类型的灭火器，替代消防员进行灭火救援，减少人员伤亡，提高救援效率。

Description

一种基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人

技术领域

本实用新型属于消防机器人技术领域，尤其涉及一种基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人。

背景技术

随着科技的快速发展，采用消防机器人代替消防员进入火场环境开展侦察灭火等救援工作越来越普遍，然而，绝大多数消防机器人不能实时构建火场环境地图，导致机器人不能实现定位、导航和自主行走等智能化功能，而且火灾的巨大破坏作用,导致环境发生较大变化,原有的环境地图无法使用,火场环境地图的缺失，极大影响了救援方案的制定和消防员深入火场进一步开展救援的速度。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，可以代替消防员进入高温浓烟、能见度差、有毒气体的建筑火场环境中进行侦察，机器人配备灭火系统，可以代替消防员进入复杂的建筑火场中实施灭火救援。

本实用新型通过以下方式实现。

一种基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，包括机器人本体和远程控制装置，所述机器人本体包括电源系统、运动控制系统、侦察系统、灭火系统及各系统的电气器件；所述运动控制系统包括履带式底盘，履带式底盘中设置用于存放各系统的电气器件；所述侦察系统包括地图构建系统、传感器系统和雷达生命探测仪。

所述地图构建系统包括设置在履带式底盘上的热成像摄像机、三维激光雷达、IMU和编码器；所述传感器系统包括设置在履带式底盘上的温度传感器、气体传感器、烟气浓度传感器。

所述热成像摄像机通过云台与云台支架连接，云台支架与履带式底盘连接，所述三维激光雷达通过三维激光雷达支架与履带式底盘连接。

所述灭火系统为自启动灭火器，自启动灭火器包括灭火器及设置在灭火器侧边的启动部和调整部。

所述启动部包括灭火器一侧设置启动伸缩杆，启动伸缩杆端部的卡槽与灭火器触发阀卡接；所述调整部包括灭火器一侧设置调整伸缩杆，调整伸缩杆端部的支架支撑灭火器喷射管。

所述自启动灭火器与旋转轴顶部的转盘连接，旋转轴可转动连接于履带式底盘上。

所述旋转轴上设置第一齿轮，电机输出轴上设置第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合。

所述转盘上至少设置一个自启动灭火器。

所述履带式底盘上设置闪光警示灯。

本实用新型的一种基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，能够代替消防员进入高温、浓烟密布的建筑火场环境中，通过运动系统在火场中移动，同时通过侦察系统构建火场地图，将侦察到的火源和被困人员等信息融合到所构建的地图上，消防员可以根据机器人所构建地图制定救援计划，机器人可以依靠地图进行定位导航和路径规划，同时根据火灾类型安放不同灭火类型的灭火器，替代消防员进行灭火救援，减少人员伤亡，提高救援效率。

说明书附图

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的另一视角结构示意图。

图3为本实用新型自启动灭火器的结构示意图。

图4为本实用新型自启动灭火器的另一视角结构示意图。

图5为本实用新型电气器件舱分布示意图。

其中100是机器人本体，101是履带式底盘，102是增益天线，103是闪光警示灯；201是云台支架，202是云台，203是热成像摄像机，204是雷达生命探测仪，205是烟气浓度传感器，206温度传感器，207是气体传感器，208三维激光雷达支架，209是三维激光雷达；300是自启动灭火器，301是灭火器，302是灭火器触发阀，303是卡槽，304是灭火器喷射管，305是启动伸缩杆，306是调整伸缩杆，307是支架，308是旋转轴，309是转盘，310是第一齿轮，311是齿轮电机，312是固定盘，313灭火器固定架，314是第二齿轮；401是工控机，402是接触器，403是空气开关，404电压转换装置，405是电机驱动控制器，406是接线端子，407是电机驱动装置，408是STM32单片机，409是IMU。

具体实施方式

下面结合附图好实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释说明相关实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅显示出了与实用新型相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例即实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来说明本实用新型。

请参考图1-图5，本实用新型提供一种基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，包括机器人本体100和远程控制装置（附图中未显示），所述机器人本体100包括电源系统、运动控制系统、侦察系统、灭火系统及各系统的电气器件；所述运动控制系统包括履带式底盘101，履带式底盘101中设置用于存放各系统的电气器件；所述侦察系统包括地图构建系统、传感器系统和雷达生命探测仪204。

本实用新型能够代替消防员进入高温、浓烟密布的建筑火场环境中，通过运动系统在火场中移动，同时通过侦察系统构建火场地图，将侦察到的火源和被困人员等信息融合到所构建的地图上，消防员可以根据机器人所构建地图制定救援方案，机器人可以依靠地图进行定位导航，为消防员规划救援路径，同时根据传感器系统侦察到的烟雾等信息安放不同灭火材料的灭火器，替代消防员进行灭火救援，减少人员伤亡，提高救援效率。

履带式底盘101采用克里斯蒂独立悬挂设计,在重载情况下具有较好的稳定性,左右两个履带各配备一个无刷直流电机和减速装置,具有较大的驱动能力,能够越过障碍物和攀爬楼梯；每条履带拥有一个驱动轮、三对负重轮，驱动轮与减速装置连接,减速装置与48V直流无刷电机相连。履带式底盘101中的舱体整体密封，内部用于存放电气器件，舱体中分割为4部分，分别为灭火装装置电气器件舱、各系统电气器件舱、锂电池舱和电机舱，各分舱之间进行封闭隔离，仅有导线互相连接,避免易燃易爆气体进入舱体内部。

地图构建系统包括设置在履带式底盘101上的热成像摄像机203、三维激光雷达209、雷达生命探测仪204，IMU 409和编码器（在电机尾部安装，图上体现不出来）；所述传感器系统包括设置在履带式底盘101上的温度传感器206、气体传感器207、烟气浓度传感器205。

地图构建系统分为激光SLAM地图构建和视觉SLAM地图构建，编码器根据电机转速、履带驱动轮直径计算机器人运行速度构成轮式里程计,IMU 409构成惯性里程计。激光SLAM算法根据三维激光雷达209、惯性里程计和轮式里程计信息构建环境地图；视觉SLAM算法根据热成像摄像机203、惯性里程计和轮式里程计信息构建环境地图。三维激光雷达209测量数据准确度较高、速度较快，但是三维激光雷达209不能提取环境中的语义信息,并且三维激光雷达209在烟气环境中衰减较大，当烟气浓度较高时激光雷达将不能正常工作。热成像摄像机203的成像不受烟气浓度的影响可以清晰成像，能获取较为丰富的环境信息,但是丰富的信息导致数据量较大，处理较为复杂，准确度和速度低于激光雷达。因此，采用激光SLAM和视觉SLAM互补使用，当烟气浓度较高时使用视觉SLAM构建环境地图，否则使用激光SLAM构建环境地图。

温度传感器206用于测量火场环境的温度信息、烟气传感器205用于测量火场环境的烟气浓度、气体传感器207用于测量环境中的有毒有害和易燃易爆气体，烟气传感器205、温度传感器206、气体传感器207，与工控机401的GPIO口连接，数据处理系统为工控机401用于运行ROS系统程序、SLAM地图构建算法和控制机器人运动，工控机连接有增益天线102用于传输侦察信息和接收来自远程控制装置的信息。

雷达生命探测仪204安装在履带式底盘101上表面的最前方，它借助于电磁波可以穿透一定厚度的遮挡介质，探测到火场被困人员的生命信息，其通过USB和工控机401连接。

所述热成像摄像机203通过云台202与云台支架201连接，云台支架201与履带式底盘101连接，所述三维激光雷达209通过三维激光雷达支架208与履带式底盘101连接。

激光雷达选用三维激光雷达209，具体型号为VelodyneVLP-16，安装在三维激光雷达支架208上，支架高0.6米，直径0.06米，中间为空心结构，用于布置导线，三维激光雷达209通过RJ45接口和工控机401连接,三维激光雷达209地图构建采用开源SLAM算法Cartographer。热成像摄像机203采用DH-TPC-

BF5400，热成像摄像机203通过RJ45接口和工控机401连接传送图像数据,视觉SLAM地图构建算法采用ORB-SLAM3中的单目SLAM算法。

云台202二自由度云台上，可实现左右360度旋转和上下180度旋转，云台202安装在云台支架201上，云台支架201上为圆柱形之间，内部为空心结构，上下各安装一个圆盘，圆盘上有安装孔，上部分圆盘用于安装云台，下部分圆盘用于固定支架，支架高度为0.5米，直径为0.1米。

所述机器人本体100还包括自启动灭火器300，所述灭火系统为自启动灭火器300，自启动灭火器300包括设置在灭火器301以及设置灭火器301侧边的启动部和调整部。

所述启动部为灭火器301一侧设置启动伸缩杆305，启动伸缩杆305伸缩端的卡槽303与灭火器触发阀302卡接；所述灭火器301一侧设置调整伸缩杆306，调整伸缩杆306伸缩端的支架307支撑灭火器喷射管304。

也就是将灭火器301可拆卸连接于履带式底盘101上，将启动伸缩杆305的底部固定在灭火器301的一侧，启动伸缩杆305的伸缩端固定卡槽303，卡槽303与灭火器触发阀302卡接，通过伸缩杆的伸展开触发灭火器启动；将调整伸缩杆306固定在灭火器301的一侧，调整伸缩杆306的伸缩端固定弧形的支架307支撑灭火器喷射管304，支架307能够通过伸缩杆的伸缩调整灭火器喷射管304的喷射角度。

所述自启动灭火器底部与旋转轴308顶部的转盘309连接，旋转轴308可转动连接于履带式底盘101上。

将自启动灭火器底部与旋转轴308顶部的转盘309连接，可通过转动转盘实现360度旋转喷射，喷射面积广；旋转轴308通过底部的固定盘312与履带式底盘101上，旋转轴308贯穿履带式底盘舱，固定盘312固定于舱内底。

所述旋转轴308上设置第一齿轮310，齿轮电机311输出轴上设置第二齿轮314，第一齿轮310与第二齿轮314啮合。通过调整不同大小的齿轮比调整自启动灭火器300的旋转速度。

所述转盘309上至少设置一个自启动灭火器，也可以是多个，设置4个自启动灭火器时效果较好。灭火器以手提式灭火器作为灭火材料，每次可携带4罐各种类型的灭火器，4罐灭火器均匀分布在转盘309上。灭火器301放置在灭火器固定架313上，灭火器固定架313底部为圆形凹槽用于放置灭火器，圆形凹槽内上安装有压力传感器，用于监测灭火器灭火材料的剩余量，灭火器固定架上方为两个金属抱箍进一步固定灭火器，通过螺丝快速调节抱箍的松紧，从而适用不同直径的灭火器，灭火器固定架313固定在转盘309上。采用4台启动伸缩杆305作为灭火器的触发转装置，启动伸缩杆305内置编码器可准确调整行程，确保快速适应不同高度的灭火器。每台启动伸缩杆伸缩端安装凹形卡槽303，牢固的卡紧灭火器触发阀302，精准提供受力点，确保触发成功。底部圆盘以12V直流减速电机为动力源，通过角度传感器测量的旋转角度，可使每组触发控制装置精准旋转，自由轮换喷射灭火。金属圆盘中间安装导电滑环，避免圆盘在旋转的过程中导线的缠绕，确保设备供电和控制信号的传输。灭火装置的触发使用STM32单片机 408进行直接控制，STM32单片机 408 GPIO口与L289N电机驱动装置407连接，L289N电机驱动装置407和伸缩杆伸缩电机连接，进而控制伸缩电机的运动，伸缩电机内安装编码器，编码器信息传输给STM32单片机408，实现对伸缩电机的精准控制。

所述履带式底盘上设置闪光警示灯103，闪光警示灯103中的高亮度红色LED灯采用塔型分布，同时有规律的闪动，起到警示和显示机器人在火场环境中位置的作用。

电气器件在为现有技术，其在履带式底盘101舱内的分布如图5所示，工控机401采用自散热结构，避免散热风扇处流入易燃易爆气体；IMU 409采用SC-AHRS-100D2，IMU 409通过USB和工控机401连接通信；运动控制系统，电机驱动控制器405采用KYDBL4850-2E,通过RS232和工控机401通信，编码器安装在直流无刷电机的尾部,电机转轴插入编码器中,通过两颗螺丝与转轴固定,通过螺丝将编码器固定在电机的尾部。编码器与电机驱动控制器405连接，完成直流无刷电机的PID闭环控制；接线端子406实现电气连接。

电源系统包括48V锂电池、空气开关403、接触器402、电源开关、急停开关、电压转换装置404和电压监控装置，空气开关403为系统总开关、具有过载保护、短路保护和漏电保护等功能；电源开关和急停开关通过控制主线路上的接触器402实现电源的开关控制；电源转换装置用于将高电压转换为低电压为其他装置供电；电源监控装置用于监控电池电压、电流和电量。电源系统为现有技术较为成熟的技术。

本实用新型机器人使用步骤，首先打开机器人本体上的急停开关和电源开关，其次运行远程控制装置端的控制软件，在软件界面上连接机器人本体，连接成功后即可实现二者之间的通信，通信成功之后远程控制界面上将显示电池信息，电池信息包括电压、电流、电量等，环境温度、烟气浓度和气体浓度等信息。在软件界面上开启激光雷达和热成像摄像机，开启地图构建程序即可实现火场环境的地图构建、机器人在地图中的定位信息和运动轨迹。可以手动控制机器人进入火场中进行救援工作，也可以让机器人进行自主行走探索，当机器人使用热成像摄像机和雷达生命探测仪发现火源或被困人员后，会根据图像信息和雷达生命探测仪的信息，计算机器人与火源或被困人员的方位信息和距离信息，根据计算信息，将火源或被困人员位置信息显示在地图上，若发现的是火源，消防员可控制机器人实行灭火救援；若发现的是被困人员，消防员可以机器人构建的地图为依据，快速开展救援行动。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。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 (9)

1.一种基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，包括机器人本体和远程控制装置，其特征在于：

所述机器人本体包括电源系统、运动控制系统、侦察系统、灭火系统及各系统的电气器件；

所述运动控制系统包括履带式底盘，履带式底盘中设置用于存放各系统的电气器件；所述侦察系统包括地图构建系统、传感器系统和雷达生命探测仪。

2.根据权利要求1所述的基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，其特征在于：所述地图构建系统包括设置在履带式底盘上的热成像摄像机、三维激光雷达、IMU和编码器；

所述传感器系统包括设置在履带式底盘上的温度传感器、气体传感器、烟气浓度传感器。

3.根据权利要求2所述的基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，其特征在于：所述热成像摄像机通过云台与云台支架连接，云台支架与履带式底盘连接，所述三维激光雷达通过三维激光雷达支架与履带式底盘连接。

4.根据权利要求1所述的基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，其特征在于：所述灭火系统为自启动灭火器，自启动灭火器包括灭火器及设置在灭火器侧边的启动部和调整部。

5.根据权利要求4所述的基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，其特征在于：所述启动部包括灭火器一侧设置启动伸缩杆，启动伸缩杆端部的卡槽与灭火器触发阀卡接；所述调整部包括灭火器一侧设置调整伸缩杆，调整伸缩杆端部的支架支撑灭火器喷射管。

6.根据权利要求5所述的基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，其特征在于：所述自启动灭火器与旋转轴顶部的转盘连接，旋转轴可转动连接于履带式底盘上。

7.根据权利要求6所述的基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，其特征在于：所述旋转轴上设置第一齿轮，电机输出轴上设置第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合。

8.根据权利要求7所述的基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，其特征在于：所述转盘上至少设置一个自启动灭火器。

9.根据权利要求1所述的基于视觉SLAM的消防侦察灭火机器人，其特征在于：所述履带式底盘上设置闪光警示灯。

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