基于内部通讯的全自动灭火救援机器人系统的研究

作者 / 倪银堂、王振豪、吕迪洋，南京工程学院



基于内部通讯的全自动灭火救援机器人系统的研究

作者 / 倪银堂、王振豪、吕迪洋，南京工程学院

项目内容：本项目为南京工程学院大学生科技创新基金项目（项目编号TZ20160010）

本系统中墙体固定传感器可实现对火情的监测，在起火后第一时间通知场地人员和上位机，上位机接收到数据后空中唤醒灭火机器人和救援机器人。机器人通过通讯模块与上位机实现数据的交换与处理，实现机器人个体的自主运行与机器人间的协同工作，提高了灭火和救援的效率。

机器人；灭火；救援；内部通讯；协同

引言

目前世界各国在消防救援上主要使用遥控型机器人，不仅需要专业人员进行远程操控，以摄像机捕捉的场景进行远程操作难度较大；而且在火灾发生到从消防中心搬运机器人至现场也可能会错过最佳的救援时间。一些实验室和公司正在攻克自主救援机器人的难题，有望在救援时实现机器人的自主工作。同时，机器人协同工作也是机器人领域的一个研究方向，不同功能的机器人具有明确的分工，通过通讯协作完成复杂的任务。

1. 研究内容

构建一种基于内部通讯的的全自动灭火救援机器人系统，包括上位机、灭火机器人、救援机器人和墙体固定传感器四个部分。上位机与墙体固定传感器实现一对多形式的通讯模块连接，工作时墙体固定传感器单方向发送数据给上位机。上位机软件对数据处理后，通过通讯模块向灭火机器人与救援机器人发送指令，机器人也可以向上位机反馈传感器接收的数据以及自身的工作情况。

■1.1 墙体固定传感器

（1）主要构成：微处理器，排风报警系统，通讯模块，火焰传感器和可燃性气体传感器等火情监测传感器，红外人体释热传感器和多普勒位移传感器等；

（2）安装位置：在每个房间的墙体上固定安装；

（3）功能：实时监测房间内的各种数据，如果出现某个指数超标，则立即不间断的发送数据到上位机，直到指数达到正常水平；实现蜂鸣器的报警功能与排风系统的工作；通过人体红外释热传感器和多普勒位移传感器实现对被困人员的监测。

■1.2 上位机

（1）主要构成：上位机软件，微处理器，通讯模块等；

（2）功能：处理从墙体固定传感器、救援机器人和灭火机器人接收到的数据，综合处理之后，发指令控制各个部分执行相应操作。在救援人员介入灭火救援后成为整个系统的控制端，为救援人员提供火灾和救援情况等信息。

■1.3 灭火机器人

（1）主要构成：微处理器，灭火系统，多种传感器（模拟量输出火焰传感器，距离传感器，记米器，光电传感器，角速度传感器，加速度传感器等），通讯模块等；

（2）功能：接受上位机的指令执行自动规划路径，寻找火源并扑灭火源，向上位机传输数据。

■1.4 救援机器人

（1）主要构成：微处理器，救援系统（救援舱，机械臂等），多种传感器（人体红外释热传感器，距离传感器，记米器，光电传感器，角速度传感器，加速度传感器等）、高清摄像头、视频无线传输模块、通讯模块等；

（2）功能：自动工作模式下接受上位机的指令执行自动规划路径，寻找被困人员时使用安全舱收纳被困人员，将被困人员运送到预设的安全地点后执行自动搜索指令；受控模式下上位机可控制机器人行进路线，可使用机械臂实现清障功能，可通过摄像头获得以救援机器人第一视角的实时视频；可向上位机传输数据。

2. 具体实施过程

■2.1 墙体固定传感器向上位机发送数据

正常情况下，上位机和墙体固定传感器处于开机状态，救援机器人和灭火机器人处于休眠状态；墙体固定传感器不间断向上位机发送数据。当有异常情况发生时，上位机空中唤醒救援机器人和灭火机器人置于工作状态。如果墙体固定传感器检测到可燃性气体超标会打开排风系统，直到危险解除。

■2.2 上位机控制灭火机器人灭火

墙体固定传感器检测到明火，会立即向上位机发送异常点的位置、传感器接收到的数据，同时通过蜂鸣器向场地人员报警。上位机会向灭火机器人发送指令，灭火机器人自动计算路径以最短时间到达指定地点勘察具体情况并实施灭火及数据采集，同时，墙体固定传感器也会检测着火点的火情，如果灭火机器人顺利灭火，灭火机器人复位，补充电能，关闭蜂鸣器；如果灭火机器人和墙体固定传感

器检测到火势已超出自身能力范围，则上位机实现网络报告火警，说明具体地点和火势，灭火机器人继续灭火。

■2.3 上位机控制灭火、救援机器人协同工作

当火势过大并检测到有被困人员，墙体固定传感器会立即向上位机发送位置信息，上位机在处理之后会立即向救援机器人发送指令，前往指定地点实施救援，如果救援机器人在预定位置检测到被困人员，则立即打开安全舱，待被困者进入安全舱，迅速撤离火灾现场，运送至指定的安全地点。在运送完后，救援机器人实现自动搜索，营救被困人员。火源全被扑灭后系统还原，并完成对机器人的电能补充。

■2.4 救援机器人的工作模式切换

若救援人员赶到现场，可通过上位机向救援机器人发送指令，救援机器人暂停自动工作状态（灭火机器人仍继续工作），此时救援机器人的行为以及安装在机器人上的起清障作用的机械手和救援舱可以通过上位机控制实施救援，同时可通过上位机打开视频传输通道，接受救援机器人发回的实时图像。

3. 研究的创新点

（1）实际使用中上位机和墙体固定传感器处于开启状态，在火灾发生后机器人及时启动，在一定程度上加快了火灾后的反应能力，也强调了系统的节能性。

（2）起火后系统立即做出反应，通知场地工作人员并迅速根据情况派出不同的机器人。实现机器人的协同工作，通过通讯模块实现机器人与上位机的数据通讯。

（3）墙体固定传感器实现全覆盖，可以实现数据的采集和简易的排风报警等功能；救援机器人的自动工作状态和受控状态的切换，为救援提供更多的选择。

4. 研究展望

（1）通过延长履带底盘的长度并提高其稳定性，使得机器人能够自主爬楼，通过拓扑结构完成多层楼的信息交互，若某层楼的情况较为严重可调集其他楼层的机器人前往。

（2）通过金属的涡流效应制备具有辨别火源类型功能的传感器并搭载在墙体固定传感器上，针对金属火源和非金属火源采用不同的处理方法。

（3）通过搭载热成像仪和摄像头多旋翼飞行器自主绕起火楼飞行并捕捉数据，为救援人员提供更丰富的数据。

5. 结语

通过灭火机器人、救援机器人与上位机的通讯，墙体固定传感器与上位机的通讯，实现机器人间的协同工作。本机器人系统在迅速反应从而减少火灾带来的财产损失、救援被困人员上起着不可估量的作用；同时也由于本系统制备工艺简单带来成本较低，占地面积较小，操作难度低，具有可观的经济效益和应用前景。