一种自主探测定位及精准灭火机器人系统及使用方法

1.本发明涉及火灾防护领域，尤其是一种自主探测定位及精准灭火机器人系统及使用方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.随着社会经济快速发展，大型仓储如烟厂仓库、粮食仓库、物流仓库、化工仓库等无人值守标准仓库大量出现。该类仓库内部可燃物多，跨度大，空气供给充足，一旦发生火灾，燃烧蔓延迅速；特别是化工、易燃易爆危险品仓库，火灾容易引起爆炸且产生大量有毒有害气体，严重威胁生命安全和造成经济损失。
4.大型仓储内部火灾探测系统以感烟探测器和感温探测器为主。发明人发现，由于仓库净空高度高、占地面积大、货物多且类型复杂等特点，感烟探测器安装位置高烟雾探测速度慢、感温探测器缠绕覆盖面积小使得火灾响应滞后，因此大型仓储早期火灾探测比较困难；此外，灭火系统采用的固定喷淋灭火方式也因为大尺寸货架货物遮挡存在无法精准覆盖着火区域、灭火效率低等问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种自主探测定位及精准灭火机器人系统，能够实现对大型标准仓库内部早期火灾的自主探测定位，机器人本体及时准确地行进到着火区域，驱动探测灭火装置对准火焰中心完成精准灭火。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.一种自主探测定位及精准灭火机器人系统，包括：
8.机器人本体，机器人本体包括底盘、探测灭火装置和火焰探测器，底盘设置行走机构，探测灭火装置可转动安装于底盘，火焰探测器安装于探测灭火装置用于对火焰进行光学信号强度检测；
9.火情定位子系统，安装于机器人本体工作场所，用于判断火情是否产生并定位火情位置；
10.自动导航子系统，用于引导机器人本体向火情发生位置移动；
11.系统主机，系统主机与火情定位子系统、自动导航子系统和机器人本体的控制器分别单独连接。
12.上述的灭火机器人系统，系统主机根据火情定位子系统发生的信息，判断是否有火情产生，并对火情位置进行定位，系统主机得出机器人本体当前位置与火情位置之间的最佳路径，机器人本体在自动导航子系统的带动下运动至火情位置,由探测灭火装置进行灭火。
13.如上所述的一种自主探测定位及精准灭火机器人系统，所述火情定位子系统在所
述机器人本体工作场所设置多组，火情定位子系统高于机器人本体设置，使得火情定位子系统从高处俯瞰机器人本体工作场所，以便快速准确发现火情，并上报至系统主机。
14.如上所述的一种自主探测定位及精准灭火机器人系统，所述火情定位子系统均包括用于向所述系统主机提供现场图片的摄像机和用于监控区域温度分布红外热像仪，红外热像仪用于监测现场温度，摄像机用于将现场图像信息发送至系统主机，摄像机可为双目识别摄像机。
15.如上所述的一种自主探测定位及精准灭火机器人系统，所述火情定位子系统固定以使得双目识别摄像机和红外热像仪的视角向下设置；
16.或者，火情定位子系统可转动设置，以保证火情定位子系统的工作范围。
17.如上所述的一种自主探测定位及精准灭火机器人系统，所述自动导航子系统包括安装于所述底盘的磁导航传感器和铺设于机器人本体工作场所的引导装置，磁导航传感器通过引导装置来引导机器人本体的行走。
18.如上所述的一种自主探测定位及精准灭火机器人系统，所述磁导航传感器与所述机器人本体的控制器连接，控制器与所述的行走机构连接，当系统主机确认火情位置后发生最佳路径至控制器，由控制器控制行走机构行走，并由磁导航传感器在引导装置的引导下到达火情位置。
19.如上所述的一种自主探测定位及精准灭火机器人系统，所述系统主机包括工控机和现场采集器，工控机与现场采集器连接，工控机设于消防监控室内，现场采集器安装于所述机器人本体工作场所；
20.现场采集器与机器人本体的控制器、自动导航子系统和火情定位子系统分别连接。
21.如上所述的一种自主探测定位及精准灭火机器人系统，所述探测灭火装置包括灭火炮，灭火炮通过转动机构安装于所述底盘，灭火炮端部设置喷枪，灭火炮通过水泵与水箱连接，水泵与机器人本体的控制器连接；
22.或者，所述探测灭火装置包括泡沫灭火器，泡沫灭火器的开关与机器人本体的控制器连接。
23.如上所述的一种自主探测定位及精准灭火机器人系统，在所述探测灭火装置的上方安装有用于识别火焰中心的定位摄像机，所述火焰探测器安装于探测灭火装置的下方，在定位摄像机和火焰探测器的配合下，转动机构可带动灭火炮在水平方向和竖直方向转动，以利于探测灭火装置对准火焰中心进行喷射，且可转动的灭火炮，有效保证探测灭火装置的喷射范围，提高灭火效率。
24.第二方面，一种自主探测定位及精准灭火机器人系统的使用方法，包括如下内容：
25.当机器人本体工作场所设定位置有火焰产生时，火情定位子系统捕捉到温度异常情况；
26.当温度超过设定阈值时，系统主机控制火情定位子系统发送现场图片信息并确定是否有火情发生，并定位火情的位置；
27.系统主机计算出最佳路径，并将最佳路径发送给机器人本体控制器；
28.在机器人本体控制器的驱动下，机器人本体通过自动导航子系统运动至火情位置处；
29.通过探测灭火装置转动带动火焰探测器进行扫描，并确定火焰中心位置；
30.启动探测灭火装置对准火焰中心进行灭火。
31.上述本发明的有益效果如下：
32.1)本发明系统主机根据火情定位子系统采集的信息，判断是否有火情产生，并对火情位置进行定位，系统主机得出机器人本体当前位置与火情位置之间的最佳路径，机器人本体在自动导航子系统的带动下运动至火情位置,由探测灭火装置进行灭火。
33.2)本发明采用的红外热像技术和摄像技术，将对机器人本体工作场所分区覆盖探测，对温度和图像信息采集检测速度快，能够第一时间发现火情，并通过系统主机精确计算火情位置，提高了火情检测与灭火的准确性和可靠性。
34.3)本发明将探测灭火装置安装于机器人本体上，发现火情后机器人能够自动行进到着火区域，通过转动机构自动对准火焰中心进行细水雾覆盖喷射灭火；使得灭火机器人系统具有定点精准灭火的能力，其灭火效率比现有固定式喷淋效率高很多，非常适合用于无人值守仓库起到全天候监测火情安全。
35.4)本发明通过将自动探测、自动导航、自动定位与自动灭火一体化设计，形成新一代智能探测灭火机器人系统，具有良好的系统兼容性和响应速度，与现有多种品牌和类型的探测灭火设备相比，提高了工作效率；能够为机器人本体工作场所如大型无人值守仓库等重点区域的消防安全提供全天候有利保障，能够满足大型仓储等无人值守区域的全天候火情监控与灭火需求，具有较好的实用价值，对保护社会生命财产安全具有重要意义。
附图说明
36.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
37.图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种自主探测定位及精准灭火机器人系统中机器人本体设置示意图。
38.图2是本发明根据一个或多个实施方式的一种自主探测定位及精准灭火机器人系统的示意图。
39.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
40.其中：1、工控机；2、现场采集器；3、第三无线通讯模块；4、第一无线通讯模块；5、第二无线通讯模块；6、双目视觉摄像机；7、火源定位子系统；8、机器人本体；9、自动导航子系统；10、引导装置；11红外热像仪；12、底盘；13、控制箱；14、直流电机；15、锂电池；16、行走机构；17、水箱；18、高压泵；19、探测灭火装置；20、磁导航传感器；21、系统主机；22、炮管；23、高压细水雾喷枪；24、火焰探测器；25、定位摄像机；26、电机驱动器。
具体实施方式
41.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
42.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
43.为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
44.术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
45.正如背景技术所介绍的，目前的火灾探测装置存在火灾响应滞后的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种自主探测定位及精准灭火机器人系统。
46.实施例一
47.本发明的一种典型的实施方式中，参考图1和图2所示，一种自主探测定位及精准灭火机器人系统，包括：机器人本体8，机器人本体8包括底盘12、探测灭火装置19和火焰探测器24，底盘12设置行走机构16，探测灭火装置可转动安装于底盘，火焰探测器安装于探测灭火装置；火情定位子系统，安装于机器人本体工作场所，用于判断火情是否产生并定位火情位置；自动导航子系统9，用于引导机器人本体向火情发生位置移动；系统主机，系统主机与火情定位子系统、自动导航子系统和机器人本体的控制器分别单独连接。
48.具体地，底盘12采用钢板一体化密封焊接制成，使机器人本体8能够耐受小规模爆炸或撞击。底盘12设有控制箱13，控制箱内设置机器人本体控制器，控制器可为plc可编程控制器，此外，底盘还设置直流电机14和锂电池15。
49.在一些示例中，控制箱13箱体密封防水，其内设有控制板和无线通信模块，连接并控制机器人本体上所有带电模块。
50.其中，直流电机14与行走机构连接，用于控制机器人本体行走和转向，锂电池14提供48v直流电源，锂电池与控制器、水泵、转动机构和直流电机分别连接。另外，控制箱内设有降压模块将48v降至24v为机器人系统中各用电单元提供电压。
51.行走机构用于带动机器人本体移动，在一些具体示例中，行走机构安置在底盘两侧，且采用直流电机通过电机驱动器26驱动四轮行走机构。
52.在本实施例中，探测灭火装置19包括灭火炮，灭火炮通过转动机构安装于底盘12，灭火炮前端设置高压细水雾喷枪23，高压细水雾喷枪固定在不锈钢炮管内部中心轴。灭火炮通过水泵与水箱连接，水泵与机器人本体的控制器连接；
53.需要注意的是，水泵为高压泵18。
54.具体地，灭火炮的炮管22是外径60mm、内径50mm的不锈钢管，通过转动机构固定于底盘上方，转动机构为水平竖直两自由度的云台，云台朝向底盘的前端设置(以机器人本体的前进方向为前)。定位摄像机25和火焰探测器24分别安装在炮管上下方，视角窗口方向都与喷枪轴向相同，正对炮管正前方。火焰探测器设有双红外热释电探头，与定位摄像机通过红外信号强弱和图像处理找准火焰中心位置。
55.具体地，在一些具体示例中，转动机构包括固定于底盘的第一旋转电机，第一旋转电机在水平平面内实现转动，第一旋转电机的输出轴设置工作台，工作台设置第二旋转电机，第二旋转电机在竖直平面内实现转动，通过第二旋转电机的输出轴与灭火炮远离高压细水雾喷枪的端部连接。
56.此外，在其他一些示例中，转动机构还可为其他能够实现水平和竖直方向转动的转动机构。
57.当然，转动机构也可替换为四维云台，实现水平方向和竖直方向的直线移动，带动灭火炮在水平方向和竖直方向的移动，也是可行的。
58.水箱17安装于底盘尾部，可自主携带水源，不依赖外界供水。高压泵安装于底盘右侧，一端通过水带与底盘尾部的水箱连接，另一端通过铜管与灭火炮连接，通过高压细水雾喷枪将水箱内的水转化为高压细水雾喷射到火焰中心；通过独立水箱的设置，随着机器人本体移动到着火区域，避免了现场接水源和灭火剂缺失导致的灭火失败，降低了使用风险。
59.另外，需要说明的是，底盘上表面设置的水箱、水泵、控制箱和水平竖直两自由度的云台固定的具体位置可参考图1的布局方式，如直流电机位于锂电池和水箱之间，方便锂电池为各部件供电，且灭火炮位于锂电池的前侧，水箱位于底盘的后侧，有利于保证机器人本体的平衡性，当然，底盘设置各结构的位置还可以是其他的布置方式。
60.进一步地，系统主机20设有工控机1和现场采集器2，工控机1放置在消防监控室内，通过有线连接现场采集器2完成双向通信，并为现场采集器2供电。
61.现场采集器2内部设有pcb板，由微处理器电路、信号处理电路、电源电路、通信电路等组成。现场采集器2安装在被保护空间的最高处，通过有线与工控机1连接并实现数据双向传输，通过第一无线模块4与机器人本体8的控制器实现数据双向传输，通过第二无线模块5与自动导航子系统9实现数据双向传输，通过第三无线模块3与火情定位子系统7实现数据双向传输。现场采集器2能够通过无线采集现场各子系统数据，实时上传到工控机1进行计算处理，同时接收到工控机1的信息反馈并通过无线发送给其他子系统完成动作。
62.其中，容易理解的是，第一无线模块4、第二无线模块5是两对无线数传模块，可以传输数据信息，分别安装在现场采集器2与机器人本体8上、和现场采集器2与自动导航子系统9上。
63.第三无线模块3是一对图传模块，可以传输图像信息和数据信息，分别安装在现场采集器2与火情定位子系统7上。
64.具体地，火情定位子系统7包括双目识别摄像机6和红外热像仪11，红外热像仪监控所在区域的温度分布，双目视觉摄像机拍摄现场图片并传送给系统主机，系统主机根据图像处理将监控区域的坐标空间化；双目识别摄像机6和红外热像仪组成一对监控装置，监控装置分多对吊装在分割区域的仓库顶棚中心位置，视角向下，通过第三无线模块3连接系统主机的现场采集器2，并将火源信息通过现场采集器2上传至系统工控机1。
65.自动导航子系统9设有引导装置10和磁导航传感器20，磁导航传感器20安装在底盘15的正下方或前端，磁导航传感器通过引导装置来引导机器人本体的行走；具体地，在一些示例中，引导装置10包括运行路径导航线、地标导航线和弯道导航线，是在机器人本体工作场所如大型仓库地面上平铺的磁条导航线。
66.容易理解的是，磁导航传感器20测量路径上的磁场信号并发送给机器人本体控制
器，来获取机器人本体自身相对于目标之间的位置偏差，结合空间坐标，实现机器人本体行走的精确导航。
67.当然可以理解的是，自动导航子系统还可以是其他的现有导航系统。
68.需要说明的是，磁导航传感器、磁条导航线、高压细水雾喷枪、双目识别摄像机和红外热像仪均为现有技术。
69.在一些具体示例中，以空间均分为四部分的标准无人值守仓库作为应用对象，详细阐述具体实施方式。
70.将标准仓库均分为4个区域，分别设为区域1、区域2、区域3、区域4。
71.针对每个区域顶棚中心位置，分别吊装4对火源定位装置即双目识别摄像机6和红外热像仪11，监控视角向下；工控机1设置在消防控制室内，现场采集器2设置在机器人本体工作场所的最高处，通过布线连接到工控机1上。
72.在机器人本体工作场所布置好引导装置10的磁条导航线，将磁导航传感器19安装在机器人本体8的底盘15正下方中间位置，磁导航传感器探测视角正对地上的磁条导航线。在机器人本体工作场所设有机器人本体8的待机区域，机器人本体8沿着预设的磁条导航线行走。
73.当机器人本体工作场所的x位置有火焰产生时，位于区域1顶棚中心的红外热像仪捕捉到温度异常，当超过设定的阈值时，通过第三无线模块3发送到系统主机20；
74.系统主机20通过第三无线模块3控制双目识别摄像机6提取图片信息，并通过火灾识别算法确定有火情产生，并利用双目图像处理技术准确定位到x位置在区域1的空间坐标；
75.系统主机20计算出最佳路径，通过第二无线模块5启动导航子系统9，通过第一无线模块4启动机器人本体8上的电机驱动器26和直流电机14，驱动行走机构16沿着最佳路径第一时间行进到x位置附近。
76.机器人本体8到达着火点x位置时，由控制箱13内的控制器启动探测探测灭火装置19进行火焰中心定位扫描；首先使灭火炮水平旋转，启动火焰探测器24进行火焰光学信号强度检测，确定着火点的水平位置；其次灭火炮水平角度固定，并进行垂直扫描，根据火焰探测器24的信号强度确定垂直位置；再次通过定位摄像机25对火焰中心进行图像识别，同时微调整灭火炮正对准火焰中心；最后启动水泵和高压细水雾喷枪22，将水箱17内的水以高压细水雾的形式喷向着火位置，同时控制四维云台移动，使得灭火炮以左右水平方向5度角往复式摆动，形成扇形雾状细水雾完整覆盖着火区域，完成精准灭火。
77.由火情定位子系统7和机器人本体8上的探测探测灭火装置19，判断灭火完成情况，并上传到系统主机21。
78.需要说明的是，本发明提供的机器人系统主要工作场所为标准大型仓储如烟草仓库、粮食仓库、化工仓库等无人值守区域，当然也可以应用到其他的工作场所。
79.实施例二
80.本实施例与实施例一的区别是：
81.探测灭火装置包括泡沫灭火器，泡沫灭火器的开关与机器人本体的控制器连接。
82.实施例三
83.本实施例与实施例一的区别是：
84.双目视觉摄像机还可替换为其他类型的摄像机。
85.实施例四
86.本实施例与实施例一的区别是：
87.双目识别摄像机和红外热像仪可分别安装于转动机构，转动机构如转动电机，可带动双目识别摄像机和红外热像仪各自实现设定角度范围内旋转，进一步拓宽了二者的工作范围。
88.本领域技术人员应该明白，上述本发明工控机为计算机终端，可选地，执行的各步骤可以用计算机终端可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算机终端来执行。
89.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。