具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例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。

如图1所示，一种未知环境下的消防机器人自主灭火方法，消防机器人自主灭火建立在动态导航的基础上，并结合自主避障、火源识别与定向技术来开展，包括以下步骤：

步骤1：向消防机器人发布一个目标灭火位置；

步骤2：消防机器人自主SLAM探索，并进行火源识别与定位；

步骤3：消防机器人发现火源并定位火源后，记录消防机器人当前位置与航向，获取火源预警、火源温度、火源在图像中的面积大小与中心坐标信息，并把预警信息发送到远程遥控终端；

步骤4：消防机器人继续行走一段设定距离后，再次进行火源识别与定向，并记录再次发现火源时的消防机器人位置与航向信息，获取火源预警、火源温度、火源在图像中的面积大小与中心坐标信息，通过三角定位法计算火源中心所在点的位置坐标，并将火源中心所在点的位置坐标发送到远程遥控终端；

步骤5：利用三角定位法估算火源与消防机器人的距离，并判断火源与消防机器人的距离是否小于水炮射程；

步骤6：若是，打开水炮供水，进行灭火，若否，转至步骤1，提示遥控操作人员重新发布目标灭火位置。

基于室外激光雷达、高精度GPS定位系统与SLAM技术建立消防机器人动态导航与自主避障功能，使其能在未知环境中实现自主行走与避障。

三光复合火源探测传感器搭载可见光、红外光与红外热成像三种摄像头，在火源识别的过程中，三个摄像头同时获取图像，对可见光与红外光摄像头的图像进行识别与处理，并结合红外热成像图像的处理技术实现火源识别与判定。

如图2所示，火源识别与定位的方法，包括以下步骤：

S1：控制水炮左右转动并带动其搭载的火源探测摄像头同步转动，使得三光复合火源探测传感器能够在消防机器人正前方180°范围内进行火源探测；

S2：三光复合火源探测传感器在同步得到三个摄像头不同图像的基础上，首先对可见光摄像头得到的RGB彩色图像与红外光摄像头得到的红外光谱彩色图像进行对比，当在两种图像上发现同时满足可见光对应的火源特征模板与红外光对应的火源特征模板的匹配要求时，初步判断该区域为疑似火源区域，并进行定位此区域；

S3：针对疑似火源区域进一步根据设定的温度阈值对同时刻的红外热像图进行判断，此区域的平均温度达到或超过设定温度阈值则判定其为火源区域；

S4：停止水炮转动并给出火源警报信息；

S5：通过图像切割从红外热像图中分割出高温区域，提取出该区域的边界进行像素点计算，得到火源区域的像素点面积特征与中心位置；

S6：使水炮指向火源区域中心位置，通过水炮反馈的位置信息和机器人实时航向信息来确定火源方向。

如图3所示，火源与消防机器人的距离估算方法：

假设火源中心位置用点F(Xf,Y_f)表示，机器人首先在点A(X_a,Y_a)位置对火源识别并确定火源方向，然后在点B(X_b,Y_b)位置再次进行火源识别和定向，以此构造一个定位三角形；其中，点A和点B在全局地图中的坐标已知，角度θ为线段AB与Y轴的夹角，从而能够确定线段AB的长度l和θ的值，可表示为

首先获得GPS定位系统来得到消防机器人航向角与水炮反馈的炮管相对于消防机器人航向的转角，由此两个角度可计算出机器人分别在点A和点B位置时炮管与Y轴之间的夹角θ_a和θ_b的值，进一步可计算出△ABF中的三个内角∠A、∠B与∠F，如式(3)～(5)所示：

∠A＝θ_a+θ (3)

∠B＝π-(θ_b+θ) (4)

∠F＝θ_b-θ_a (5)

在△ABF中，利用正弦定理就能计算出AF距离l₁和BF距离l₂，从而完成火源距离的估算，l₁和l₂可表示为

l₁ sin(θ_a+θ)＝l₂sin(π-(θ_b+θ))

l₁cos(θ_a+θ)+l₂cos(π-(θ_b+θ))＝l

最后，可通过式(6)或式(7)求出火源在全局地图中的位置坐标(X_f,Y_f)，如式(8)与式(9)所示：

X_f＝X_b+l₂·sin(θ_b) (8)

Y_f＝Y_b-l₂·cos(θ_b) (9)

式(8)与式(9)中点B坐标(X_b,Y_b)由GPS定位得到，变量θ_b可计算得到，l₂由式(7)计算得到，由此可见，通过使机器人在两点对火源进行识别与定向，可通过式(8)和式(9)计算得到火源所在点F的坐标，也可进一步求出火源所在点F到点A或点B的距离。

本发明实施例消防机器人采用履带式行走机构，搭载了水炮、喷淋装置、摄像机、环境监测传感器与无线通信装置等。机器人左右两侧各有一条履带，通过由驱动轮、导向轮、张紧轮以及承重轮组构成的履带驱动模块进行驱动，通过控制两侧履带上的驱动轮转速与转向来实现机器人的前进、后退与转向等运动功能。其中，设置在机器人后部的驱动轮半径为150mm，导向轮和张紧轮设置在机器人前部且与履带一起形成约为45°的前倾角。承重轮组中的每个轮子都安装有独立弹簧悬挂，用来压紧履带并缓冲载荷波动。其主要参数及性能指标如表1所示。

表1消防机器人主要参数及性能指标

在此基础上，为了实现机器人在未知环境中的自主寻找火源与自主灭火功能，在机器人本体上增加了室外导航用激光雷达、基于RTK的GPS高精度定位系统、三光复合火源探测传感器与无线通信模块，用于实现机器人在未知环境中的自主导航、自主火源寻找与灭火。

消防机器人动态导航的软件框架如图4所示。激光雷达节点用于获取激光雷达测距数据；GPS里程计节点用于获取GPS数据并转换成自主导航需要的里程计信息；底盘控制节点用于接收运动指令，并控制驱动电机来实现机器人的运动。在动态导航的过程中，首先需要向机器人发布一个目标点位，通过激光雷达获取的距离信息和GPS获取的定位信息和里程计定位信息完成对环境地图的实时构建，而在导航节点中实现机器人在实时地图上的全局路径规划和局部路径规划，并在机器人行走过程中对路径规划进行实时更新。同时，发布速度控制指令，此速度控制指令被底盘控制节点接收，并驱动机器人底盘按照规划路线行驶完成其在未知环境中的自主导航。

选用三光复合火源探测器来对火源进行准确识别，并将其固定安装在具有二维转动功能的水炮炮管上且与水炮炮管保持同一方向。水炮炮管可实现二维转动，其在任意时刻相对与消防机器人本体的相对角度可实时检测得到。由此，可通过控制水炮炮管的转动来进行火源寻找。

在消防机器人同时具备上述两项能力的基础上，可由远程操作人员给确定合适的目标位置并发送给消防机器人。机器人在接收到目标位置后，在未知环境中进行自主导航与避障，在特定目标位置自动控制水炮炮管转动来寻找火源。在机器人识别并定位火源后，自主上调水炮炮管与地面的夹角到指定角度，并把火源的方位信息发送到远程操作人员。由远程操作人员控制水源接通与水压，开始进行灭火，同时水管按设定程序进行小幅度左右摆动，来扩大水龙的覆盖范围、预防由于风向与角度误差等导致的水龙方向偏差。

如图5所示，消防机器人控制系统采用高性能嵌入式工控机作为主控制器，通过工控机上搭载的PCIE板卡给出PWM脉冲信号给驱动电机并接收电机转动过程中产生的脉冲。工控机对水炮的运动控制是通过基于CAN总线的J1939通讯协议实现的。在感知自身状态和周围环境方面，由高精度GPS获得的机器人当前位置和航向信息、激光雷达检测到的周围环境障碍信息分别通过RS232接口与网线接口发送到工控机。气体传感器、温湿度传感器和电源管理模块的信息由单片机板读取后通过RS232接口反馈给工控机，再由工控机通过无线数传模块传送到上位机遥控箱。此外，火源探测传感器的火源识别结构通过网口发送到工控机，同时其实时视频信息及和摄像头获取的视频信息一起通过无线图传模块传送到上位机遥控箱上，把现场实时情况提供给遥控操作人员。

三光复合火源探测传感器采用TCP通信机制把火源识别与定位结果发送到工控机，其通信数据采用纯json字符串，信息输出主要包括以下两个结构体数据，如下表2所示。

表2三光复合火源探测传感器结果输出

从表2中可见，三光复合火源探测传感器在完成火源识别与定位后能输出火源预警、火源温度、火源在图像中的面积大小与中心坐标信息。

实验与分析

1.火源识别实验

在火源识别实验中，燃烧废弃木材与纸板形成火源，设置在消防机器人前方约40m位置处。等待其充分燃烧至火源大于0.3m×0.3m后，控制水炮在正前方180°范围内往复摆动的同时，使得水炮炮管上搭载的三光复合火源探测传感器对火源进行识别，读取传感器反馈信息来验证火源识别的准确率。重复实验10次的实验数据见表3。

表3火源识别实验数据

由表3数据可见，识别出的火源温度在250至350℃之间，一般木材燃烧温度在四百摄氏度以上，通常为六百摄氏度左右。考虑到热辐射会随着距离增大而减小，其实验数据式合理。

三光复合火源探测器的信息反馈频率大约为0.67Hz，此外水炮的摆动速度范围为5°/s～20°/s。实验结果表明，在火源大小满足要求的情况下，其火源识别准确率达到100％，高于所设定的90％的指标。

2.机器人避障与定位实验

为了验证消防机器人的避障性能与定位精度，在动态导航的过程中进行机器人避障与定位实验，实验方法如下：机器人在初始位置(0，0)，给定一个目标点位(x，y)，在两个位置间设置2～3个障碍物，要求机器人在自主导航中避开设置的障碍物，并自主导航至目标点。然后，测量机器人的实际到达位置，通过对比给定目标位置验证机器人的定位精度。重复实验10次，定位实验数据如表4所示。

表4定位实验数据

由表4中数据可见，机器人在动态导航中的定位误差在X方向和Y方向上在±0.4m内，此定位精度能保证消防机器人动态导航的过程中实现自主灭火的功能。

3.自主灭火实验

在自主灭火试验中，消防机器人首先进行园区环境的自主SLAM探索并进行火源识别与定向，检测到火源后导航至灭火点进行第二次的火源识别与定向，通过三角形定位法确定火源在全局地图中的位置，同时确定火源与灭火点之间的距离，调整水炮俯仰角并配合后方水泵压力大小控制灭火距离来进行灭火。重复实验5次的实验数据如表5所示。

表5自主灭火试验数据

由表5数据得知，在5次实验中，根据检测数据进行计算得到的火源定向精度在3°以内，距离估算误差最大值约为8m左右，验证了火源识别定向方法和三角形定位法估算火源距离的可行性。

结论

根据消防机器人在具有爆炸可能性的化工园区或煤炭产业单位等火灾现场、代替消防人员进行灭火救援这一需求，开发了消防机器人自主火源寻找与灭火技术。具体而言，首先在对消防机器人的结构与控制系统进行介绍的基础上，明确消防机器人在未知环境下自主寻找火源与灭火的技术要求；其次，对消防机器人工作环境进行分析，提出消防机器人自主寻找火源与灭火的技术方案；然后，基于SLAM技术实现消防机器人在未知环境中的自主行走与避障，开发适合于机器人自主寻找火源与定位火源的方法与技术；最后，通过仿真与实验对所提出的消防机器人自主寻找火源与灭火技术进行有效性验证。实验结果表明，所开发的消防机器人自主火源寻找与灭火技术能使得消防机器人在未知环境中进行自主行走与越障，其定位精度小于0.4m，火源识别率大于90％，能实现自主火源寻找与灭火，具有良好的应用前景。

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。