基于內部通訊的全自動滅火救援機器人系統的研究

作者 / 倪銀堂、王振豪、呂迪洋，南京工程學院

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基于內部通訊的全自動滅火救援機器人系統的研究

作者 / 倪銀堂、王振豪、呂迪洋，南京工程學院

項目內容：本項目為南京工程學院大學生科技創新基金項目（項目編號TZ20160010）

本系統中墻體固定傳感器可實現對火情的監測，在起火后第一時間通知場地人員和上位機，上位機接收到數據后空中喚醒滅火機器人和救援機器人。機器人通過通訊模塊與上位機實現數據的交換與處理，實現機器人個體的自主運行與機器人間的協同工作，提高了滅火和救援的效率。

機器人；滅火；救援；內部通訊；協同

引言

目前世界各國在消防救援上主要使用遙控型機器人，不僅需要專業人員進行遠程操控，以攝像機捕捉的場景進行遠程操作難度較大；而且在火災發生到從消防中心搬運機器人至現場也可能會錯過最佳的救援時間。一些實驗室和公司正在攻克自主救援機器人的難題，有望在救援時實現機器人的自主工作。同時，機器人協同工作也是機器人領域的一個研究方向，不同功能的機器人具有明確的分工，通過通訊協作完成復雜的任務。

1. 研究內容

構建一種基于內部通訊的的全自動滅火救援機器人系統，包括上位機、滅火機器人、救援機器人和墻體固定傳感器四個部分。上位機與墻體固定傳感器實現一對多形式的通訊模塊連接，工作時墻體固定傳感器單方向發送數據給上位機。上位機軟件對數據處理后，通過通訊模塊向滅火機器人與救援機器人發送指令，機器人也可以向上位機反饋傳感器接收的數據以及自身的工作情況。

■1.1 墻體固定傳感器

（1）主要構成：微處理器，排風報警系統，通訊模塊，火焰傳感器和可燃性氣體傳感器等火情監測傳感器，紅外人體釋熱傳感器和多普勒位移傳感器等；

（2）安裝位置：在每個房間的墻體上固定安裝；

（3）功能：實時監測房間內的各種數據，如果出現某個指數超標，則立即不間斷的發送數據到上位機，直到指數達到正常水平；實現蜂鳴器的報警功能與排風系統的工作；通過人體紅外釋熱傳感器和多普勒位移傳感器實現對被困人員的監測。

■1.2 上位機

（1）主要構成：上位機軟件，微處理器，通訊模塊等；

（2）功能：處理從墻體固定傳感器、救援機器人和滅火機器人接收到的數據，綜合處理之后，發指令控制各個部分執行相應操作。在救援人員介入滅火救援后成為整個系統的控制端，為救援人員提供火災和救援情況等信息。

■1.3 滅火機器人

（1）主要構成：微處理器，滅火系統，多種傳感器（模擬量輸出火焰傳感器，距離傳感器，記米器，光電傳感器，角速度傳感器，加速度傳感器等），通訊模塊等；

（2）功能：接受上位機的指令執行自動規劃路徑，尋找火源并撲滅火源，向上位機傳輸數據。

■1.4 救援機器人

（1）主要構成：微處理器，救援系統（救援艙，機械臂等），多種傳感器（人體紅外釋熱傳感器，距離傳感器，記米器，光電傳感器，角速度傳感器，加速度傳感器等）、高清攝像頭、視頻無線傳輸模塊、通訊模塊等；

（2）功能：自動工作模式下接受上位機的指令執行自動規劃路徑，尋找被困人員時使用安全艙收納被困人員，將被困人員運送到預設的安全地點后執行自動搜索指令；受控模式下上位機可控制機器人行進路線，可使用機械臂實現清障功能，可通過攝像頭獲得以救援機器人第一視角的實時視頻；可向上位機傳輸數據。

2. 具體實施過程

■2.1 墻體固定傳感器向上位機發送數據

正常情況下，上位機和墻體固定傳感器處于開機狀態，救援機器人和滅火機器人處于休眠狀態；墻體固定傳感器不間斷向上位機發送數據。當有異常情況發生時，上位機空中喚醒救援機器人和滅火機器人置于工作狀態。如果墻體固定傳感器檢測到可燃性氣體超標會打開排風系統，直到危險解除。

■2.2 上位機控制滅火機器人滅火

墻體固定傳感器檢測到明火，會立即向上位機發送異常點的位置、傳感器接收到的數據，同時通過蜂鳴器向場地人員報警。上位機會向滅火機器人發送指令，滅火機器人自動計算路徑以最短時間到達指定地點勘察具體情況并實施滅火及數據采集，同時，墻體固定傳感器也會檢測著火點的火情，如果滅火機器人順利滅火，滅火機器人復位，補充電能，關閉蜂鳴器；如果滅火機器人和墻體固定傳感

器檢測到火勢已超出自身能力范圍，則上位機實現網絡報告火警，說明具體地點和火勢，滅火機器人繼續滅火。

■2.3 上位機控制滅火、救援機器人協同工作

當火勢過大并檢測到有被困人員，墻體固定傳感器會立即向上位機發送位置信息，上位機在處理之后會立即向救援機器人發送指令，前往指定地點實施救援，如果救援機器人在預定位置檢測到被困人員，則立即打開安全艙，待被困者進入安全艙，迅速撤離火災現場，運送至指定的安全地點。在運送完后，救援機器人實現自動搜索，營救被困人員。火源全被撲滅后系統還原，并完成對機器人的電能補充。

■2.4 救援機器人的工作模式切換

若救援人員趕到現場，可通過上位機向救援機器人發送指令，救援機器人暫停自動工作狀態（滅火機器人仍繼續工作），此時救援機器人的行為以及安裝在機器人上的起清障作用的機械手和救援艙可以通過上位機控制實施救援，同時可通過上位機打開視頻傳輸通道，接受救援機器人發回的實時圖像。

3. 研究的創新點

（1）實際使用中上位機和墻體固定傳感器處于開啟狀態，在火災發生后機器人及時啟動，在一定程度上加快了火災后的反應能力，也強調了系統的節能性。

（2）起火后系統立即做出反應，通知場地工作人員并迅速根據情況派出不同的機器人。實現機器人的協同工作，通過通訊模塊實現機器人與上位機的數據通訊。

（3）墻體固定傳感器實現全覆蓋，可以實現數據的采集和簡易的排風報警等功能；救援機器人的自動工作狀態和受控狀態的切換，為救援提供更多的選擇。

4. 研究展望

（1）通過延長履帶底盤的長度并提高其穩定性，使得機器人能夠自主爬樓，通過拓撲結構完成多層樓的信息交互，若某層樓的情況較為嚴重可調集其他樓層的機器人前往。

（2）通過金屬的渦流效應制備具有辨別火源類型功能的傳感器并搭載在墻體固定傳感器上，針對金屬火源和非金屬火源采用不同的處理方法。

（3）通過搭載熱成像儀和攝像頭多旋翼飛行器自主繞起火樓飛行并捕捉數據，為救援人員提供更豐富的數據。

5. 結語

通過滅火機器人、救援機器人與上位機的通訊，墻體固定傳感器與上位機的通訊，實現機器人間的協同工作。本機器人系統在迅速反應從而減少火災帶來的財產損失、救援被困人員上起著不可估量的作用；同時也由于本系統制備工藝簡單帶來成本較低，占地面積較小，操作難度低，具有可觀的經濟效益和應用前景。