CN110101995A - 智能照明灭火消防机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能照明灭火消防机器人。本发明提供的智能控制照明灭火消防机器人，从一种运动状态切换到另一种运动状态时万向摇杆无需回到圆点，能够使照明消防机器人进行连续不间断运动，避免了频繁启动驱动电机的问题，有效降低了电池组及驱动部分的工作量。同时，本发明提供的智能控制照明灭火消防机器人，是在满足国家对消防移动照明装置标准要求的前提下，利用LED做为照明光源，具有能耗低，照度高，寿命长等特点，填补了我国在照明消防机器人领域的空白。

Description

智能照明灭火消防机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是涉及一种智能照明灭火消防机器人。

背景技术

目前随着我国科学技术的高速发展，机器人已经在各领域得到充分利用。在消防行业，照明消防机器人主要用于消防灭火、排烟，侦察、救援等危险场合，其控制方式多为人工遥控消防机器人。现有技术中基于摇杆控制的照明消防机器人，米字型模具会限制摇杆的运动方向，在实际操作中从一种运动状态切换到另一种运动时摇杆需要回到圆点，机器人运动会出现间断性及不连续性，而驱动电机也需频繁启动，极地大增加了电池组及驱动部分的负担。在夜晚救援现场(人员无法接近的危险场地)，需要大功率的照明装置为现场救援提供保障，目前仍然没有能够满足国标要求的可远程操控的照明机器人。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能照明灭火消防机器人，机器人从一种运动状态切换到另一种运动状态时摇杆无需回到圆点，能够使照明灭火消防机器人进行连续不间断运动，避免了频繁启动驱动电机的问题，有效降低了电池组及驱动部分的工作量，利用照明灭火消防机器人为救援现场提供有效照明。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种照明灭火消防机器人的控制方法，所述消防机器人包括机器人本体、驱动装置、用于控制所述机器人本体运动的第一万向摇杆、对应所述第一万向摇杆设置的多个第一霍尔开关，所述驱动装置和机器人本体连接，所述驱动装置包括直流无刷电机及内嵌于所述直流无刷电机的霍尔编码器，所述机器人本体上设置有消防炮和升降装置，所述升降装置上设置有LED照明装置，所述控制方法包括：

获取所述第一霍尔开关的导通信号；

根据机器人运动控制模型和所述第一霍尔开关的导通信号控制所述机器人本体的运动方向和运动速度；其中，所述机器人运动控制模型的输入为第一霍尔开关的导通信号，所述机器人运动控制模型的输出为所述机器人本体的运动方向和运动速度；所述机器人运动控制模型的建立方法具体包括：

获取第一万向摇杆的固定位置、所述第一万向摇杆的极限运动区域及各所述第一霍尔开关与所述第一万向摇杆的相对位置；

将所述极限运动区域投影到所述第一万向摇杆的固定平面内，获得以所述第一万向摇杆的固定位置为圆心的圆；

将所述圆包围的圆形区域划分为多个扇形区域，其中，每个所述扇形区域对应所述机器人本体的运动方向，所述扇形区域内的点与所述圆心之间的距离表征所述机器人本体的运动速度；

根据所述相对位置将各个所述第一霍尔开关对应到相应的所述扇形区域内，获得机器人运动控制模型。

可选的，所述圆形区域包括四对控制扇形区域，每一对所述控制扇形区域的对称中心为所述圆心，相邻的两对所述控制扇形区域之间存在过渡扇形区域。

可选的，四对所述控制扇形区域中，第一对所述控制扇形区域以Y轴为对称轴，第二对所述控制扇形区域以X轴为对称轴，第三对所述控制扇形区域的对称轴在第一象限内与所述X轴的夹角为45°，第四对所述控制扇形区域的对称轴在第二象限内与所述Y轴的夹角为45°，其中，所述直角坐标系的原点为所述圆心。

可选的，每一对所述控制扇形区域包括两块控制扇形块，每一所述过渡扇形区域包括两块过渡扇形块，两块所述过渡扇形块关于所述圆心对称，以所述Y轴的正半轴为对称轴的控制扇形块对应所述机器人本体的前进运动方向，以所述Y轴的负半轴为对称轴的控制扇形块对应所述机器人本体的后退运动方向，以所述X轴的正半轴为对称轴的控制扇形块对应所述机器人本体的右掉头运动方向，以所述X轴的负半轴为对称轴的控制扇形块对应所述机器人本体的左掉头运动方向，位于第一象限内的控制扇形块和过渡扇形块均对应所述机器人本体的前进右转运动方向，在第二象限内的控制扇形块和过渡扇形块均对应所述机器人本体的前进左转运动方向，在第三象限内的控制扇形块和过渡扇形块均对应所述机器人本体的后退右转运动方向，在第四象限内的控制扇形块和过渡扇形块均对应所述机器人本体的后退左转运动方向。

可选的，所述机器人本体为履带式机器人，所述机器人本体转弯过程中的外轮速度和内轮速度分别为：

V_外＝0.7V，V_内＝0.5V，其中，V_外表示转弯过程的外轮速度，V_内表示转弯过程的内轮速度，V表示转弯前机器人的直行速度。

一种照明灭火消防机器人的控制***，所述消防机器人包括机器人本体、驱动装置、用于控制所述机器人本体运动的第一万向摇杆、对应所述第一万向摇杆设置的多个第一霍尔开关，所述驱动装置和机器人本体连接，所述驱动装置包括直流无刷电机及内嵌于所述直流无刷电机的霍尔编码器，所述机器人本体上设置有消防炮和升降装置，所述升降装置上设置有LED照明装置，所述控制***包括：

导通信号获取模块，用于获取所述第一霍尔开关的导通信号；

控制模块，用于根据机器人运动控制模型和所述第一霍尔开关的导通信号控制所述机器人本体的运动方向和运动速度；其中，所述机器人运动控制模型的输入为第一霍尔开关的导通信号，所述机器人运动控制模型的输出为所述机器人本体的运动方向和运动速度；所述机器人运动控制模型的建立子***包括：

建模数据获取模块，用于获取第一万向摇杆的固定位置、所述第一万向摇杆的极限运动区域及各所述第一霍尔开关与所述第一万向摇杆的相对位置；

投影模块，用于将所述极限运动区域投影到所述第一万向摇杆的固定平面内，获得以所述第一万向摇杆的固定位置为圆心的圆；

扇形划分模块，用于将所述圆包围的圆形区域划分为多个扇形区域，其中，每个所述扇形区域对应所述机器人本体的运动方向，所述扇形区域内的点与所述圆心之间的距离表征所述机器人本体的运动速度；

控制模型确定模块，用于根据所述相对位置将各个所述第一霍尔开关对应到相应的所述扇形区域内，获取机器人运动控制模型；

一种照明灭火消防机器人，所述机器人包括：控制器、机器人本体、驱动装置和用于控制所述机器人本体运动的第一万向摇杆，所述驱动装置和所述机器人本体连接，所述驱动装置包括直流无刷电机及内嵌于所述直流无刷电机的霍尔编码器，所述机器人本体上设置有消防炮，对应所述第一万向摇杆设置有多个第一霍尔开关，所述控制器分别与所述机器人本体和所述第一霍尔开关连接，所述控制器用于根据所述的控制方法控制所述机器人本体运动，其中，各个所述第一霍尔开关设置在不同半径的同心圆上，所述同心圆的圆心为所述第一万向摇杆的固定位置；

所述升降照明***包括升降装置、照明组件和俯仰云台，所述俯仰云台设置在所述升降装置上，所述照明组件设置在所述俯仰云台上，所述升降装置与机器人本体连接，所述升降装置、所述俯仰云台及所述照明装置均与所述控制器连接，所述照明组件包括多个LED灯组和恒流源，所述恒流源与所述LED灯组连接。

可选的，所述照明组件包括6个LED灯组和8个反光碗组，每个反光碗组包括9个反光碗，每个所述LED灯组包括72个LED灯芯，每个LED灯芯的功率为3W，对应每个所述LED灯芯设置有一个所述反光碗；

所述反光碗为球形反光碗、圆锥形反光碗、柱型反光碗或长方锥型反光碗。

可选的，所述照明灭火消防机器人还包括用于控制消防炮运动的第二万向摇杆，对应所述第二万向摇杆设置有多个第二霍尔开关，所述控制器分别与所述第二霍尔开关及所述消防炮连接，其中，各个所述第二霍尔开关设置在不同半径的同心圆上，所述第二霍尔开关对应的同心圆的圆心为所述第二万向摇杆的固定位置。

可选的，所述照明灭火消防机器人还包括激光扫描仪，所述激光扫描仪设置在所述机器人本体上，所述激光扫描仪与所述控制器连接，所述控制器用于获取所述激光扫描仪的扫描信息、第一距离阈值和第二距离阈值；

根据所述扫描信息确定障碍物与所述机器人本体之间的实时距离；

判断所述实时距离是否小于所述第一距离阈值，获得第一判断结果；

当所述第一判断结果表示所述实时距离小于所述第一距离阈值时，发出减速指令以控制所述机器人本体减速；

判断所述实时距离是否小于所述第二距离阈值，获得第二判断结果；

当所述第二判断结果表示所述实时距离小于所述第二距离阈值时，发出停止运动指令以控制所述机器人本体停止运动。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明首先将控制机器人本体运动的第一万向摇杆的极限运动区域投影到第一万向摇杆的固定平面内，获得以第一万向摇杆的固定位置为圆心的圆，然后将圆包围的圆形区域划分为多个扇形区域，每个所述扇形区域对应机器人本体的运动方向，所述扇形区域内的点与所述圆心之间的距离表征所述机器人本体的运动速度，最后根据各个第一霍尔开关与第一万向摇杆的相对位置将各个第一霍尔开关对应到相应的所述扇形区域内，获得了机器人运动控制模型。可见，本发明提供的照明灭火消防机器人的控制方法、控制***及照明灭火消防机器人，将第一霍尔开关的导通信号对应到机器人运动控制模型中的不同扇形区域，即可确定所述机器人本体的运动方向，同时，根据导通的第一霍尔开关在对应扇形区域中的位置即可确定机器人本体的运动速度。真正做到了利用一个摇杆实现对机器人运动的全部操控，简化了操作步骤，使操作更加简单、可靠，使得人机对话更加人性化、科学化。实际应用中从一种运动状态切换到另一种运动状态时摇杆无需回到圆点，能够使照明灭火消防机器人进行连续不间断运动，避免了频繁启动驱动电机的问题，有效降低了电池组及驱动部分的工作量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种照明灭火消防机器人的控制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的机器人运动控制模型的建立方法的流程；

图3为本发明实施例提供的机器人运动控制模型示意图；

图4为本发明实施例提供的一种照明灭火消防机器人的控制***的结构框图；

图5为本发明实施例提供的机器人运动控制模型的建立子***的结构框图；

图6为本发明实施例提供的一种照明灭火消防机器人的结构框图；

图7为本发明实施例提供的电动伸缩式升降杆的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的气动伸缩式升降杆的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供智能照明灭火消防机器人，机器人从一种运动状态切换到另一种运动状态时摇杆无需回到圆点，能够使照明灭火消防机器人进行连续不间断运动，避免了频繁启动驱动电机的问题，有效降低了电池组及驱动部分的工作量，属于AI(人工智能)控制中手势控制运动方向及速度的范畴。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种照明灭火消防机器人的控制方法的流程图。如图1所示，一种照明灭火消防机器人的控制方法，所述消防机器人包括机器人本体、驱动装置、用于控制所述机器人本体运动的第一万向摇杆、对应所述第一万向摇杆设置的多个第一霍尔开关，所述驱动装置和机器人本体连接，所述驱动装置包括直流无刷电机及内嵌于所述直流无刷电机的霍尔编码器，所述机器人本体上设置有消防炮和升降装置，所述升降装置上设置有LED照明装置，所述控制方法包括：

步骤11：获取所述第一霍尔开关的导通信号。

步骤12：根据机器人运动控制模型和所述第一霍尔开关的导通信号确定所述机器人本体的运动方向和运动速度；其中，所述机器人运动控制模型的输入为第一霍尔开关的导通信号，所述机器人运动控制模型的输出为所述机器人本体的运动方向和运动速度。

图2为本发明实施例提供的机器人运动控制模型的建立方法的流程图。如图2所示，所述机器人运动控制模型的建立方法具体包括：

步骤21：获取第一万向摇杆的固定位置、所述第一万向摇杆的极限运动区域及各所述第一霍尔开关与所述第一万向摇杆的相对位置。

步骤22：将所述极限运动区域投影到所述第一万向摇杆的固定平面内，获得以所述第一万向摇杆的固定位置为圆心的圆。

步骤23：将所述圆包围的圆形区域划分为多个扇形区域，其中，每个所述扇形区域对应所述机器人本体的运动方向，所述扇形区域内的点与所述圆心之间的距离表征所述机器人本体的运动速度。

步骤24：根据所述相对位置将各个所述第一霍尔开关对应到相应的所述扇形区域内，获得机器人运动控制模型。

图3为本发明实施例提供的机器人运动控制模型示意图。如图3所示，本实施例中，所述圆形区域包括四对控制扇形区域，每一对所述控制扇形区域的对称中心为所述圆心，相邻的两对所述控制扇形区域之间存在过渡扇形区域。

四对所述控制扇形区域中，第一对所述控制扇形区域以Y轴为对称轴，第二对所述控制扇形区域以X轴为对称轴，第三对所述控制扇形区域的对称轴在第一象限内与所述X轴的夹角为45°，第四对所述控制扇形区域的对称轴在第二象限内与所述Y轴的夹角为45°，其中，所述直角坐标系的原点为所述圆心。

每一对所述控制扇形区域包括两块控制扇形块，每一所述过渡扇形区域包括两块过渡扇形块，两块所述过渡扇形块关于所述圆心对称。控制扇形块的圆心角均为15°，过渡扇形块的圆心角均为30°，能够确保机器人本体运动的稳定性和持续性。

以所述Y轴的正半轴为对称轴的第一控制扇形块601对应所述机器人本体的前进运动方向，以所述Y轴的负半轴为对称轴的第五控制扇形块605对应所述机器人本体的后退运动方向，以所述X轴的正半轴为对称轴的第三控制扇形块603对应所述机器人本体的右掉头运动方向，以所述X轴的负半轴为对称轴的第七控制扇形块607对应所述机器人本体的左掉头运动方向，位于第一象限内的第二控制扇形块602对应所述机器人本体的前进右转运动方向，位于第一象限内的第一过渡扇形块609和第二过渡扇形块610均对应所述机器人本体的前进右转运动方向，在第二象限内的第八控制扇形块608、第七过渡扇形块615和第八过渡扇形块616均对应所述机器人本体的前进左转运动方向，在第三象限内的第六控制扇形块606、第五过渡扇形块613和第六过渡扇形块614均对应所述机器人本体的后退右转运动方向，在第四象限内的第四控制扇形块604、第三过渡扇形块611和第四过渡扇形块612均对应所述机器人本体的后退左转运动方向。

以所述Y轴的负半轴为对称轴的控制扇形块对应所述机器人本体的后退运动方向，以所述X轴的正半轴为对称轴的控制扇形块对应所述机器人本体的右掉头运动方向，以所述X轴的负半轴为对称轴的控制扇形块对应所述机器人本体的左掉头运动方向，位于第一象限内的控制扇形块和过渡扇形块均对应所述机器人本体的前进右转运动方向，在第二象限内的控制扇形块和过渡扇形块均对应所述机器人本体的前进左转运动方向，在第三象限内的控制扇形块和过渡扇形块均对应所述机器人本体的后退右转运动方向，在第四象限内的控制扇形块和过渡扇形块均对应所述机器人本体的后退左转运动方向。

具体地，所述机器人本体为履带式机器人，所述机器人本体转弯过程中的外轮速度和内轮速度分别为：

V_外＝0.7V，V_内＝0.5V，其中，V_外表示转弯过程的外轮速度，V_内表示转弯过程的内轮速度，V表示转弯前机器人的直行速度。

图4为本发明实施例提供的一种照明灭火消防机器人的控制***的结构框图。如图4所示一种照明灭火消防机器人的控制***，所述消防机器人包括机器人本体、驱动装置、用于控制所述机器人本体运动的第一万向摇杆、对应所述第一万向摇杆设置的多个第一霍尔开关，所述驱动装置和机器人本体连接，所述驱动装置包括直流无刷电机及内嵌于所述直流无刷电机的霍尔编码器，所述机器人本体上设置有消防炮和升降装置，所述升降装置上设置有LED照明装置，所述控制***包括：

导通信号获取模块41，用于获取所述第一霍尔开关的导通信号。

控制模块42，用于根据机器人运动控制模型和所述第一霍尔开关的导通信号确定所述机器人本体的运动方向和运动速度；其中，所述机器人运动控制模型的输入为第一霍尔开关的导通信号，所述机器人运动控制模型的输出为所述机器人本体的运动方向和运动速度。所述霍尔开关的型号为HEX34。

图5为本发明实施例提供的机器人运动控制模型的建立子***的结构框图。如图5所示，所述机器人运动控制模型的建立子***包括：

建模数据获取模块51，用于获取第一万向摇杆的固定位置、所述第一万向摇杆的极限运动区域及各所述第一霍尔开关与所述第一万向摇杆的相对位置；

投影模块52，用于将所述极限运动区域投影到所述第一万向摇杆的固定平面内，获得以所述第一万向摇杆的固定位置为圆心的圆；

扇形划分模块53，用于将所述圆包围的圆形区域划分为多个扇形区域，其中，每个所述扇形区域对应所述机器人本体的运动方向，所述扇形区域内的点与所述圆心之间的距离表征所述机器人本体的运动速度；

控制模型确定模块54，用于根据所述相对位置将各个所述第一霍尔开关对应到相应的所述扇形区域内，获取机器人运动控制模型。

图6为本发明实施例提供的一种照明灭火消防机器人的结构框图。如图6所示，一种照明灭火消防机器人，所述机器人包括：控制器60、机器人本体61、用于控制所述机器人本体运动的第一万向摇杆62和驱动装置67，所述驱动装置和所述机器人本体连接，所述驱动装置67包括直流无刷电机及内嵌于所述直流无刷电机的霍尔编码器。所述机器人本体上设置有消防炮63，对应所述第一万向摇杆62设置有多个第一霍尔开关64，所述控制器60分别与所述机器人本体61和所述第一霍尔开关64连接，所述控制器60用于根据所述的控制方法控制所述机器人本体61运动，其中，各个所述第一霍尔开关64设置在不同半径的同心圆上，所述同心圆的圆心为所述第一万向摇杆62的固定位置。

本实施例中，驱动装置67包括两台直流无刷电机、霍尔编码器、变速箱、双电机智能驱动模块、锂电池组和充电器。每台直流无刷电机内部均镶嵌有三个霍尔编码器，即对应直流无刷电机的每一相设置一个霍尔编码器，从而提高电机转速的检测精度。

内部镶嵌U、V、W三相霍尔编码器的直流无刷电机与机器人本体固定连接，直流无刷电机和双电机智能驱动模块电气连接，直流无刷电机的电机轴与变速箱连接，所述锂电池组分别与双电机智能驱动模块、电源转换模块、电量传感器、充电器连接并固定在机器人本体的箱体下方。

为了保证机器人本体直线行走(不允许有任何改变方向的操作)，本发明首先采用直流无刷伺服电机及双电机驱动模块，直流无刷电机具有速度控制精准、换向简单可靠、稳定度高、寿命长、转速控制精准等优点，接线端口为:A、B、C三相电源及U、V、W三相霍尔编码器输出线。双电机智能驱动模块采用三相H桥驱动、PWM信号控制转速，由镶嵌在定子线圈中的三相霍尓编码器检测电机圈数及运转方向，与双电机驱动模块形成闭环回路并将圈数信号转换为转速信号，为精准控制两个电机的转速及同步性能，专用PLC控制器通过CAN总线读取双电机驱动模块信号并在内部进行鉴别、判定、比较，实时监控电机的转速，根据***需要自动调节PWM信号的脉宽，通过CAN总线输出驱动信号，使得电机转速误差小于2‰,同步误差小于1‰，从而使得机器人运动速度严格按照预先设定的直线轨迹行走，充分体现了AI控制***的科学性和先进性。

由于万向摇杆采用的是无接触霍尔磁感应传递信号的，本实施例把在这8个分区范围内的霍尔开关进行不同方式的排列组合并分别进行编码命名，只要第一万向摇杆处在所述区域内，就能识别所在区域磁感应体的信号，进而能够进一步确定机器人的运动方向和运动速度。

本实施例中，将霍尔单极开关及其配套电子元器件设置在印刷线路板上形成摇杆矩阵模块。摇杆矩阵模块采用贴片式器件，具有体积小、开关速度快、产品一致性好、可与各种逻辑电路直接连接的优点。摇杆矩阵模块的封装为SOT23，长度2.9mm、宽度2.4mm、厚度小于1.5mm，采用内部集成了上拉电阻的集电极开路(OC)输出模式。设置方法如下：在第一控制扇形块601的区域内含有运动方向、运动速度二个物理量，而速度又分为R/10～R十个变量，把代表运动方向的多个霍尔开关设置在不同半径的圆弧内，使得在控制扇形块区间内任何位置都能感应到摇杆的磁场，同一控制扇形块内不同圆弧内的霍尔开关并联，因此，在圆弧半径为R/10～R的范围内就有十个代表不同速度的数字量。

例如：当第一万向摇杆最终位置的投影位于第一控制扇形块601区域时，位于5R/10位置处的霍尔开关元件受到万向摇杆的磁性作用由截至状态反转为饱和导通，其集电极由高电平变为低电平，由于区间内霍尔元件是多个并联的，其中任何一个导通就完成了由位置信号转变成电信号的过程，把代表前进方向的第一扇形块601的方向信号和代表5R/10速度信号送到第一编解码器221的输入端并命名为i1、i8的方向编码、i9、i18的速度编码，在编码器内部经过编程把不同输入端对应区间位置、物理含义，对应的输出码，全部事先写进控制器内，只要输入端有信号输入，控制器即可进行识别、编码、并通过输出端输出物理量含义特定的一组编码。例如上述对应i1的输入，输出端O1输出的编码为0001、对应i9的输入、输出端O2输出的编码为00101，以此类推整个***的控制区域Ⅰ区共有i1～i8共8个代表方向的输入端及O1代表方向编码的4位输出端(共有5个端口)、有i9～i18共10个代表速度快慢的输入端及O2代表速度编码的5位输出端。

过渡区Ⅱ区共有I1～I8共8个代表组合运动方向的输入端，对应输出端O3输出的编码为01101～10100，有I9～I18共8个代表组合运动速度的输入端，对应对应输出端O1输出的编码为01101～10100，而输入端对应的只是高低电平的变化。

输出端的各种数字编码信号在遥控发/接+CAN总线内部把编码信号经过整形后通过CAN总线由天线发射，在机器人端的遥控接/发模块收到信号后经过CAN总线识别耦合后在编解码器进行解码处理，把数字编码信号解析出对应的物理含义，并转化成控制信号输送到控制器(专用PLC)的CAN总线进行信号匹配，比如将0001编码解析为机器人前进，对应的控制信号是履带式机器人上的左直流无刷电机正转、右直流无刷电机反转，将编码为00101编码解析为速度为5R/10对应的直流控制电压2.5V的信号控制左直流无刷电机和右直流无刷电机的运动速度，控制信号是通过PLC控制器的CAN总线将驱动信号输出到双电机驱动模块中，智能完成了由操作到完成执行的全过程。

本实施例8个控制扇形块分别对应的编码依次为0001(601)、0010(602)、0011(603)、0100(604)、0101(605)、0110(606)、0111(607)、1000(608)，8个过渡扇形块分别对应的编码为依次为01101(609)、01110(610)、01111(611)、10000(612)、10001(613)、10010(613)、10011(615)、10100(616)共8组代码，根据摇杆所在位置，即可确定机器人运动方向。

本实施例中，扇形控制区域不是简单的一条直线，而是圆心角为15°的扇形区域，在整个范围区间中只需判定识别唯一一个代码(方向代码)，因此，在操作机器人运动时，即使操作者没有把万向摇杆精确对准运动方向，也能确保机器人运动方向的准确性(在±7.5°＝15°)，使得操作更加容易，简单、方便，且无需刻意保持摇杆直线运动，具有很好的实用性和先进性。

确定机器人运动方向后，在此基础上进一步确定机器人运动速度。将每个扇形控制区域的划分为半径为R/10、2R/10、3R/10、4R/10、5R/10、6R/10、7R/10、8R/10、9R/10、R共一个小扇形区间和9个环形区间，对应上述区间的子代码分别是：00001、00010、00011、00100、00101、00110、00111、01000、01001、01010，通过实验证明，上述速度控制能够有效保持机器人运动的平稳性。

为了满足机器人不同方向对二个驱动电机的转速、方向要求不同，本实施例把控制区的8个分区进行不同的速度设置。在第一控制扇形块601内左直流无刷电机正转，右直流无刷电机反转，且二者需要同步，(且保证误差小于0.1％)第三控制扇形块603内左直流无刷电机正转，右直流无刷电机正转，在第五控制扇形块605内左直流无刷电机反转，右直流无刷电机同步正转，在第七控制扇形块607内左直流无刷电机反转，右直流无刷电机反转，上述两个电机的转速是完全同步的。第二控制扇形块602内左电机正转，右电机减速反转。第四控制扇形块604内左直流无刷电机减速反转，右直流无刷电机正转。第六控制扇形块606内左直流无刷电机反转，右直流无刷电机减速正转，第八控制扇形块608内左直流无刷电机减速正转，右直流无刷电机反转。

由于履带式机器人没有转向机构及方向盘，其转弯是靠左右驱动电机的速度差实现的，目前普遍采用方式是用二套摇杆去分别控制二套驱动电路，人为因素较大，对操作者要求过高，操作不当会发生侧翻。本发明在机器人转弯速度的控制上，要解决以下问题：a、转弯半径与车速成反比，速度越快、转弯半径越小，如果不加控制会造成“过度转向”而导致车辆失稳、侧翻。b、原则上希望车速慢、转弯半径大，但是对转弯半径国家有相应的标准要求，对于汽车最小转弯半径不大于车身长度的1.5倍，对于消防机器人公安部标准要求不大于车身长度的2.0倍。

本实施例中，转速数据如下：

直流无刷电机215额定转速3000r/min

变速箱110速比20：1

驱动轮103直径200mm

机器人车长2m

允许转弯半径2x2＝4m

输出轴转速150r/min，额定速度V＝150x0.2/60＝0.5m/s

则在t＝10s时间内，(实验数据显示，完成机器人转弯的大致时间)内外轮所行使距离分别为：

S外＝V×t＝0.5×10＝5m S内＝0.5V×t＝0.5x0.5x10＝2.5m

内外轮距离差S＝S外-S内＝5-2.5＝2.5m

实际运行试验数据显示：

转弯半径R1≈S+车长≈2.5+2＝4.5m

R1＞4m，显然这样设置满足不了要求。在充分考虑到照明灭火消防机器人设置有升降杆，其重心较高，易侧翻，又必须满足标准要求，本实施例把机器人转弯时的内外轮速度定义为：

V外＝0.7V＝0.7×0.5＝0.35m/s V内＝0.5V＝0.5×0.5＝0.25m/s经计算转弯半径R2≈1.5m+2m＝3.5m

计算与运行结果显示R2＜4m，可满足要求。

以上设置通过实际运行，机器人转弯稳定、可靠，没有任何侧翻倾向，而且满足标准要求，通过以上科学合理的设置，实现了机器人运行的人工智能控制，

本发明虽然定义了不同半径圆内类的速度代码，而实际控制电机转速的是一组模拟变量(0～5V电压、4～20mA电流或PWM信号)，把R/10～R所有圆弧定义为0～5V的电压变化量，就可以实现对电机的速度控制，R/10对应0.5V、2R/10对应1.0V、5R/10对应2.5V、……9R/10对应4.5V、R对应5.0V，每一组数字代码对应一个电压量，把数字空间的某一位置赋予其一定的物理含义并且进行了量化，从而实现了对照明灭火消防机器人的人工智能(AI)控制。

同时，为了使万向摇杆的操作更加趋向人的思维，本发明采用“模糊数学”理论，判定人的操作变化趋势来确定摇杆运动轨迹，用万向摇杆的位置趋势变化来确定其对应的区域，以避免多个区域的编码同时被触发，在同一区域内，计算机无法识别代表同一物理含义的多个编码，造成控制器“死机”。例如，当第一扇形控制块601和第一过渡扇形块609结合处的霍尔开关同时被触发时，控制器将无法确定机器人本体的运动方向。对此，本发明根据万向摇杆方向变化的趋势和变化时间来确定机器人的运动方向：运动轨迹→变化趋势→持续时间→满足→选择读取→完成。具体实现方法如下：

控制器获取万向摇杆的运动轨迹，首先根据运动轨迹确定万向摇杆的运动方向，并记录万向摇杆持续向所述运动方向运动的时间。然后判断持续运动的时间是否大于或者等于设定的时间阈值，若是，则根据运动轨迹的终点对应的区域确定机器人本体的运动方向和运动速度，否则，根据运动轨迹的起点对应的区域确定机器人本体的运动方向和运动速度。

比如，在操作中由于误操作使得第一万向摇杆由第一扇形控制块601向第一过渡扇形块609变化，但是操作者没有改变运动方向的意图，就不会把摇杆继续向该方向运动，变化的持续时间不满足***设定的时间，此时控制器继续保持第一扇形控制块601确定的方向。如果摇杆由第一扇形控制块601向第一过渡扇形块609在连续变化，满足设定时间要求，此时控制器采用第一过渡扇形块609确定的方向。

本实施例中，所述照明灭火消防机器人还包括用于控制消防炮63运动的第二万向摇杆66，对应所述第二万向摇杆66设置有多个第二霍尔开关65，所述控制器60分别与所述第二霍尔开关65及所述消防炮63连接，其中，各个所述第二霍尔开关65设置在不同半径的同心圆上，所述第二霍尔开关65对应的同心圆的圆心为所述第二万向摇杆66的固定位置。

优选地，所述照明灭火消防机器人还设置有与控制器连接的消防炮自摆按键。控制器获取操作者通过按下消防炮自摆按键输入的自摆起始位置，获取操作者通过释放所述消防炮自摆按键输入的自摆结束位置，根据所述自摆起始位置和所述自摆结束位置确定自摆运动区域，控制所述消防炮在所述自摆运动区域内进行往返运动。

由于本发明提供的灭火消防机器人具有消防炮自摆功能，“自摆按键”控制模式从根本上解决了传统的生产商设定好自摆角度，由开关执行，实用性能差的问题。本发明可根据实际需要任意设定自摆角度，当消防炮在往某方向旋转时，如果按下自摆按键，此时开始自摆模式，按下自摆按键时的位置即为自摆起始位置，根据实际覆盖范围需要，始终按压按键，当达到需要的角度后，释放自摆按键的位置即为自摆结束位置。消防炮将按照自摆起始位置和自摆结束位置界定的自摆运动区域进行自摆，来回循环运动。当需要解除自摆时，只需要把摇杆左右任意一个方向动一下即可，这种控制模式增加了消防炮的灭火效能，扩展了使用范围。

通过第二万向摇杆64控制消防炮63运动的实现方法与第一万向摇杆控制机器人本体的方法相同，在此不再赘述。

进一步地，所述照明灭火消防机器人还包括升降照明***，所述升降照明***包括升降装置和照明组件，所述照明组件设置在所述升降装置上，所述升降装置与所述控制器连接，所述升降装置为气动或电动伸缩式升降杆，所述照明组件包括：6个LED灯组和恒流源，所述恒流源与所述LED灯组连接，对应每个所述LED灯芯设置有一个长方锥型的反光碗，每个所述LED灯组包括72个LED灯芯，每个LED灯芯的功率为3W。

图7为本发明实施例提供的电动伸缩式升降杆的结构示意图。如图7所示，电动伸缩式升降杆包括：底座401、直流电机402、变速器403、卷线盘404、钢缆405、固定座406、导向轮407、第一升降方钢408、行程开关409、抱箍组件410、滑轮411、活塞组件412、第二升降方钢412、定位套组件414、第三升降方钢415、安装件416。其中，底座401与机器人箱体101下方通过螺纹连接、并分别与变速器403、卷线盘404、固定座406连接、所述变速器403的一端与通过方键与直流电机402的电机轴连接，另一端通过方键与卷线盘404连接，所述钢缆405一端缠绕在卷线盘上并加以固定、另一端通过导向轮407穿过上方抱箍组件410的上的滑轮411和活塞组件412中的滑轮组、穿过第一升降方钢管408上方开的孔与抱箍组件410另一方接结固定，所述导向轮407焊接在第一升降方钢管408上，所述第一升降方钢管408通过螺栓分别与抱箍组件410、定位套组件414连接，所述行程开关409有上下二组，分别通过螺栓固定在第一升降方钢408的上下方，用来确定每一节升降方钢管的行程，所述第二升降方钢管413，第三升降方钢管415均与不同规格的活塞组件412、抱箍组件410、定位套组件414连接、其连接方式与第一升降方钢管408相同，其与钢缆的连接方式与第一节相同，构成独立的地第二节、第三节等多节，以满足高度要求，所述安装件416通过螺栓与顶层升降方钢连接，并与仰俯云台中的安装套螺纹连接。

优选地，所述抱箍组件410、活塞组件412、定位套组件414是结构相同而不同规格的组件，根据不同的升降高度采用相应的数量。

本发明实施例提供的电动伸缩式升降杆的升降原理如下：

钢缆405一端在卷线盘上绕二圈后固定，穿过导向轮407、抱箍组件上的滑轮411，第一升降方钢管408在滑轮对应位置开的孔、活塞组件412上的滑轮组、由第一升降方钢管408另一端穿出，固定在抱箍组件410的另一端，穿线时把活塞组件412放到第一升降方钢管408的最下端，(这样是为了给钢缆在卷线盘中上升缠绕时所留的高度空间)，其它各节的结构相同。在第一升降方钢管408上下合适位置穿钢缆的邻侧各开一个方孔(这个位置确定了每节杆的行程)，将行程开关滑轮对准方孔固定，当启动“升”按键时直流电机402正转通过卷线盘404使钢缆405开始在卷线盘404升缠绕，由于钢缆的作用使得活塞组件412，开始上升，对应的第二节、第三节同时上升，当上升到设定高度时上行程开关409上的滑轮碰触到活塞组件，长闭触点断开，切断了直流电机402的供电回路，上升过程结束。下降时电机反转开始放钢缆405，在灯具重量作用下，开始下降，当达到底部时行程开关作用断开电机供电，下降完成。

电动伸缩式升降杆具有结构简单、安全可靠的特点，本发明把抱箍组件、活塞组件、定位套组件的各规格零件通过开模加工生产，提高了产品的一致性和可靠性。

图8为本发明实施例提供的气动伸缩式升降杆的结构示意图。如图8所示，气动伸缩式升降杆包括：下法兰301、底座302、气嘴303、O型密封圈组件304、油封组件305、活塞套组件306、圆缸组件307、连接套组件308、尼龙垫组件309、橡胶防振垫组件310、弹簧线311、穿线螺栓312、密封圈313、上连接套314、安装套315、安全阀316、双缸气泵317、泄压阀318、调压阀319、压力开关320、进气阀321、放气阀322、三通组件323和限位卡箍组件324，上述组件形成一套完整的密封滑动体系，(其保压能力24小时升降杆下降＜3cm)上述所有组件是由规格不同，结构相同的个体组成，可以根据要求高度进行多节组合。本实施例为五节结构，最多为八节。

其升降原理如下：当压缩空气通过气嘴303进入升降杆空间并充满时，首先油封组件305受压膨胀隔绝空气向外泄漏，当气体压力大于最上一节圆缸组件307和灯具重量时，最上一节活塞套组件306带动圆缸组件307、限位卡箍组件324及连接套组件314开始上升，当上升到限位卡箍组件324顶到上端连接套组件314时最上一节上升完成，限位卡箍组件324与圆缸组件307的下端距离就是每一节升降杆的导向长度(一般为250～300mm)，其中限位卡箍组件324顶到上端连接套组件314时最上一节上升完成后，下面各节以此类推至所有圆缸组件307完全升起，达到设计高度。

其中，限位卡箍组件324与圆缸组件307在规定位置通过螺纹连接，决定了每节升降杆的导向长度即升降杆在完全升起时的稳定度－抗风能力。

同时，安全阀316是整个升降装置的第二道安全保护措施，其主要作用是：当升降杆内部空气压力＞设定压力(0.25Mpa)时自动开启安全阀门，释放杆内压力，防止因杆内压力过高造成冲杆的危险，另外当***控制电路出现问题无法操作时，为保证升降杆能够顺利收回到行使状态，可手动按压安全阀316使其放气，

为了克服通用型气动伸缩式升降杆由于可配置节数较少(一般5～6节)，高度差较小，运输高度较高等缺陷，本发明采用6061T6铝合金材料，其具有更高的强度，可以使材料选择较薄，减轻整体重量。本实施例的设计运输高度1.6m共7节整体升高＞7m，从而保证了满足国家标准对灯具照度的要求，又降低了机器人的重心，使得行走更安全。为提高升降杆的安全系数，本实施例不仅选择了自烘干双缸气泵317，并且安装了调压阀319、泄压阀318、安全阀316，对供气***进行了多重保护，具有实用性、先进性和创造性。

为了实现自动避障功能，所述照明灭火消防机器人还包括激光扫描仪，所述激光扫描仪设置在所述机器人本体上，所述激光扫描仪与所述控制器连接，所述控制器用于

获取所述激光扫描仪的扫描信息、第一距离阈值和第二距离阈值；

根据所述扫描信息确定障碍物与所述机器人本体之间的实时距离；

判断所述实时距离是否小于所述第一距离阈值，获得第一判断结果；

当所述第一判断结果表示所述实时距离小于所述第一距离阈值时，发出减速指令以控制所述机器人本体减速；

判断所述实时距离是否小于所述第二距离阈值，获得第二判断结果；

当所述第二判断结果表示所述实时距离小于所述第二距离阈值时，发出停止运动指令以控制所述机器人本体停止运动。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的***而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种智能照明灭火消防机器人的控制方法，其特征在于，所述消防机器人包括机器人本体、驱动装置、用于控制所述机器人本体运动的第一万向摇杆、对应所述第一万向摇杆设置的多个第一霍尔开关，所述驱动装置和机器人本体连接，所述驱动装置包括直流无刷电机及内嵌于所述直流无刷电机的霍尔编码器，所述机器人本体上设置有消防炮和升降装置，所述升降装置上设置有LED照明装置，所述控制方法包括：

获取所述第一霍尔开关的导通信号；

根据机器人运动控制模型和所述第一霍尔开关的导通信号确定所述机器人本体的运动方向和运动速度；其中，所述机器人运动控制模型的输入为第一霍尔开关的导通信号，所述机器人运动控制模型的输出为所述机器人本体的运动方向和运动速度；所述机器人运动控制模型的建立方法具体包括：

获取第一万向摇杆的固定位置、所述第一万向摇杆的极限运动区域及各所述第一霍尔开关与所述第一万向摇杆的相对位置；

将所述极限运动区域投影到所述第一万向摇杆的固定平面内，获得以所述第一万向摇杆的固定位置为圆心的圆；

将所述圆包围的圆形区域划分为多个扇形区域，其中，每个所述扇形区域对应所述机器人本体的运动方向，所述扇形区域内的点与所述圆心之间的距离表征所述机器人本体的运动速度；

根据所述相对位置将各个所述第一霍尔开关对应到相应的所述扇形区域内，获得机器人运动控制模型。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述圆形区域包括四对控制扇形区域，每一对所述控制扇形区域的对称中心为所述圆心，相邻的两对所述控制扇形区域之间存在过渡扇形区域。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，四对所述控制扇形区域中，第一对所述控制扇形区域以Y轴为对称轴，第二对所述控制扇形区域以X轴为对称轴，第三对所述控制扇形区域的对称轴在第一象限内与所述X轴的夹角为45°，第四对所述控制扇形区域的对称轴在第二象限内与所述Y轴的夹角为45°，其中，所述直角坐标系的原点为所述圆心。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，每一对所述控制扇形区域包括两块控制扇形块，每一所述过渡扇形区域包括两块过渡扇形块，两块所述过渡扇形块关于所述圆心对称，以所述Y轴的正半轴为对称轴的控制扇形块对应所述机器人本体的前进运动方向，以所述Y轴的负半轴为对称轴的控制扇形块对应所述机器人本体的后退运动方向，以所述X轴的正半轴为对称轴的控制扇形块对应所述机器人本体的右掉头运动方向，以所述X轴的负半轴为对称轴的控制扇形块对应所述机器人本体的左掉头运动方向，位于第一象限内的控制扇形块和过渡扇形块均对应所述机器人本体的前进右转运动方向，在第二象限内的控制扇形块和过渡扇形块均对应所述机器人本体的前进左转运动方向，在第三象限内的控制扇形块和过渡扇形块均对应所述机器人本体的后退右转运动方向，在第四象限内的控制扇形块和过渡扇形块均对应所述机器人本体的后退左转运动方向。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述机器人本体为履带式机器人，所述机器人本体转弯过程中的外轮速度和内轮速度分别为：

V_外＝0.7V，V_内＝0.5V，其中，V_外表示转弯过程的外轮速度，V_内表示转弯过程的内轮速度，V表示转弯前机器人的直行速度。

6.一种智能照明灭火消防机器人的控制***，其特征在于，所述消防机器人包括机器人本体、驱动装置、用于控制所述机器人本体运动的第一万向摇杆、对应所述第一万向摇杆设置的多个第一霍尔开关，所述驱动装置和机器人本体连接，所述驱动装置包括直流无刷电机及内嵌于所述直流无刷电机的霍尔编码器，所述机器人本体上设置有消防炮和升降装置，所述升降装置上设置有LED照明装置，所述控制***包括：

导通信号获取模块，用于获取所述第一霍尔开关的导通信号；

控制模块，用于根据机器人运动控制模型和所述第一霍尔开关的导通信号确定所述机器人本体的运动方向和运动速度；其中，所述机器人运动控制模型的输入为第一霍尔开关的导通信号，所述机器人运动控制模型的输出为所述机器人本体的运动方向和运动速度；所述机器人运动控制模型的建立子***包括：

建模数据获取模块，用于获取第一万向摇杆的固定位置、所述第一万向摇杆的极限运动区域及各所述第一霍尔开关与所述第一万向摇杆的相对位置；

投影模块，用于将所述极限运动区域投影到所述第一万向摇杆的固定平面内，获得以所述第一万向摇杆的固定位置为圆心的圆；

扇形划分模块，用于将所述圆包围的圆形区域划分为多个扇形区域，其中，每个所述扇形区域对应所述机器人本体的运动方向，所述扇形区域内的点与所述圆心之间的距离表征所述机器人本体的运动速度；

控制模型确定模块，用于根据所述相对位置将各个所述第一霍尔开关对应到相应的所述扇形区域内，获得机器人运动控制模型。

7.一种智能照明灭火消防机器人，其特征在于，所述机器人包括：控制器、升降照明***、机器人本体、驱动装置和用于控制所述机器人本体运动的第一万向摇杆，所述驱动装置和所述机器人本体连接，所述驱动装置包括直流无刷电机及内嵌于所述直流无刷电机的霍尔编码器，所述机器人本体上设置有消防炮，对应所述第一万向摇杆设置有多个第一霍尔开关，所述控制器分别与所述机器人本体和所述第一霍尔开关连接，所述控制器用于根据权利要求1-5任一项所述的控制方法控制所述机器人本体运动，其中，各个所述第一霍尔开关设置在不同半径的同心圆上，所述同心圆的圆心为所述第一万向摇杆的固定位置；

所述升降照明***包括升降装置、照明组件和俯仰云台，所述俯仰云台设置在所述升降装置上，所述照明组件设置在所述俯仰云台上，所述升降装置与机器人本体连接，所述升降装置、所述俯仰云台及所述照明装置均与所述控制器连接，所述照明组件包括多个LED灯组和恒流源，所述恒流源与所述LED灯组连接。

8.根据权利要求7所述的消防机器人，其特征在于，所述照明组件包括6个LED灯组和8个反光碗组，每个反光碗组包括9个反光碗，每个所述LED灯组包括72个LED灯芯，每个LED灯芯的功率为3W，对应每个所述LED灯芯设置有一个所述反光碗；

所述反光碗为球形反光碗、圆锥形反光碗、柱型反光碗或长方锥型反光碗。

9.根据权利要求7所述的消防机器人，其特征在于，所述消防机器人还包括用于控制消防炮运动的第二万向摇杆，对应所述第二万向摇杆设置有多个第二霍尔开关，所述控制器分别与所述第二霍尔开关及所述消防炮连接，其中，各个所述第二霍尔开关设置在不同半径的同心圆上，所述第二霍尔开关对应的同心圆的圆心为所述第二万向摇杆的固定位置。

10.根据权利要求7所述的消防机器人，其特征在于，所述消防机器人还包括激光扫描仪，所述激光扫描仪设置在所述机器人本体上，所述激光扫描仪与所述控制器连接，所述控制器用于

获取所述激光扫描仪的扫描信息、第一距离阈值和第二距离阈值；

根据所述扫描信息确定障碍物与所述机器人本体之间的实时距离；

判断所述实时距离是否小于所述第一距离阈值，获得第一判断结果；

当所述第一判断结果表示所述实时距离小于所述第一距离阈值时，发出减速指令以控制所述机器人本体减速；

判断所述实时距离是否小于所述第二距离阈值，获得第二判断结果；

当所述第二判断结果表示所述实时距离小于所述第二距离阈值时，发出停止运动指令以控制所述机器人本体停止运动。