CN108014437A - 一种多功能遥控地铁消防机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能遥控地铁消防机器人及其控制方法，属于机器人技术领域。它包括机器人控制单元和远程多信息交互控制台，机器人控制单元与远程多信息交互控制台通过无线通信连接，还包括温度传感器、视觉传感器和化学传感器，所述的温度传感器、视觉传感器和化学传感器均与机器人控制单元电连接。本发明通过在机器人上设置温度传感器、视觉传感器和化学传感器，其中温度传感器寻找火源，化学传感器实时判断现场有无有毒气体及何种气体，视觉传感器将现场火势情况实时传输，然后遥控机器人的移动，充分替代消防员进入地铁，有效扑灭火源，保障消防员的生命安全。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，更具体地说，涉及一种多功能遥控地铁消防机器人及其控制方法。
背景技术
消防机器人是针对城市消防抢险救援而开发的一种一款在远程视频监控和图像辅助情况下，具有多自由度工作机构、大功率，长射程，可自行走爬坡、液压驱动的新型装备。该机集喷水灭火、清障、排烟、无线远程操控技能于一身，可以替代消防队员接近火灾现场实施有效的灭火救援作业，开展各项火场侦察任务，大大提高消防部门扑灭恶性火灾的能力，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡具有重要的作用，可应用于公(铁)路地铁隧道、地下设施与货场、石油油库和炼油厂火灾、大面积毒气和浓烟事故以及人员不易接近火灾救援领域，较传统消费装备机动性更强，作业范围更大，射程更远，智能化程度更高，是未来机器人化消防装备的必然趋势。
为了适应地铁等交通设施的消防机器人，经检索，目前针对地铁消防机器人的结构多种多样，且功能也越来越多样，例如专利文献1：中国专利CN201110028604.3公开了一种地铁隧道、地铁消防救援机器人，由行走机构、救援装置和控制装置组成，救援装置通过转台安装在行走机构上，救援装置由风机、风机驱动装置、水雾喷口、水管和仰角调整机构组成，风机由支架固定在转台上，仰角调整机构安装在支架上，并与风机外壳相连；风机驱动装置的输出轴穿过仰角调整机构与风机的扇叶相连，风机的出风口处装有水雾喷口，水管装在风机外壳上与水雾喷口相连，水雾喷口装有一周雾化喷嘴；行走机构由气垫围裙、车体、空中调整喷嘴、进气口和车轮组成，车体下方装有车轮，四周装有气垫围裙，空中调整喷嘴安装在车体前后上方并与下表面相通，进气口安装在车体上面，当风机旋转向下时，出风口与进气口组成密封的气道。该消防机器人采用车轮进行行走，对于地铁地铁隧道内部空间较为狭小，且地面铺满铁轨和垫枕，消防机器人的车轮会被铁轨卡住或阻挡，导致在地铁地铁隧道中行走不畅，给灭火或除雾带来不利的影响。
又如专利文献2：中国专利CN201610624954.9公开了一种多功能举升清障型消防灭火机器人，包括水罐车体和设于其前端的清障装置，水罐车体通过臂架机构支撑有风炮机构，臂架机构包括臂架座和臂架，臂架连接有臂架油缸，风炮机构包括炮筒，炮筒与臂架座转动连接，炮筒中部连接有风炮油缸，炮筒上部设有旋转接头，水罐车体中设有增压泵，增压泵通过连接管与炮筒连接；清障装置包括机体、行走机构、推土铲和推土油缸。本发明通过在水罐车体前端设有清障装置，清障装置的行走装置采用三角形履带装置，稳定性较好，推土铲及推土油缸配合使用产生的举升清障效果好，使得消防灭火机器人能够在火灾现场的复杂路面进行前进。该消防灭火机器人采用履带作为行走机构，同样对于地铁地铁隧道内部空间较为狭小，且地面铺满铁轨和垫枕，消防机器人的车轮会被铁轨卡住或阻挡，导致在地铁地铁隧道中行走不畅，给灭火或除雾带来不利的影响。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有地铁内火灾、大面积毒气和浓烟事故，消防人员不易接近火灾救援领域的问题，本发明提供一种多功能遥控地铁消防机器人，通过配有温度传感器，可以自动找准火源；视觉传感器，可以实时监控火场现状，化学传感器，可以实时分析现场有无有毒气体及何种气体，有效替代消防人员进入地铁救援，扑灭灭火源。
本发明的另一目的是提供一种多功能遥控地铁消防机器人的控制方法，通过机器人充分分析地铁内的状况，根据相关分析得出相关的救援方案，实现快速救援。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种多功能遥控地铁消防机器人，包括机器人控制单元和远程多信息交互控制台，机器人控制单元与远程多信息交互控制台通过无线通信连接，还包括温度传感器、视觉传感器和化学传感器，所述的温度传感器、视觉传感器和化学传感器均与机器人控制单元电连接。
于本发明的一种可能实施方式中，所述机器人控制单元集成有机器人遥控接收器、控制PLC和第一无线通信模块；所述的远程多信息交互控制器集成有机器人遥控发射器、操作手柄、视频显视器和第二无线通信模块。
于本发明的一种可能实施方式中，该机器人还包括行走机构和机架，所述行走机构包括底盘、车轮及发动机，发动机置于地盘上，车轮安装在底盘下方，且车轮地铁轨道配合；所述机架安装在行走机构的后端，所述的温度传感器、视觉传感器和化学传感器均安装在所述机架上。
于本发明的一种可能实施方式中，还包括救援单元，所述救援单元通过转台安装在行走机构上，所述救援单元包括风机、风机驱动机构、水炮和泡沫炮，其中水炮、泡沫炮分别安装在风机外壳上方两侧，风机调整机构包括安装座和举升油缸，举升油缸一端固定在机架上，另一端固定在安装座上；安装座转动固定在机架上。
于本发明的一种可能实施方式中，所述救援单元还包括仰角调整机构，仰角调整机构包括一液压油缸，其液压油缸的缸体固定在安装座上，伸缩杆铰接在风机外壳上。
于本发明的一种可能实施方式中，所述温度传感器为非接触式温度传感器，其工作温度大于200℃。
于本发明的一种可能实施方式中，所述视觉传感器为面阵CCD摄像机；所述化学传感器为气体传感器，气体传感器的传感元件多为氧化物半导体，有时在其中加入微量贵金属作增敏剂，增加对气体的活化作用。
本发明的一种多功能遥控地铁消防机器人的控制方法，包括：
(1)确认机器人电源、远程多信息交互控制器电源都正常打开后，配对遥控信号；
(2)利用行走机构，控制消防机器人在轨道移动，进入火灾现场，同时开启视觉传感器，将现场火势情况实时传输至视频显视器上，对视频信息处理、记录，及时操控消防机器人行走路径和其他作业；
(3)温度传感器通过获取空气的温度，并判断确定火源位置，控制风机的位置，调节举升油缸，使风机水平，垂直运动至火源处，风机正转，风向朝前，吹灭火源；同时水炮和泡沫炮对准火源处工作；
(4)火源扑灭后，化学传感器实时判断现场有无有毒气体及何种气体，同时记录有毒、有害、易燃、易爆气体种类、浓度和变化趋势，风机反转排空地铁隧道内烟雾。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的多功能遥控地铁消防机器人，通过在机器人上设置温度传感器、视觉传感器和化学传感器，其中温度传感器寻找火源，化学传感器实时判断现场有无有毒气体及何种气体，视觉传感器将现场火势情况实时传输，然后遥控机器人的移动，充分替代消防员进入地铁，有效扑灭火源，保障消防员的生命安全；
(2)本发明的多功能遥控地铁消防机器人，该机器人的控制单元和远程多信息交互控制器可以实现远距离的遥控，对于长距离的地铁，机器人可以深入到地铁的深处，便于机器人的远距离工作；
(3)本发明的多功能遥控地铁消防机器人，其救援单元包括风机、风机驱动机构、水炮和泡沫炮，风机正转，风向朝前，吹灭火源，同时水炮和泡沫炮对准火源处工作，风机反转排空地铁隧道内烟雾，便于后续人员的进场清理；
(4)本发明的多功能遥控地铁消防机器人结构简单，设计合理，易于制造。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明的多功能遥控地铁消防机器人的立体图；
图2为本发明的多功能遥控地铁消防机器人的主视图；
图3为本发明的多功能遥控地铁消防机器人的侧视图；
图4为本发明的多功能遥控地铁消防机器人的俯视图。
图中标记说明：
1、机架；2、底盘；3、车轮；4、发动机；5、风机；6、安装座；7、举升油缸；8、水炮；9、泡沫炮；10、液压油缸；11、温度传感器；12、视觉传感器；13、化学传感器。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
实施例1
如图1至图4所示，本实施例的多功能遥控地铁消防机器人，包括机器人控制单元、远程多信息交互控制台、行走机构、机架、救援单元、温度传感器、视觉传感器和化学传感器。
其中机器人控制单元与远程多信息交互控制台通过无线通信连接，还包括，温度传感器、视觉传感器和化学传感器均与机器人控制单元电连接，机器人控制单元集成有机器人遥控接收器、控制PLC和第一无线通信模块；远程多信息交互控制器集成有机器人遥控发射器、操作手柄、视频显视器和第二无线通信模块。
该机器人的控制单元和远程多信息交互控制器可以实现远距离的遥控，对于长距离的地铁，机器人可以深入到地铁的深处，便于机器人的远距离工作。
结合图1和图2，其中行走机构包括底盘、车轮及发动机，发动机置于地盘上，车轮安装在底盘下方，且车轮地铁轨道配合；机架安装在行走机构的后端，温度传感器、视觉传感器和化学传感器均安装在机架上。
其中救援单元通过转台安装在行走机构上，救援单元包括风机、仰角调整机构、风机驱动机构、水炮和泡沫炮，其中水炮、泡沫炮分别安装在风机外壳上方两侧，风机调整机构包括安装座和举升油缸，举升油缸一端固定在机架上，另一端固定在安装座上；安装座转动固定在机架上；仰角调整机构包括一液压油缸，其液压油缸的缸体固定在安装座上，伸缩杆铰接在风机外壳上。
此外，温度传感器为非接触式温度传感器，其工作温度大于200℃；视觉传感器为面阵CCD摄像机；化学传感器为气体传感器，气体传感器的传感元件多为氧化物半导体，有时在其中加入微量贵金属作增敏剂，增加对气体的活化作用。
在地铁的交通事故中，往往会造成人员受伤，机器人在扑火和排烟的同时，还需要尽量去寻找生还的人们，因此值得说明的是，本实施例在风机内壳环设有求助声信号识别模块，求助声信号识别模块包括微弱声信号接收器、语音定位模块、人声识别模块及语义识别模块，这些模块集成一个整体，其中微弱声信号接收器接收地铁内的微弱声信号，微弱声信号传输至人声识别模块，通过放大、过滤进行初步识别微弱声信号中的求救声，并采用现有的声音识别技术，例如专利CN201510977077.9公开的方法，求救声由语义识别模块识别确认后，语音定位模块通过实时语音定位，将确定的求救声方位传输至机器人控制单元。
一种多功能遥控地铁消防机器人的语音定位方法，语音定位模块包括至少四个麦克风拾音器，包括具体步骤：首先通过一个处理器的滤波器去除语音信号中的潜在噪音，得到尽可能纯净的语音；然后通过一个GCC-PHAT公式来做时延估计；最后再构建几何关系估算语音的空间位置；具体的GCC-PHAT公式为：语音到达麦克风拾音器i和麦克风拾音器j的距离差＝语音到达麦克风拾音器i的距离-语音到达麦克风拾音器j的距离，即：
定义语音到达麦克风拾音器i与到达麦克风拾音器j的距离差为：
di,j＝Di-Dj＝c@tij(1)
其中ti，j表示语音信号到达麦克风拾音器i与麦克风拾音器j的时间差，c为声速；
令0号麦克风拾音器为阵列的中心，则公式选取它作为参照，于是可将式(1)扩展为：
将N-1个等式归并成矩阵形式：
其中风机敞口的结构，可以在大范围的环境中，尽可能的将声音收集至求助声信号识别模块，当确定有求救声时，机器人快速移动至求救声周围，此时，视觉传感器传输周围的状况，风机反转排烟，为生还者提供呼吸空间。
实施例2
本实施例的一种多功能遥控地铁消防机器人的控制方法，包括：
(1)确认机器人电源、远程多信息交互控制器电源都正常打开后，配对遥控信号；
(2)利用行走机构，控制消防机器人在轨道移动，进入火灾现场，同时开启视觉传感器，将现场火势情况实时传输至视频显视器上，对视频信息处理、记录，及时操控消防机器人行走路径和其他作业；
(3)温度传感器通过获取空气的温度，并判断确定火源位置，控制风机的位置，调节举升油缸，使风机水平，垂直运动至火源处，风机正转，风向朝前，吹灭火源；同时水炮和泡沫炮对准火源处工作；
(4)火源扑灭后，化学传感器实时判断现场有无有毒气体及何种气体，同时记录有毒、有害、易燃、易爆气体种类、浓度和变化趋势，风机反转排空地铁隧道内烟雾。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种多功能遥控地铁消防机器人，包括机器人控制单元和远程多信息交互控制台，机器人控制单元与远程多信息交互控制台通过无线通信连接，其特征在于，还包括温度传感器(11)、视觉传感器(12)和化学传感器(13)，所述的温度传感器(11)、视觉传感器(12)和化学传感器(13)均与机器人控制单元电连接。
2.根据权利要求1所述的多功能遥控地铁消防机器人，其特征在于，所述机器人控制单元集成有机器人遥控接收器、控制PLC和第一无线通信模块；所述的远程多信息交互控制器集成有机器人遥控发射器、操作手柄、视频显视器和第二无线通信模块。
3.根据权利要求2所述的多功能遥控地铁消防机器人，其特征在于，该机器人还包括行走机构和机架(1)，所述行走机构包括底盘(2)、车轮(3)及发动机(4)，发动机(4)置于地盘上，车轮(3)安装在底盘(2)下方，且车轮(3)地铁轨道配合；所述机架(1)安装在行走机构的后端，所述的温度传感器(11)、视觉传感器(12)和化学传感器(13)均安装在所述机架(1)上。
4.根据权利要求3所述的多功能遥控地铁消防机器人，其特征在于，还包括救援单元，所述救援单元通过转台安装在行走机构上，所述救援单元包括风机(5)、风机(5)驱动机构、水炮(8)和泡沫炮(9)，其中水炮(8)、泡沫炮(9)分别安装在风机(5)外壳上方两侧，风机(5)调整机构包括安装座(6)和举升油缸(7)，举升油缸(7)一端固定在机架(1)上，另一端固定在安装座(6)上；安装座(6)转动固定在机架(1)上。
5.根据权利要求4所述的多功能遥控地铁消防机器人，其特征在于，所述救援单元还包括仰角调整机构，仰角调整机构包括一液压油缸(10)，其液压油缸(10)的缸体固定在安装座(6)上，伸缩杆铰接在风机(5)外壳上。
6.根据权利要求5所述的多功能遥控地铁消防机器人，其特征在于，所述温度传感器(11)为非接触式温度传感器，其工作温度大于200℃。
7.根据权利要求6所述的多功能遥控地铁消防机器人，其特征在于，所述视觉传感器(12)为面阵CCD摄像机；所述化学传感器(13)为气体传感器。
8.一种根据权利要求1至7任一项所述多功能遥控地铁消防机器人的控制方法，其特征在于，包括：
(1)确认机器人电源、远程多信息交互控制器电源都正常打开后，配对遥控信号；
(2)利用行走机构，控制消防机器人进行越障，进入火灾现场，同时开启视觉传感器(12)，将现场火势情况实时传输至视频显视器上，对视频信息处理、记录，及时操控消防机器人行走路径和其他作业；
(3)温度传感器(11)通过获取空气的温度，并判断确定火源位置，控制风机(5)的位置，调节举升油缸(7)，使风机(5)水平，垂直运动至火源处，风机正转，风向朝前，吹灭火源；同时水炮(8)和泡沫炮(9)对准火源处工作；
(4)火源扑灭后，化学传感器(13)实时判断现场有无有毒气体及何种气体，同时记录有毒、有害、易燃、易爆气体种类、浓度和变化趋势，风机(5)反转排空地铁隧道内烟雾。
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