智能火災偵察機器人

丁嘉輝 劉白雪 侯姍汝

摘要：火帶給人們光明和溫暖，但是失去控制的火帶就會給人們災難。火災已成為威脅社會發展最常見的災害之一，隨著我國科技水平的不斷提高，對火災智能偵查、救援和滅火也越來越受到人們的關注，本作品的創意是在救援和滅火之前能快速探測現場的各種數據并迅速傳遞到指揮中心，為指揮中心決策提供依據本作品是以履帶式行走機構為底盤結構，STM32單片機為控制核心，加以編碼電機、超聲波傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、紅外成像儀、機械臂和電源電路以及其他電路構成。實現探測車的智能控制包括路面智能清障和避障、生命探測、智能火源檢測、自動滅火、路程測量、數據傳遞、視頻傳輸、LCD屏顯示、定點偵查、火災預防等功能并且各功能之間可以相輔相成，相互配合、緊密聯系的形成實用型多功能系。

一、緒論

1.1前言

在沒有了解火災現場煙霧濃度、溫度、有害氣體種類時進行救援和滅火會增加難度嚴重時造成消防員傷亡，基于這個問題，我們的創意是在救援和滅火之前能快速探測火災現場的溫度、煙霧濃度和有無被困人員等數據并迅速傳遞到指揮中心，為指揮中心決策提供依據。根據不同火災現場采取不同的救援方案或者滅火策略。我們相信終有一天在危險的火災現場，消防員可以快速的掌握現場情況努力做到不用身陷火中就能救援和滅火。

1.2引言

2018年美國加州再次發生森林大火，大火整整燒毀1600平方公里的森林。造成多人不幸死亡，1000多戶房屋被毀。人員傷亡、財產損失非常嚴重。隨著科技的不斷發展，智能機器人面對人類無法快速解決的難題做出了巨大的貢獻并且可以在各領域都得以空前的發展，尤其是在地震、泥石流、水災、火災等各類災害方面，智能機器人都發揮了無限的潛力，突破了很多難題使我們進入了智能時代，在各種災害中，火災是最經常、最普遍地威脅公眾安全和社會發展的主要災害之一，其破壞力大、突發性強，給人類的生產和生活帶來了不同程度的損害。更重要的是，火災爆發的時間和地點比較隨機，誘因多樣，有自然引發和人為造成，一旦發生，難控制，還會造成二次傷害，這給消防人員帶來了極大的挑戰，同時也給救援人員帶來了生命威脅。為了應對復雜的火災，火災智能機器人的研制是減少火災傷情的一個有效措施。隨著我國信息化技術的不斷發展，其在我國各行各業中都得到了綜合全面的應用，消防滅火領域也不例外。各類信息化技術的引入有效提高了具體消防滅火工作的效率，能夠在火災發生的第一時間就采取相應的措施，可以盡快的將火勢控制下來，帶來了顯著的社會效益。本文先闡述了信息化技術在消防滅火領域中的具體應用，接著通過做好信息化服務、開展信息化指揮、形成信息化平臺的總流程，探討了在消防滅火救援指揮系統中進行信息化建設的具體途徑和步驟，最后還從增強消防人員的信息化水平、提高系統信息化建設的進程兩個方面，探討了信息化應用的具體保障措施。通過近年來商業綜合體建筑火災典型案例，分析商業綜合體建筑的火災特點及滅火救援難點，從細化滅火救援專項設計、攻克火災救援現場關鍵環節難點、打造滅火救援拳頭部隊、構建戰勤保障聯動體系等方面提出相應解決對策，為類似建筑火災的滅火救援提供參考。火災發生時，火災現場產生的煙氣具有毒性，減光性，恐懼性和灼傷性四大危害，是逃生和火災救援的最大威脅，為了提高被困人員的逃生幾率，加快消防人員的救援速度，及時排出煙氣是非常重要的。通過介紹自然排煙系統、機械排煙系統和噴霧水排煙三類常用排煙方法，分析其在火災救援過程中的作用，為火災救援提供幫助。火災救援現場煙霧繚繞、環境惡劣，火災救援首要的是快速救人，以此為目標，基于區域分割思想，設計一種快速的室內定位方法。首先根據環境進行不均勻的區域分割并設置信標節點。接收到的 RSSI 進行卡爾曼濾波和中位加權處理之后，再運用三邊定位方法獲取目標的位置信息。火災是常見災害之一，對于人們的身心健康以及社會的穩定發展都具有直接影響。而火災的發展具有突發性特點，要想提升滅火救援工作效率，將火災給人們生命和財產帶來的損失降到最低，積極進行滅火救援數字化建設勢在必行。鑒于此，本文首先對滅火救援中數字化建設的意義進行了簡要分析，并詳細探討了滅火救援中數字化建設的具體應用，以供參考。為獲取最優的救援路徑，以提高救援的有效性和實時性，文中提出了一種粒子群蟻群融合算法。該算法在分析影響路徑選擇因素的基礎上，運用模糊數學中的層次分析法評定了道路的權重，建立了消防滅火救援模型; 使用粒子群算法快速獲取次優解，將此次優解作為蟻群算法的初始信息素增量，并將求解出各段路徑權重矩陣引入到優化后的蟻群算法狀態轉移概率的求解模型中來，再利用這種改進后的狀態轉移規則，且考慮行車速度時變性的基礎上求解出模型的最優解。實驗結果表明，該方法可以完成最佳救援路徑的規劃。火災是人們日常生產生活中經常遇到的災害之一，在滅火救援過程中，經常聽到消防員傷亡的消息。為了有效減少這種現象的發生，保障消防人員的生命安全，就要總結消防人員發生傷亡的原因，再采取相應措施。本文根據一些消防事例對消防人員傷亡原因進行歸納，并提出了改進方法，希望為消防部門提供依據，防止消防人員在工作時出現傷亡，保證自身安全。

2、國內外研究現狀

國內外對于火災方面的智能機器人研制已經有了一個開始，據美國80年代中期Coper的研究報告發現， 33%的煙霧探測器不能正常工作，進一步研究發現95%的煙霧探測器由于噪聲干擾而產生誤報。因此若干年前就產生了檢刷燃燒過程中化學生成物以期改善探劇性能實現早期火災探測的想法，但是和其它氣體傳感器的應用場所不同，火夾探測使用的傳感器 般都起著很重要的作用，由于對特定氣體的可靠探測技術比對溫升和煙塵的檢測技術復雜，價格昂貴，因此火災氣體探測技術一直處于可望而不可及的境地。這就需要智能的自動裝置進入人無法到達同地區進行火源探測。我國近幾年也有相關研究。 根據現有的研究成果，可以發現火災機器人的設計和火災發生的地點關系密切， 不同地理位置和環境會直接影響火災的走勢和救援方法， 具體可以分為隧道火災、森林火災、住宅火災、公共場所火災等多種類別。不同類別的火災，其火源特質不同，往往難以控制、削弱，對生命財產造成重大損失。本文結合現有的研究成果把火災智能機器人主要分成了偵查、滅火和救援三大類，并對其功能、技術、難點進行了總結，以此提出未來研制思路，為火災機器人的發展提供幫助。傳統的火災探測器中感溫探測器，感煙探測器，感火焰探測器其原理是基于火災中溫度變化或者利用火災煙霧、火焰的電學、光學等物理特性來進行火災識別。這種識別模式很難可靠地發現早期火災，如感煙探測器不能探測到酒精火焰，感溫探測器不易探測到陰燃火源。在現代高大空間建筑中，當存在遮擋和環境干擾的時候，常規的感煙、感溫探測器由于火災燃燒產物在空間傳播受空間高度和面積的影響，很難對火災發生快速響應。現在市場上的偵查機器人主要功能是對現場環境和泄漏情況的偵查，還有連接消防水帶進行救火，對危險品的轉移，現場救援和火災易發區域定點偵查的狀況沒有進行全面的考慮，因此現有 市場產品一般存在以下三個缺點：其一是缺少快速救援裝置，只能起到偵查以及滅火功能， 缺少對現場火源、危險品以及人員的轉移，可能會使現場造成二次火情和不能減少人員的 傷亡;其二是滅火裝置一般都是與消防水帶連接，也就是意味機器人在進入火場的時候需 要帶著后面的水管進入，增加了機器人自身的重量和越野的困難，會對其現場偵查以及救援的快速性進行干擾;其三是無法更準確的了解火災現場內部的情況和無法對火災易發生區域進行定點偵查進而預防火災發生。

二、系統方案

本系統主要由STM32F103ZET6芯片、傳感器、機械臂、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

1、主控制器件的論證與選擇

方案一：采用傳統的51系列單片機：

傳統的51單片機為8位機，價格便宜，控制簡單，但是運算速度慢，片內資源少，存儲容量小，難以存儲大體積的程序和實現快速精準的反應控制。并且受時鐘限制，計時精度不高，外圍電路也增加了系統的不可靠性。

方案二：采用STM32F103做主控：

STM32F103是16位機，成本低、性能高、功耗低，運算速度遠快于51單片機，片內資源較多、儲存容量大。Stm32單片機程序都是模塊化的，接口相對簡單，因它自身帶多種功能，工作速度也快。而51的自身功能少，需要外圍原件多。

綜上所述：我們選擇方案二，采用以STM32F103作為控制器。

2、方案系統描述

本方案采用STM32F103t6對智能消防智能探測車全方位控制，通過pwm對編碼電機轉速進行控制以及舵機轉動角度進而控制機械臂的抓取，實現智能壁障，抓取為更快的到達火源。對溫濕度傳感器的控制實現對周圍環境溫濕度實時檢測，煙霧傳感器對火災現場煙霧濃度進行檢測。控制攝像頭對現場情況進行后端顯示。主控對編碼電機，機械臂，傳感器進行控制對火災現場進行一個探測并將實時數據進行顯示小車還配有滅火裝置，對火源進行撲滅。

三、系統理論分析

1、作品介紹

智能火災偵查機器人，包括連接于機器人身上的可編程stm32單片機，煙霧傳感器，溫濕度傳感器，氣體傳感器，超聲波傳感器，激光雷達測距傳感器，無線攝像頭模塊，OpenMV3攝像頭，語音模塊，機械臂，LCD顯示屏，水泵，編碼電機，物聯網模塊，藍牙模塊。可編程stm32單片機IO口連接上述器件對其進行控制，通過控制傳感器對現場進行探測，并通過物聯網模塊將數據傳輸到電腦或手機終端，通過控制OpenMV3攝像頭可小火源進行尋找并通過水泵進行撲滅防止火勢擴大，無線攝像頭模塊對火災現場進行實時觀察，通過控制語音模塊可對智能火災偵查機器人進行語音控制，通過控制機械臂可以移除危險品以及有害物質并且聯合水泵達到精確滅火，通過控制激光雷達測距傳感器達到路徑規劃的效果使其偵察到每一個角落，通過控制編碼電機使其智能火災偵查機器人具有靈活的走位。通過控制物聯網模塊對智能火災偵查機器人偵察到的數據傳輸到遠程終端并可通過遠程終端控制物聯網模塊控制智能火災偵查機器人到指定區域偵察。

2、功能介紹

（1）智能火災偵查機器人可以對火災現場溫度以及燃燒后煙霧的種類和濃度等數據進行檢測同時快速的把數據上傳到指揮中心，為救援人員采取更好的救援和滅火方案提供數據。

（2）智能火災偵查機器人的無線攝像頭可對火災現場實時狀況進行靜態圖像采集和數據實時傳輸到指揮中心，可以更好的對火災現場進行了解，例如被困人數，以及火勢大小，還可以對火勢大的角落進入人員搜索，將現場第一情況盡快讓救援人員知曉。

（3）智能火災偵查機器人在探測過程中避免不了障礙物阻擋行進路徑，如果是輕小的障礙物可以啟動車身自帶的機械臂進行清障，如果是大型障礙物（如墻壁）可以通過超聲波模塊距離測量實現智能避障功能。火災現場如果發現有未點燃的易燃易爆危險品可以啟動機械臂抓取放在車身對其快速撤離現場。

（4）智能火災偵查機器人通過對編碼電機機的控制實現火災現場前進，后退，轉彎，加速行進，減速行進，勻速行進。

（5）智能火災偵查機器人通過探測過程中發現火源利用繼電器對水泵進行控制抽取車身自帶水箱中的水進行滅火。

（6）智能火災偵查機器人結構自身帶有LED燈和報警裝置，實現照明等輔助裝置。

3、具體實施方式

采用兩節3200mah 3s航模電池給其供電，通過按鍵或語音模塊對智能火災偵查機器人進行模式選擇，第一模式可以使智能火災偵查機器人在指定區域進行偵查可檢測有毒氣體和對火源進行探測，可達到火災預防。若發現危險通過物聯網模塊將危險信息發送給該區域負責人，若火源較小可通過自身攜帶的滅火水泵對火源進行撲滅和控制，若火勢較大可直接通過物聯網模塊進行消防報警都可通過無線攝像頭將現場實時畫面傳到終端，可達到小范圍火勢撲滅與控制。在第一模式下可通過終端對智能火災偵查機器人進行控制可在臨近區域進行跨區域偵查。在火災發生地帶可啟動第二模式，第二模式可使智能火災偵查機器人在火災中對其火災現場進行探測，通過無線攝像頭將火災現場內部實時情況傳到指揮中心，并通過語音模塊可對人員進行搜救，通過自身攜帶的傳感器可將火災現場數據傳到指揮中心可使搜救人員以及消防員知曉火災內部情況防止自身受到傷害。若發現危險品可通過機械臂進行抓取防止發生再次災情發生。

四、程序設計

五、未來展望

1、智能火災偵查機器人可以增加爬樓裝置，可以實現多層探測、收集數據和圖像采集等多功能。

2、智能火災偵查機器人將利用物聯網、云計算、移動互聯技術實現家庭或者夜間工廠等無人場合應急滅火、分析預警、實時探測等功能的公共消防平臺，為經濟社會發展和人民安居樂業創造良好的消防安全環境。

六、參考文獻

[1]石梓含.火災智能機器人在偵查、滅火和救援上的現狀與發展[J].通訊世界，2018（10）：302-303.