CN113805586A

CN113805586A - 一种自主消防特种防爆机器人

Info

Publication number: CN113805586A
Application number: CN202111057629.6A
Authority: CN
Inventors: 李�瑞; 袁文正; 孙景富; 刘琦; 顾保虎; 吴楠; 张克富; 潘强辉
Original assignee: Nanyang Zhongtian Explosion Proof Electric Co ltd
Current assignee: Nanyang Zhongtian Explosion Proof Electric Co ltd
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2021-12-17

Abstract

本发明提供了一种自主消防特种防爆机器人，属于消防机器人技术领域。包括传感器单元、运动单元、消防单元、通信单元、处理单元和供电单元；传感器单元包括摄像机、激光雷达、火焰探测器、温湿度传感器、气体探测器和定位天线；运动单元包括底盘和驱动电机；消防单元包括消防炮、供水水管和喷淋装置；通信单元用于和控制终端无线连接；供电单元包括电池箱和锂离子电池。本发明具有自主构建地图功能、自主导航功能、自主避障功能、火焰探测及标定功能、自主灭火功能；本发明具备气体和粉尘双重防爆性能，能够在***危险区域内使用；本发明能够代替人工进行日常巡检，也能够代替消防救援人员进入易燃、易爆等危险灾害事故现场进行探测、救援或灭火。

Description

一种自主消防特种防爆机器人

技术领域

本发明属于消防机器人技术领域，具体涉及一种自主消防特种防爆机器人。

背景技术

目前火灾事件频发，救火抢险一线上的消防人员的人身安全受到威胁，消防安全亟需科技武装，消防机器人可以代替消防人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、坍塌、浓烟等危险场所进行灭火救援，有效解决消防人员所面临的人身安全、数据信息采集不足等问题。但消防事故现场既有可能存在***性气体环境，又可能存在***性粉尘环境，各种类型***性气体及***性粉尘均有可能出现，目前具有气体防爆和粉尘防爆性能的消防灭火侦察防爆机器人仍很少，并且已有的防爆机器人自主性很低。

如专利文献CN105999598A提出一种防爆消防灭火侦察机器人，包括消防机器人本体和远程控制箱两部分，消防机器人本体由箱体组件、独立悬挂减震***、消防水炮、数据采集多媒体组件和附件组成，消防机器人本体采用防爆设计，并携带有传感器、摄像机、消防水炮，可代替消防人员进入易燃、易爆、有毒气体环境进行探测和侦察，也可进入浓烟、火灾等事故现场，进行消防灭火。该消防机器人本体上的天线负责接收控制箱发来的命令，根据命令驱动消防机器人本体行走。该消防机器人的行走动作和消防动作完全依赖于远程控制，没有自主行动能力。

又如专利文献CN108686324A提出一种消防灭火侦察防爆机器人，包括机器人终端和遥控操作箱，机器人终端包括防爆底盘，防爆底盘上方设有消防炮、水幕喷头、升降平台、防爆大灯、报警灯、防爆红外热像仪、防爆拾音器、防爆音响、第一数传天线、第一图传天线和防爆激光避障传感器，遥控操作箱包括背负箱和手操箱，该机器人采用履带式底盘、可搭载消防水炮、有毒有害气体探测器、温湿度变送器、摄像机、拾音器等不同上装。虽然该防爆机器人设置有激光避障传感器能够进行避障操作，但其无法进行路径规划等自主操作，自主性较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种具有很强自主性的消防特种防爆机器人。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种自主消防特种防爆机器人，包括传感器单元、运动单元、消防单元、通信单元、处理单元和供电单元；

所述传感器单元包括摄像机、激光雷达、火焰探测器、温湿度传感器、气体探测器和定位天线；所述摄像机用于获取周围的环境图像，所述激光雷达用于识别周围障碍物，所述火焰探测器用于识别出火源，所述温湿度传感器用于获取周围环境的温湿度数据，所述气体探测器用于识别出SO2、NO2、NH3等多种气体，所述定位天线用于通过GPS/北斗卫星定位获取位置信息；

所述运动单元包括底盘和驱动电机，用于控制本发明的运动；

所述消防单元包括消防炮、供水水管和喷淋装置；所述消防炮用于喷射水流或泡沫进行灭火，所述供水水管用于向所述消防炮供水，所述喷淋装置用于向周围喷洒水滴；

所述通信单元用于和控制终端无线连接；

所述处理单元用于从所述传感器单元获取传感信息，并用于自主构建地图、自主导航、自主避障、火焰探测及标定；

所述供电单元包括电池箱和设置在电池箱内部的锂离子电池，用于提供电能；

所述摄像机、所述激光雷达、所述火焰探测器、所述温湿度传感器、所述气体探测器、所述定位天线、所述底盘和所述电池箱均为气体和粉尘防爆电气产品。

进一步的，所述火焰探测器能够同时获取可见光、红外及热成像图像。

进一步的，所述供水水管为双口结构；所述供水水管上还设置有水带自动脱卸装置，所述水带自动脱卸装置用于自动卸下消防水带，且为气体和粉尘防爆电气产品。

进一步的，所述底盘为克里斯蒂悬挂式履带底盘，包括履带、支撑轮和驱动轮；所述支撑轮和所述驱动轮的金属镁、钛质量百分比总含量均不超过7.5%，所述履带由橡胶内嵌凯夫拉纤维和芯金制成，且表面绝缘电阻不大于109Ω。

进一步的，所述传感器单元还包括激光避障传感器，所述激光避障传感器用于识别正前方的障碍物，且为气体和粉尘防爆电气产品。

进一步的，还包括拾音器和音箱。

进一步的，所述通信单元还用于实现互联网通讯。

目前的消防机器人特别是防爆消防机器人仍大多采用遥控方式工作，无论是在行走或火源寻找、灭火过程均依赖于远程遥控人员的操控。如专利文献CN105999598A提出的防爆消防灭火侦察机器人，其本体根据远程控制箱所发出的命令进行前进、后退、左转和右转，当消防机器人本体接近事故或火灾现场时，消防机器人本体摄像头、气体传感器、红外温度传感器和避障传感器将采集到的信息回传给控制箱，操作人员根据现场实际情况，发出各种命令控制消防机器人本体进行灭火、侦察等工作。但消防环境中可能存在地形复杂、通讯不畅通等问题，这种需要人为控制的消防机器人由于缺乏自主灭火能力及移动能力，在复杂环境下难以完全发挥作用，影响消防工作的开展。

为应对这种情况下，出现了一些具有自主功能的防爆消防机器人。如专利文献CN107875549A提出的防爆消防侦察灭火机器人，其车载主控器通过传感和提示组件中的防爆红外传感器和防爆激光测距传感器组合，实现对前方障碍物的距离检测，并将检测的数据实时发送至车载主控器供其分析，对机器人前方障碍物距离进行判定，做出前进或停止运动策略；又如专利文献CN108686324A提出的消防灭火侦察防爆机器人，设置有激光避障传感器能够进行自动避障操作。虽然上述专利的防爆消防机器人具有自主避障功能，但其运动、寻找火源、灭火等功能仍由人工操控。火灾事故现场可能会出现通信信号不稳定、磁干扰严重、通信效果差的问题，易造成控制***失效而出现无法远程控制的情况，虽然专利文献CN107875549A、CN108686324A具有一定的自主功能，但其整体自主性仍然不强，部分功能仍会受通信质量的影响。

在这种情况下，为确保消防机器人与遥控终端之间的通信质量，就要增强消防机器人的信号强度。如专利文献CN205095302U提出的一种智能消防机器人就设置了信号增强器用于增强传输信号。

增强信号强度就要增加信号的发射功率，但在具有***性气体的危险区域内，射频电磁波存在点燃***性气体的可能性。特别是在信号不佳的情况下，消防机器人的通信部件均会自动提高功率以实现或维持通信连接。为减少射频能量点燃的危险性，就需要对消防机器人的无线通信部件（射频电磁波发射部件）的发射功率进行限制。但目前的消防机器人大多未采取发射功率限制措施，因为限制发射功率必然会影响通信质量，进而影响与遥控终端的连接，影响人工遥控消防机器人或半自主消防机器人的正常工作。

即使有部分现有技术的消防机器人对信号发射功率进行了限制，如专利文献CN108686324A限制数传电台和图传电台的功率不大于2W，但仅限制功率而不采取其他信号增强措施，又必然会影响通信质量，影响遥控距离。

在这种情况下，本发明人一方面针对射频点燃能量与无线传输质量之间的矛盾进行研究，对射频电磁波发射部件进行本安化设计，限制其发射功率，确保射频点燃能量不超过危险值，同时增加天线的增益效果、降低传输图像文件的大小，确保通信质量；另一方面，本发明人采用的自主式消防机器人控制***，能够是实现自主建图、自主行走、自主寻路、自主避障、自主寻找火源、自主灭火等功能，即使在通信质量不佳的情况下，也不影响消防机器人的自主工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明具有自主构建地图功能，能够建立所在区域或巡检区域的二维地图，所建立的二维地图数据能够实施传输至控制终端；本发明具有自主导航功能，能够在构建的二维地图中各目标点之间自主导航，同时能够自主动态规划目标点之间的行驶路径，并自动行驶到目标位置；本发明具有自主避障功能，在行驶过程中如果发现行驶方向上出现障碍物，能够根据障碍物情况采取转向避让障碍物或者直接跨越障碍物等避障方式，并在避障之后重新自主规划新的行驶路径；本发明具有火焰探测及标定功能，当探测到火焰时，能够及时发出报警信号，同时自动在二维地图中标定火焰位置，便于消防人员确定火源位置；本发明具有自主灭火功能，当探测到火源后，能够自主形成灭火作战方案，自动前行到达灭火作战位置，自动调整消防炮的姿态进行灭火。

本发明采用整机防爆技术，并综合运用了隔爆、增安、本安、浇封、外壳保护等气体及粉尘电气防爆技术以及非电防爆技术，使整机防爆等级达到气体IIB+H2 T6 等级，设备保护级别达到Gb等级，粉尘防爆等级为A21 IP65 T80℃。本发明同时具备气体和粉尘双重防爆性能，且防爆等级高，能够在***危险区域1区、2区、21区、22区场内使用。

本发明的定位天线及通信单元均采用本安化设计，能够自动对天线增益和发射能量进行安全评定，确保射频点燃能量不超过危险值，确保不会点燃***性物质。本发明设置了两个定位天线和两根通讯天线，不同的通讯天线可以承担不同的通讯任务，能够对信号进行分散，同时增加天线的增益效果，即能降低射频点燃风险，又能提高定位和通信质量。

本发明能够代替工作人员进行日常巡检，当发现火焰时会发出声光报警信号，同时通知中控室值班人员，便于及时进行消防处理；本发明也能够代替消防救援人员进入易燃、易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场进行探测、救援、灭火，有效的解决消防人员在上述场所面临的人身安全、数据信息采集不足等问题，也能够为后方指挥人员提供有力的灾情判定依据。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1：本发明的结构示意图；

图2：本发明实施例1的连接框图；

其中：1-传感器单元，11-摄像机，12-激光雷达，13-火焰探测器，14-定位天线，15-激光避障传感器，2-运动单元，21-底盘，211-履带，212-支撑轮，213-驱动轮，3-消防单元，31-消防炮，32-供水水管，33-云台，34-喷淋装置，4-通信单元，41-通讯天线，5-处理单元。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

实施例1：

参阅图1-图2，本实施例所提供的自主消防特种防爆机器人为履带式消防机器人，包括传感器单元1、运动单元2、消防单元3、通信单元4、处理单元5和供电单元。

传感器单元1包括摄像机11、激光雷达12、火焰探测器13、温湿度传感器、气体探测器和定位天线14。

摄像机11为红外摄像机，设置在本发明的前端，能够利用可见光或红外的方式获取前方的环境图像。摄像机11为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex d IIC T6 Gb/DIP A20 TA T6。

激光雷达12设置在本发明的前部的上方，用于识别周围障碍物，辅助建立所在区域的二维地图，辅助进行自主导航。激光雷达12为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex d IIC T6 Gb/Ex tD A21 IP65 T80℃。

火焰探测器13设置在本发明上部消防炮31旁，与消防炮31固定连接并同朝向设置，且集成可见光、红外与热成像三种摄像头，能够同时获取可见光、红外与热成像三种图像，用于识别出火源。火焰探测器13为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex d IICT6 Gb/DIP A20 TA T6。

所述温湿度传感器设置在本发明的外壳上，用于获取周围环境的温度数据和湿度数据。所述温湿度传感器为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex ib IICT6 Gb/ExibD A21 T80℃。

所述气体探测器设置在本发明的外壳上，用于识别出SO₂、NO₂、NH₃、CO、CH₄、CO₂等气体。气体探测器为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex d ib IIC T4 Gb/Ex ibD21T4。

所述定位天线14设置在本发明的上部，用于通过GPS/北斗等卫星导航定位技术获取本发明的自身位置及航向，辅助建立所在区域的二维地图，辅助进行自主导航。定位天线为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex d IIC T6 Gb/Ex tD A21 IP66 T80℃。本实施例在本发明的前部和后部均设置了定位天线14。

运动单元2用于控制本发明的运动，包括底盘21和驱动电机。本发明的底盘21采用克里斯蒂悬挂式履带底盘，包括履带211、支撑轮212和驱动轮213，支撑轮212和驱动轮213均符合非电气防爆标准要求，其中的金属镁、钛的质量百分比总含量不超过7.5%；履带211采用优质橡胶内嵌凯夫拉纤维和芯金制成，符合非电气防爆标准要求，表面绝缘电阻不大于10⁹Ω。底盘21整体为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex d IIB+H2 T6 Gb+ExcIIB T6 Gb/Ex tD A21 IP67 T80℃。驱动电机设置在底盘21内部，是本发明的动力输出机构，与驱动轮213传动连接，通过控制驱动轮213的转速与转向来实现本发明的前进、后退与转向等运动功能。

消防单元3包括消防炮31、供水水管32、云台33和喷淋装置34。消防炮31设置在云台33上，能够左右转动，用于喷射水流或泡沫进行灭火。供水水管32设置在本发明的尾部，用于向消防炮31供水；供水水管32采用双口结构，能够同时支持两条水带供水，从而能够使消防炮31实现超高、超远程喷射。同时，本发明供水水管32上还设置有水带自动脱卸装置，用于自动卸下消防水带；所述水带自动脱卸装置为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex mb Il T6 Gb/Ex mbD A21 IP65 T80℃。喷淋装置34用于向本发明本体上喷洒水滴或水雾，用于实现对本发明自身的降温保护。

通信单元4用于和控制终端无线连接，用于向控制终端传输本发明自身工作数据、传感器收集到的环境数据、摄像机11所拍摄的图像数据等，同时接收控制终端所发出的控制信号；通信单元4还在本发明的后部设置了两根通讯天线41。通信单元4与控制终端之间的通信采用2.4G无线传输实现，当然也可采用4G、5G等其他本领域常规的无线传输方式。

所述控制终端为本发明的人工遥控控制装置，设置有显示屏和操作按钮，与本发明的通信单元4无线连接，能够接管本发明的自主动作，能够操控本发明的运动、云台33的动作、灭火操作等。

处理单元5用于从传感器单元1获取各种传感信息，用于实现自主构建地图、自主导航、自主避障、火焰探测及标定、自主灭火等功能。处理单元5采用MCU微控制器实现，同时设置有SDRAM内存芯片和Flash闪存芯片。当然，处理单元5也可采用性能更加强大、接口更加丰富的嵌入式工控机实现。

供电单元设置在本发明的箱体内，用于给本发明提供电能，包括电池箱和设置在电池箱内部的锂离子电池。电池箱为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex d IIB+H2T6 Gb/Ex tD A21 IP67 T80℃。供电单元采用可充电设计，同时电池箱支持快速更换。本发明还设置有齐纳安全栅，用于对供电单元输入的电能量进行限制，限流限压，保证其他用电部件可得到的能量在安全范围内；齐纳安全栅的防爆标志为[Ex ia Ga] IIB。

传感器单元1和通信单元4均与处理单元5电性连接，运动单元2的驱动电机与处理单元5电性连接，消防单元3的云台33及用于控制消防炮31灭火动作的控制单元均与处理单元5电性连接。处理单元5、传感器单元1、通信单元4、运动单元2的驱动电机、消防单元3的云台33及用于控制消防炮31灭火动作的控制单元均与供电单元电性连接。本发明内部电性连接时所采用的线缆为特软耐高温硅胶线。

本发明本体上设置的插接装置、接线箱、急停开关、按钮开关均为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex d IIC T6 Gb/Ex tD A21 IP66 T80℃。

本发明的定位天线14及通信单元4在使用时均收发射频电磁波信号，为降低射频电磁波引发***的风险，本发明的定位天线14和通信单元4均采用本安化设计，能够自动对天线增益和发射能量进行安全评定，确保射频点燃能量不超过危险值，确保不会点燃***性物质。本发明设置了两个定位天线14和两根通讯天线41，不同的通讯天线41可以承担不同的通讯任务，能够对信号进行分散，同时增加天线的增益效果，即能降低射频点燃风险，又能提高定位和通信质量。

同时，本发明所传输的视频图像均采用H.265编码。在相同的图像质量下，H.265编码相比于H.264，通过H.265编码的视频大小将减少大约39-44%；在码率减少51-74%的情况下，H.265编码视频的质量还能与H.264编码视频近似甚至更好。因此，采用H.265编码传输的图像将占用更少的带宽，在传输时通信单元4的发射功率能够更小，能够更进一步的降低射频电磁波引发***的风险。

本发明具有自主构建地图功能，处理单元5自动从激光雷达12获取周围环境的障碍物数据，同时从定位天线获取本发明的实际位置及航向，从而建立所在区域或巡检区域的二维地图，所建立的二维地图数据能够通过通信单元4实施传输至控制终端或指挥中心。

本发明具有自主导航功能，能够在构建的二维地图中各目标点之间自主导航，也能够自主动态规划目标点之间的行驶路径，并自动行驶到目标位置。

本发明具有自主避障功能，本发明底盘采用的克里斯蒂悬挂，能够跨越20cm高的障碍物和30度的斜坡。处理单元5实时从激光雷达12获取周围环境的障碍物数据，当发现行驶方向上出现障碍物时，能够根据障碍物情况自主采取转向避让障碍物或者直接跨越障碍物的前进方式，并在避障之后能够重新自主规划新的行驶路径。

本发明具有火焰探测及标定功能，火焰探测器13与消防炮31设置在一起，可以在云台33的控制下进行转动便于寻找火源。处理单元5实时从火焰探测器13获取数据，当探测到火焰时，能够及时发出报警信号，同时处理单元5根据所获取的本发明的定位及航向信息、火焰探测器13朝向等信息自动在二维地图中标定火焰位置，便于消防人员及时确定火源位置。

本发明具有自主灭火功能，当探测到火源后，能够自主形成灭火作战方案，自动前行到达灭火作战位置，自动调整消防炮的姿态进行灭火。

实施例2：

参阅图1，本实施例所提供的自主消防特种防爆机器人与实施例1相比，做了以下改进：传感器单元1还包括激光避障传感器15。

激光避障传感器15设置在本发明的前端，用于识别正前方的障碍物。激光避障传感器15为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex d IIC T6 Gb/Ex tD A21 IP67 T80℃。

激光避障传感器15能够识别出前方较小的障碍物，其与激光雷达12配合使用，能够使本发明的自主避障功能更加准确高效，避免发生碰撞事故。

实施例3：

本实施例所提供的自主消防特种防爆机器人与实施例2相比，做了以下改进：还设置有警示模块。

警示模块包括声光报警器，当本发明在巡检过程中监测到火灾时，能够立即通过声光报警器发出警示声音和警示灯光，提醒工作人员注意。

声光报警器为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex d IIC T6 Gb/Ex tDA21 IP66 T80℃。

实施例4：

本实施例所提供的自主消防特种防爆机器人与实施例3相比，做了以下改进：传感器单元1还包括拾音器，警示模块还包括音箱。

所述拾音器设置在本发明的外壳上，用于获取周围的声音信号。所述拾音器为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex d IIC T6 Gb/Ex tD A21 IP65 T80℃。

所述音箱设置在本发明的内部，用于播放或播报声音。所述音箱为气体和粉尘双防爆电气产品，防爆标志为Ex d IIC T5 Gb/Ex tD A21 IP65 T95℃。

本实施例在救援时，所设置的拾音器能够实时采集现场声音，并能通过音箱播放消防人员声音，在进行消防救援时可以通过声音通话的方式了解受困人员情况。

实施例5：

本实施例所提供的自主消防特种防爆机器人与实施例4相比，做了以下改进：通信单元4具有互联网通讯功能。

本实施例的通信单元能够通过4G或5G公网通信方式接入互联网，能够将数据实时传输至指挥中心，为救援决策者提供可靠的决策依据。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种自主消防特种防爆机器人，其特征在于：包括传感器单元、运动单元、消防单元、通信单元、处理单元和供电单元；

所述传感器单元包括摄像机、激光雷达、火焰探测器、温湿度传感器、气体探测器和定位天线；所述摄像机用于获取周围的环境图像，所述激光雷达用于识别周围障碍物，所述火焰探测器用于识别出火源，所述温湿度传感器用于获取周围环境的温湿度数据，所述气体探测器用于识别出SO₂、NO₂、NH₃等多种气体，所述定位天线用于通过GPS/北斗卫星定位获取位置信息；

所述通信单元用于和控制终端无线连接；

2.根据权利要求1所述自主消防特种防爆机器人，其特征在于：所述火焰探测器能够同时获取可见光、红外及热成像图像。

3.根据权利要求2所述自主消防特种防爆机器人，其特征在于：所述供水水管为双口结构；所述供水水管上还设置有水带自动脱卸装置，所述水带自动脱卸装置用于自动卸下消防水带，且为气体和粉尘防爆电气产品。

4.根据权利要求3所述自主消防特种防爆机器人，其特征在于：所述底盘为克里斯蒂悬挂式履带底盘，包括履带、支撑轮和驱动轮；所述支撑轮和所述驱动轮的金属镁、钛质量百分比总含量均不超过7.5%，所述履带由橡胶内嵌凯夫拉纤维和芯金制成，且表面绝缘电阻不大于10⁹Ω。

5.根据权利要求4所述自主消防特种防爆机器人，其特征在于：所述传感器单元还包括激光避障传感器，所述激光避障传感器用于识别正前方的障碍物，且为气体和粉尘防爆电气产品。

6.根据权利要求5所述自主消防特种防爆机器人，其特征在于：还包括拾音器和音箱。

7.根据权利要求6所述自主消防特种防爆机器人，其特征在于：所述通信单元还用于实现互联网通讯。

8.根据权利要求7所述自主消防特种防爆机器人，其特征在于：所述定位天线及所述通信单元均采用本安化设计，能够自动限制发射功率不超过射频点燃的危险值。