消防輔助救援機器人群設(shè)計研究

陳偉哲 黃夢醒 吳迪 肖瑾 丁一寅 張晨宇

摘 ?要：高科技機器人已開始代替人類在一些特殊場合的工作，“機器換人”已然成為現(xiàn)有科技發(fā)展的主流趨勢。本文針對消防輔助救援機器人群開展研究。在分析消防輔助救援機器人應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計了由一臺領(lǐng)航機器人和兩臺跟隨機器人組成的消防輔助救援機器人群，并分別討論了每臺機器人的工作原理和實現(xiàn)方法，最后給出了可實現(xiàn)的功能和下一步的研究工作，為消防機器人完成團隊化工作提供了一個新的方向。

關(guān)鍵詞：消防;輔助救援機器人群;領(lǐng)航機器人;工程機器人;信息檢測機器人

中圖分類號：TP242.6 ? ? 文獻標識碼：A

Abstract：High-tech robots have begun to take the place of human beings in some special occasions，and Machine Replacement has become the mainstream trend of the current development of science and technology.In this paper，fire rescue robots are studied.Based on the analysis of the application status of fire rescue robots，a group of fire rescue robots consisting of a pilot robot and two random robots are designed.The working principle and implementation method of each robot are discussed separately.Finally，the realizable functions and the following research work are given to the fire rescue robots，providing a new direction to accomplish team work.

Keywords：fire-fighting;assistant rescue robot group;pilot robot;engineering robot;information detection robot

1 ? 引言（Introduction）

據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局的統(tǒng)計，2018年全國共接報火災(zāi)23.7萬起，死亡1407人，傷798人，消防隊每天平均出隊救火就達到650次，任務(wù)繁重且危險性高。因火災(zāi)現(xiàn)場各種不確定性因素可能導(dǎo)致消防人員做出錯誤決斷，當我們聽到消防員因為救人而不幸犧牲的時候，無不為他們感到心痛。因此消防輔助型機器人[1]的設(shè)計與應(yīng)用[2]顯得尤為重要，而一個完整的救援系統(tǒng)需要擁有自主巡航和手動操控兩種控制模式，具有自主建圖導(dǎo)航[3，4]、危險物品自動抓取[5]、周圍環(huán)境實時圖傳、環(huán)境監(jiān)測等功能。本文提出了消防輔助救援機器人群的設(shè)計研究方案。

2 ?消防輔助救援機器人的應(yīng)用現(xiàn)狀（Application status of the fire-fighting assistant rescue robot）

相比于國內(nèi)救援輔助消防機器人仍處于起步階段的情況，國外救援輔助機器人已經(jīng)慢慢走向成熟化。例如日本科學家們已經(jīng)研發(fā)出了可以在復(fù)雜地形運動的小型機器人，可以在地震災(zāi)后在廢墟中尋找生命。希臘科學家則針對情況復(fù)雜的水上救援設(shè)計出了海上救援機器人。國外救援機器人已經(jīng)開始在各個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。而國內(nèi)現(xiàn)狀主要是受兩個方面因素[6]影響，第一是因為國內(nèi)當前的特種救援機器人主要是服務(wù)于政府和軍隊，它們的主要技能都是為危險性特大的災(zāi)難而設(shè)計的;另一方面是由于消防機器人仍處于試用實驗階段，國家在消防機器人上的資金投入上存在不足，還不能投入到大規(guī)模的生產(chǎn)中，使得大部分地區(qū)無法使用。

消防輔助救援機器人在滅火救援[7]中具有廣闊發(fā)展空間：一是消防機器人的輔助系統(tǒng)可以在火災(zāi)現(xiàn)場情況不明時，利用自身的傳感器進行輔助，對周圍的復(fù)雜地形進行掃描構(gòu)圖，能夠輔助消防員進入火場，并利用其自帶的紅外成像系統(tǒng)，讓消防員能夠在最短時間內(nèi)找到被困人員。二是在消防救援活動中，在面對消防人員無法工作的高溫危險區(qū)域，可以進行近距離的滅火作戰(zhàn)，這極大程度上提高了其在滅火救援中的戰(zhàn)斗力。三是隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，社會生產(chǎn)生活活動越來越特殊化，消防火災(zāi)出現(xiàn)的原因越發(fā)復(fù)雜，影響范圍廣。經(jīng)常會出現(xiàn)消防火災(zāi)事故，在許多情況下事故對于消防人員的生命危險較大，而消防輔助機器人則能在保障消防人員的安全下，以最快速度營救被困人員，并控制現(xiàn)場火災(zāi)。

3 ?消防輔助救援機器人群的設(shè)計原理（Design principle of the fire-fighting assistant rescue robot group）

消防輔助救援機器人群是由一臺領(lǐng)航機器人和兩臺跟隨機器人組成的多智能體編隊，如圖1所示，整個系統(tǒng)有自主巡航和手動操控兩種控制模式，具有自主建圖導(dǎo)航、危險物品自動抓取、周圍環(huán)境實時圖傳、環(huán)境監(jiān)測等功能。

3.1 ? 領(lǐng)航機器人

領(lǐng)航機器人外形圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖分別如圖2和圖3所示。領(lǐng)航機器人搭載激光雷達對周圍環(huán)境進行掃描、建模，并規(guī)劃出機器人群經(jīng)過的優(yōu)化路徑。雙電機驅(qū)動機器人沿著路徑行駛，通過對電機的通斷電和機器人內(nèi)部的差速裝置實現(xiàn)機器人的啟停和轉(zhuǎn)彎。用戶可設(shè)置地圖中的起點和終點，領(lǐng)航機器人會帶領(lǐng)編隊達到所指定的目的地?？刂品绞接袃煞N，一種通過ROS環(huán)境電腦與樹莓派進行局域網(wǎng)互聯(lián)，一種是手機app與樹莓派進行連接，控制機器人進行雷達的掃描建圖及導(dǎo)航。除此外，還加入了USB攝像頭模塊，供遠距離操控時的實時圖傳。

領(lǐng)航機器人的核心開發(fā)版采用樹莓派3b+，配置環(huán)境為Linux系統(tǒng)ROS環(huán)境，底層驅(qū)動板為stm32F1開發(fā)板。用戶可以通過ROS電腦與樹莓派進行局域網(wǎng)互通，發(fā)送指令打開激光雷達，將激光雷達返回的點云數(shù)據(jù)進行tf樹坐標系轉(zhuǎn)換后，采用gmapping算法最終在PC端建立一個平面二維地圖供操控者查看。建立好二維平面圖進行保存后，可設(shè)置地圖中的起點和終點，通過路徑規(guī)劃算法進行規(guī)劃行駛路徑，并且無須人員操作實時更新路徑自行前往目的地，領(lǐng)航機器人的硬件連接如圖4所示。

3.2 ? 工程機器人

第二臺跟隨機器人是一個工程機器人，其外形圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖分別如圖4和圖5所示。工程機器人的主要作用是主動識別自動抓取危險物品和跟隨第一臺領(lǐng)航機器人，其控制方式有兩種分別為自動控制和藍牙app控制。機器視覺基于openmv平臺，可主動識別事先設(shè)定好的危險物品，通過機械臂逆運動學幾何解法解算出各機器手關(guān)節(jié)舵機所需的轉(zhuǎn)角，并將其輸出至舵機控制板進行控制機械臂自主抓取。

跟隨領(lǐng)航機器人自動控制實現(xiàn)途徑為顏色識別算法。通過在領(lǐng)航機器人的末尾添加一條特殊彩帶，并采用顏色識別算法找出領(lǐng)航機器人尾部中心點，將此攝像頭與領(lǐng)航機器人之間的角度偏差值和距離插值輸入到底層的pid控制輸入端，經(jīng)過公式轉(zhuǎn)換成左右輪的速度值進行工程機器人的自動控制。當出現(xiàn)緊急情況需要單獨控制時，可通過手機藍牙遠程中斷系統(tǒng)并獲取機器人控制權(quán)。

在物體監(jiān)測中，攝像頭在識別到目標物體并將其矩形顯示時，會直接在其中心點標注“+”，并可返回目標物體中心點像素坐標、橫向像素寬度、豎向像素長度、拐角像素坐標等數(shù)據(jù)。攝像頭中實際物體識別如圖8所示。

信息檢測機器人主要功能有跟隨編隊自動駕駛和信息的探測、實時顯示及傳輸，其控制方式有兩種分別為自動控制和藍牙app控制。探測功能基于arduino板，通過將多種傳感器進行融合，共同探測信息并將其傳輸?shù)礁咔屣@示屏上進行顯示，使用者可直接觸摸高清顯示屏進行查看周圍環(huán)境信息和看到系統(tǒng)根據(jù)信息做出的對應(yīng)提示。

4 ?消防輔助救援機器人群的功能（Functions of the fire-fighting assistant rescue robot group）

4.1 ? 火情偵察

火情偵察，了解掌握火場情況。在火災(zāi)救援時，掌握火災(zāi)現(xiàn)場情況非常重要，起火建（構(gòu)）筑物的結(jié)構(gòu)特點、被困人員多少、地點、著火物品、燃燒的物質(zhì)、范圍、火勢蔓延的途徑和發(fā)展趨勢、消防控制中心和內(nèi)部消防設(shè)施啟動及運行情況、有無爆炸、毒害、腐蝕、忌水、放射等危險物品。了解和掌握這些情況能對救人起到至關(guān)重要的作用。機器人群中的領(lǐng)航機器人可在短時間內(nèi)快速建立火災(zāi)現(xiàn)場的二維平面圖，幫助消防員熟悉起火建（構(gòu)）筑物的結(jié)構(gòu)特點，以便于更快找到被困者。領(lǐng)航機器人前端搭載攝像頭可傳輸火災(zāi)現(xiàn)場情況至在上位機顯示，通過控制領(lǐng)航機器人巡視火災(zāi)現(xiàn)場，消防員可了解火災(zāi)現(xiàn)場火勢蔓延的途徑和發(fā)展趨勢、消防控制中心和內(nèi)部消防設(shè)施啟動及運行等情況，實現(xiàn)火情偵察。

4.2 ? 實時監(jiān)測

監(jiān)測煙霧、毒氣濃度，幫助消防員火場排煙。火災(zāi)救援應(yīng)當首先保障消防員的安全，儲存危險化學物品在遭遇火災(zāi)時會產(chǎn)生大量有毒煙霧，采用信息檢測機器人巡檢火災(zāi)現(xiàn)場，監(jiān)測煙霧、毒氣濃度，提醒并幫助消防員及時處理，防止其蔓延，迅速采取正確的排煙措施，防止煙氣對人員構(gòu)成威脅和火勢擴大。機器人群查明并報告火源的位置、火勢蔓

延的方向、煙霧擴散的范圍后，工程機器人用機械臂夾取小型滅火球幫助消防員撲滅火源，消防員則利用破拆、噴霧水流、移動排煙設(shè)備等方法進行人工排煙。

4.3 ? 清理工作

火災(zāi)撲滅后的清理工作，防止二次爆炸或燃燒。火災(zāi)撲滅后利用消防救援機器人群全面、細致地檢查火場，徹底消滅余火;對石油化工生產(chǎn)裝置、儲存設(shè)備的溫度及其周圍可燃氣體、易燃可燃液體蒸汽的濃度進行檢測，并進行相應(yīng)的處理，防止復(fù)燃。

5 ? 結(jié)論（Conclusion）

消防輔助救援機器人群是由一臺領(lǐng)航機器人和兩臺跟隨機器人組成的多智能體編隊。本產(chǎn)品的主要功能有火災(zāi)緊急輔助救援、動態(tài)監(jiān)視、災(zāi)情探測、異常報警、危險品抓取、緊急物資遞送等，可提高救援效率、保障消防員安全，為緊急情況救援、環(huán)境探測、災(zāi)后巡檢等任務(wù)提供解決方案。這個設(shè)計未來有三個主要發(fā)展方向：一是將三輛車進行放大化，往人形機器人方向發(fā)展;二是提高系統(tǒng)語音識別的智能程度，向智能交互發(fā)展;三是利用基站定位或者雷達定位對陣型的變換進行加強。最終目的是希望它能升級應(yīng)用到更大型的工業(yè)活動中去。

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作者簡介：

陳偉哲（1998-），男，本科生.研究領(lǐng)域：智能機器人.

黃夢醒（1973-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：人工智能大數(shù)據(jù)海洋通信.本文通訊作者.

吳 ?迪（1991-），男，碩士.研究領(lǐng)域：人工智能大數(shù)據(jù)海洋通信.

肖 ? 瑾（1998-），女，本科生.研究領(lǐng)域：智能機器人.

丁一寅（1998-），男，本科生.研究領(lǐng)域：智能機器人.

張晨宇（1998-），男，本科生.研究領(lǐng)域：智能機器人.