消防輔助救援機(jī)器人群設(shè)計(jì)研究

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

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

　　《機(jī)器人》是經(jīng)中華人民共和國新聞出版總署批準(zhǔn)，由中國科學(xué)院主管，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)共同主辦的科技類核心期刊，主要報(bào)道中國在機(jī)器人學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域具有創(chuàng)新性的、高水平的、有重要意義的學(xué)術(shù)進(jìn)展及研究成果，由中國科學(xué)出版社出版。

　　1 引言(Introduction)

　　據(jù)應(yīng)急管理部消防救援局的統(tǒng)計(jì)，2018年全國共接報(bào)火災(zāi)23.7萬起，死亡1407人，傷798人，消防隊(duì)每天平均出隊(duì)救火就達(dá)到650次，任務(wù)繁重且危險(xiǎn)性高。因火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)各種不確定性因素可能導(dǎo)致消防人員做出錯(cuò)誤決斷，當(dāng)我們聽到消防員因?yàn)榫热硕恍覡奚臅r(shí)候，無不為他們感到心痛。因此消防輔助型機(jī)器人[1]的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[2]顯得尤為重要，而一個(gè)完整的救援系統(tǒng)需要擁有自主巡航和手動(dòng)操控兩種控制模式，具有自主建圖導(dǎo)航[3，4]、危險(xiǎn)物品自動(dòng)抓取[5]、周圍環(huán)境實(shí)時(shí)圖傳、環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能。本文提出了消防輔助救援機(jī)器人群的設(shè)計(jì)研究方案。

　　2 消防輔助救援機(jī)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(jī)器人仍處于起步階段的情況，國外救援輔助機(jī)器人已經(jīng)慢慢走向成熟化。例如日本科學(xué)家們已經(jīng)研發(fā)出了可以在復(fù)雜地形運(yùn)動(dòng)的小型機(jī)器人，可以在地震災(zāi)后在廢墟中尋找生命。希臘科學(xué)家則針對(duì)情況復(fù)雜的水上救援設(shè)計(jì)出了海上救援機(jī)器人。國外救援機(jī)器人已經(jīng)開始在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。而國內(nèi)現(xiàn)狀主要是受兩個(gè)方面因素[6]影響，第一是因?yàn)閲鴥?nèi)當(dāng)前的特種救援機(jī)器人主要是服務(wù)于政府和軍隊(duì)，它們的主要技能都是為危險(xiǎn)性特大的災(zāi)難而設(shè)計(jì)的;另一方面是由于消防機(jī)器人仍處于試用實(shí)驗(yàn)階段，國家在消防機(jī)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(jī)器人在滅火救援[7]中具有廣闊發(fā)展空間：一是消防機(jī)器人的輔助系統(tǒng)可以在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況不明時(shí)，利用自身的傳感器進(jìn)行輔助，對(duì)周圍的復(fù)雜地形進(jìn)行掃描構(gòu)圖，能夠輔助消防員進(jìn)入火場(chǎng)，并利用其自帶的紅外成像系統(tǒng)，讓消防員能夠在最短時(shí)間內(nèi)找到被困人員。二是在消防救援活動(dòng)中，在面對(duì)消防人員無法工作的高溫危險(xiǎn)區(qū)域，可以進(jìn)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(jì)社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)生活活動(dòng)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(huì)出現(xiàn)消防火災(zāi)事故，在許多情況下事故對(duì)于消防人員的生命危險(xiǎn)較大，而消防輔助機(jī)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(chǎng)火災(zāi)。

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

　　消防輔助救援機(jī)器人群是由一臺(tái)領(lǐng)航機(jī)器人和兩臺(tái)跟隨機(jī)器人組成的多智能體編隊(duì)，如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)有自主巡航和手動(dòng)操控兩種控制模式，具有自主建圖導(dǎo)航、危險(xiǎn)物品自動(dòng)抓取、周圍環(huán)境實(shí)時(shí)圖傳、環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能。

　　3.1 領(lǐng)航機(jī)器人

　　領(lǐng)航機(jī)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(jī)器人搭載激光雷達(dá)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行掃描、建模，并規(guī)劃出機(jī)器人群經(jīng)過的優(yōu)化路徑。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人沿著路徑行駛，通過對(duì)電機(jī)的通斷電和機(jī)器人內(nèi)部的差速裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的啟停和轉(zhuǎn)彎。用戶可設(shè)置地圖中的起點(diǎn)和終點(diǎn)，領(lǐng)航機(jī)器人會(huì)帶領(lǐng)編隊(duì)達(dá)到所指定的目的地。控制方式有兩種，一種通過ROS環(huán)境電腦與樹莓派進(jìn)行局域網(wǎng)互聯(lián)，一種是手機(jī)app與樹莓派進(jìn)行連接，控制機(jī)器人進(jìn)行雷達(dá)的掃描建圖及導(dǎo)航。除此外，還加入了USB攝像頭模塊，供遠(yuǎn)距離操控時(shí)的實(shí)時(shí)圖傳。

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

　　3.2 工程機(jī)器人

　　第二臺(tái)跟隨機(jī)器人是一個(gè)工程機(jī)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(jī)器人的主要作用是主動(dòng)識(shí)別自動(dòng)抓取危險(xiǎn)物品和跟隨第一臺(tái)領(lǐng)航機(jī)器人，其控制方式有兩種分別為自動(dòng)控制和藍(lán)牙app控制。機(jī)器視覺基于openmv平臺(tái)，可主動(dòng)識(shí)別事先設(shè)定好的危險(xiǎn)物品，通過機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)幾何解法解算出各機(jī)器手關(guān)節(jié)舵機(jī)所需的轉(zhuǎn)角，并將其輸出至舵機(jī)控制板進(jìn)行控制機(jī)械臂自主抓取。

　　跟隨領(lǐng)航機(jī)器人自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)途徑為顏色識(shí)別算法。通過在領(lǐng)航機(jī)器人的末尾添加一條特殊彩帶，并采用顏色識(shí)別算法找出領(lǐng)航機(jī)器人尾部中心點(diǎn)，將此攝像頭與領(lǐng)航機(jī)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(jìn)行工程機(jī)器人的自動(dòng)控制。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況需要單獨(dú)控制時(shí)，可通過手機(jī)藍(lán)牙遠(yuǎn)程中斷系統(tǒng)并獲取機(jī)器人控制權(quán)。

　　在物體監(jiān)測(cè)中，攝像頭在識(shí)別到目標(biāo)物體并將其矩形顯示時(shí)，會(huì)直接在其中心點(diǎn)標(biāo)注“+”，并可返回目標(biāo)物體中心點(diǎn)像素坐標(biāo)、橫向像素寬度、豎向像素長(zhǎng)度、拐角像素坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。攝像頭中實(shí)際物體識(shí)別如圖8所示。

　　信息檢測(cè)機(jī)器人主要功能有跟隨編隊(duì)自動(dòng)駕駛和信息的探測(cè)、實(shí)時(shí)顯示及傳輸，其控制方式有兩種分別為自動(dòng)控制和藍(lán)牙app控制。探測(cè)功能基于arduino板，通過將多種傳感器進(jìn)行融合，共同探測(cè)信息并將其傳輸?shù)礁咔屣@示屏上進(jìn)行顯示，使用者可直接觸摸高清顯示屏進(jìn)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(duì)應(yīng)提示。

　　4 消防輔助救援機(jī)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(chǎng)情況。在火災(zāi)救援時(shí)，掌握火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況非常重要，起火建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、被困人員多少、地點(diǎn)、著火物品、燃燒的物質(zhì)、范圍、火勢(shì)蔓延的途徑和發(fā)展趨勢(shì)、消防控制中心和內(nèi)部消防設(shè)施啟動(dòng)及運(yùn)行情況、有無爆炸、毒害、腐蝕、忌水、放射等危險(xiǎn)物品。了解和掌握這些情況能對(duì)救人起到至關(guān)重要的作用。機(jī)器人群中的領(lǐng)航機(jī)器人可在短時(shí)間內(nèi)快速建立火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，以便于更快找到被困者。領(lǐng)航機(jī)器人前端搭載攝像頭可傳輸火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況至在上位機(jī)顯示，通過控制領(lǐng)航機(jī)器人巡視火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，消防員可了解火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)火勢(shì)蔓延的途徑和發(fā)展趨勢(shì)、消防控制中心和內(nèi)部消防設(shè)施啟動(dòng)及運(yùn)行等情況，實(shí)現(xiàn)火情偵察。

　　4.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

　　監(jiān)測(cè)煙霧、毒氣濃度，幫助消防員火場(chǎng)排煙。火災(zāi)救援應(yīng)當(dāng)首先保障消防員的安全，儲(chǔ)存危險(xiǎn)化學(xué)物品在遭遇火災(zāi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量有毒煙霧，采用信息檢測(cè)機(jī)器人巡檢火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，監(jiān)測(cè)煙霧、毒氣濃度，提醒并幫助消防員及時(shí)處理，防止其蔓延，迅速采取正確的排煙措施，防止煙氣對(duì)人員構(gòu)成威脅和火勢(shì)擴(kuò)大。機(jī)器人群查明并報(bào)告火源的位置、火勢(shì)蔓

　　延的方向、煙霧擴(kuò)散的范圍后，工程機(jī)器人用機(jī)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(dòng)排煙設(shè)備等方法進(jìn)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(jī)器人群全面、細(xì)致地檢查火場(chǎng)，徹底消滅余火;對(duì)石油化工生產(chǎn)裝置、儲(chǔ)存設(shè)備的溫度及其周圍可燃?xì)怏w、易燃可燃液體蒸汽的濃度進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，防止復(fù)燃。

　　5 結(jié)論(Conclusion)

　　消防輔助救援機(jī)器人群是由一臺(tái)領(lǐng)航機(jī)器人和兩臺(tái)跟隨機(jī)器人組成的多智能體編隊(duì)。本產(chǎn)品的主要功能有火災(zāi)緊急輔助救援、動(dòng)態(tài)監(jiān)視、災(zāi)情探測(cè)、異常報(bào)警、危險(xiǎn)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(cè)、災(zāi)后巡檢等任務(wù)提供解決方案。這個(gè)設(shè)計(jì)未來有三個(gè)主要發(fā)展方向：一是將三輛車進(jìn)行放大化，往人形機(jī)器人方向發(fā)展;二是提高系統(tǒng)語音識(shí)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(dá)定位對(duì)陣型的變換進(jìn)行加強(qiáng)。最終目的是希望它能升級(jí)應(yīng)用到更大型的工業(yè)活動(dòng)中去。

　　參考文獻(xiàn)(References)

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　　[2] Shamsudin A U，Ohno K，Hamada R，et al.Consistent map building in petrochemical complexes for firefighter robots using SLAM based on GPS and LIDAR[J].Robomech Journal，2018，5(1)：7.