阅读说明：本技术 一种用于灭火机器人的远程控制系统 (Remote control system for fire-extinguishing robot ) 是由 郭建业 乔安营 张兵强 常彦凯 石巧婷 潘超亚 邵晓辉 周腾 王笑玉 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于灭火机器人的远程控制系统,包括：灭火机器人本体总控制器,用于对现场数据进行分析处理、显示现场图像和发出动作指令；探测传感器系统,用于感知现场火灾的温度、烟雾、有害气体泄漏等危险信号,所述探测传感器系统与所述灭火机器人本体总控制器连接；通讯模块,所述灭火机器人本体总控制器通过所述通讯模块与远程控制终端连接。具有通讯距离更远、控制更便捷、结构简单的优点,控制系统兼容任何厂家,任何车型,融合度高。(The present invention provides a remote control system for a fire-fighting robot, comprising: the fire-fighting robot body master controller is used for analyzing and processing field data, displaying field images and sending action instructions; the detection sensor system is used for sensing dangerous signals such as temperature, smoke, harmful gas leakage and the like of a fire on site and is connected with the main controller of the fire-fighting robot body; and the main controller of the fire-extinguishing robot body is connected with the remote control terminal through the communication module. The device has the advantages of longer communication distance, more convenient control and simple structure, and the control system is compatible with any manufacturer and any vehicle type and has high fusion degree.)

一种用于灭火机器人的远程控制系统

技术领域

本发明属于消防救援控制领域，具体涉及一种用于灭火机器人的远程控制系统。

背景技术

随着我国经济的快速发展，伴随着火灾事故多发，事故发生时如果没有有效的方法、合适的设施及装备，强行进入事故现场采取行动，不仅达不到救援的预期效果，而且还会对救援人员的生命安全构成严重威胁。在多次大型灾害事故发生后，国内对于配备消防灭火机器人的呼声也越来越高，力求给消防员多一层保障。目前消防灭火机器人控制系统主要通过无线模块通讯，存在如下的技术缺陷：(1)受控于无线传播的通讯范围，操作距离有限；(2)在火场复杂环境易受到外接环境干扰，不能有效实施控制目标。针对这些问题急需要设计新的控制系统用于灭火机器人，能够提高灭火机器人高效稳定灭火救援的能力，也就是通过对灭火机器人控制系统进行升级改造，提升灭火机器人更高效稳定灭火的能力。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提供一种用于灭火机器人的远程控制系统，包括灭火机器人本体总控制器、温度传感模块、探测照明模块、气体检测模块、视频模块、泡沫喷射开关模块、喷头旋转控制模块、喷头俯仰控制模块、行走电机控制模块、4G/5GDTU通讯模块、WEB服务器通讯模块、远程控制终端。

本发明的目的在于提供一种用于灭火机器人的远程控制系统，包括：

灭火机器人本体总控制器，用于对现场数据进行分析处理、显示现场图像和发出动作指令；

探测传感器系统，用于感知现场火灾的温度、烟雾、有害气体泄漏等危险信号，所述探测传感器系统与所述灭火机器人本体总控制器连接；

通讯模块，所述灭火机器人本体总控制器通过所述通讯模块与远程控制终端连接，其中所述通讯模块为远程数传模块，从而实现所述灭火机器人本体总控制器(1)与所述远程控制终端(4)的远程控制连接。

优选的，所述灭火机器人本体总控制器包括工控计算机、联动控制器、中心手动控制器、监视器、硬盘录像机、视频分配器、琴台柜和UPS，所述工控计算机分别与联动控制器和中心手动控制器连接，所述联动控制器和中心手动控制器连接的输出端与所述监视器连接，显示灭火机器人的远程视频和图像，所述工控计算机与所述硬盘录像机、视频分配器、琴台柜和UPS连接，进行所述灭火机器人的远程视频和图像的存储和分配。

优选的，所述探测传感器系统包括温度传感模块，用于测量现场的温度；探测照明模块，用于为现场检测提供提高辨识度的光照；气体检测模块，用于检测现场是否具有有毒有害气体；视频模块，用于采集现场的图像和视频；泡沫喷射开关模块，用于根据控制器的指令进行泡沫的喷射、稀释、冷却、降温指令；喷头旋转控制模块和喷头俯仰控制模块，用于控制喷头的方位；以及行走电机控制模块，用于执行灭火机器人在现场内部根据控制指令的移动；其中所述灭火机器人本体总控制器与温度传感模块、探测照明模块、气体检测模块、视频模块、泡沫喷射开关模块、喷头旋转控制模块、喷头俯仰控制模块以及行走电机控制模块分别相连。

优选的，所述通讯模块包括4G/5G DTU通讯模块和WEB服务器通讯模块，所述灭火机器人本体总控制器与所述4G/5G DTU通讯模块相连，并通过通信网络与所述WEB服务器通讯模块远程通讯。

优选的，所述远程控制终端通过广域网与所述WEB服务器通讯模块通讯。

优选的，所述灭火机器人本体总控制器通过自定义协议控制灭火机器人上装设的设备并采集所述探测传感系统中各个传感器的数据信息。

优选的，所述灭火机器人本体总控制器采用modbus协议通过所述4G/5G DTU通讯模块转换成MQTT协议与所述WEB服务器通讯模块的通讯。

优选的，所述远程控制终端通过MQTT协议或TCP/IP协议与所述WEB服务器通讯模块进行通讯，完成采集数据和下发控制命令，最终实现灭火机器人远程控制。

本发明的有益效果：

具有通讯距离更远、控制更便捷、结构简单的优点，控制系统兼容任何厂家，任何车型，融合度高。实现智能识别，高清探测，图像火灾探测器内具有微电脑图像处理系统，集感知、识别于一体，抗强光、电磁干扰，并通过设计增加探测器整体的防护等级和防爆能力。采用伺服控制技术驱动，具有控制精度高、加速性能好的优点，消除了传统数控灭火机器人丢步或过冲的现象，从而实现精密的位置跟踪和定位。通讯灵活、无限远控，采用多种网络传输的通讯方式，远程控制不受地域限制，节省大面积布线空间的同时提高传输的可靠性和稳定性，并能与其他报警系统、安防系统对接实现信息共享。

附图说明

附图1为根据本发明实施例的控制系统结构示意图；

附图2为根据本发明实施例的MCU电路配置图；

附图3为根据本发明实施例的球机云台部分使用的DTU通讯接口电路图；

附图4为根据本发明实施例的地盘部分使用的CAN通讯接口电路图；

附图5为根据本发明实施例的数传模块电路图及水炮通讯电路图；

附图6为根据本发明实施例的气体检测传感器电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但并不用来限制本发明的保护范围。

消防灭火机器人主要应用于石油化工、油罐区、大型仓库等易燃易爆、易坍塌以及存在有毒有害性气体泄漏的场所。在消防抢险救援人员的远程控制下，能够进入火灾和灾害现场进行灭火喷射或冷却保护，也可对灾害事故中泄漏的有毒有害物质进行洗消和稀释。通常消防没货机器人采用液压驱动、六轮移动载体，整机长宽高约为2.4*1.4*1.6m，重1.5t，行驶速度为3.6km/h，能爬上30度胁迫，配置了50L/s流量的遥控消防炮，设有自卫冷却喷雾系统，采用无限操纵方式控制灭火和行走。消防灭火机器人还具有如下辅助配置：

(1)运载母车：以运载母车为载体，消防灭火机器人可以快捷地到达火灾现场，投入灭火战斗，同时运载母车上配置相关地消防灭火装备，更有效地发挥消防灭火机器人地作用；

(2)中轮弹性悬挂地六轮移动载体，前后轮均固定于大梁上，中轮悬挂弹簧，使得中轮可以随障碍物高度地变化随机变动，越野性能好，能在泥泞、坑洼等路面上行驶；

(3)自卫冷却喷雾系统：消防灭火机器人在火场中近距离作战，将受到高温、强辐射热地考验，通过自卫冷却喷雾系统，消防灭火机器人有效地进行自身保护，延长灭火作战时间，提高灭火效果。

如图1所示，用于灭火机器人的远程控制系统，包括：

灭火机器人本体总控制器1，用于对现场数据进行分析处理、显示现场图像和发出动作指令；

探测传感器系统，用于感知现场火灾的温度、烟雾、有害气体泄漏等危险信号，探测传感器系统与灭火机器人本体总控制器1连接；

通讯模块，灭火机器人本体总控制器1通过通讯模块与远程控制终端4连接，通讯模块为远程数传模块，从而实现灭火机器人本体总控制器1与远程控制终端4的远程控制连接。

其中，灭火机器人本体总控制器1包括工控计算机、联动控制器、中心手动控制器、监视器、硬盘录像机、视频分配器、琴台柜和UPS，工控计算机分别与联动控制器和中心手动控制器连接，联动控制器和中心手动控制器连接的输出端与监视器连接，显示灭火机器人的远程视频和图像，工控计算机与所述硬盘录像机、视频分配器、琴台柜和UPS连接，进行灭火机器人的远程视频和图像的存储和分配。

探测传感器系统包括温度传感模块5，用于测量现场的温度；探测照明模块6，用于为现场检测提供提高辨识度的光照；气体检测模块7，用于检测现场是否具有有毒有害气体；视频模块8，用于采集现场的图像和视频；泡沫喷射开关模块9，用于根据控制器的指令进行泡沫的喷射、稀释、冷却、降温指令；喷头旋转控制模块10和喷头俯仰控制模块11，用于控制喷头的方位；以及行走电机控制模块12，用于执行灭火机器人在现场内部根据控制指令的移动；其中灭火机器人本体总控制器1与温度传感模块5、探测照明模块6、气体检测模块7、视频模块8、泡沫喷射开关模块9、喷头旋转控制模块10、喷头俯仰控制模块11以及行走电机控制模块12分别相连。

通讯模块包括4G/5G DTU通讯模块2和WEB服务器通讯模块3，灭火机器人本体总控制器1与4G/5G DTU通讯模块2相连，并通过通信网络与WEB服务器通讯模块3远程通讯。

远程控制终端4通过广域网与WEB服务器通讯模块3通讯。灭火机器人本体总控制器1通过自定义协议控制灭火机器人上装设的设备并采集探测传感系统中各个传感器的数据信息。灭火机器人本体总控制器1采用modbus协议通过4G/5G DTU通讯模块2转换成MQTT协议与WEB服务器通讯模块3的通讯。远程控制终端4通过MQTT协议或TCP/IP协议与WEB服务器通讯模块3进行通讯，完成采集数据和下发控制命令，最终实现灭火机器人远程控制。实现远程对灭火机器人的点对点辅助控制，实现一键定位，所见即所灭的可视化消防理念。

参见图2，采用8位CPU指令系统，片内128B RAM，片内4KB ROM/EPROM，具有特殊功能寄存器区SFR，2个优先级的5个中断源结构，4个8位并行口：P0,P1,P2,P3，2个16位定时器/计数器T/C，1个全双工串行口UART，布尔处理机-一位处理机指令系统，64KB外部RAM地址空间，64KB外部ROM地址空间，16条地址线，片内时钟电路及振荡器，指令系统。管角的功能如下：

(1)电源与时钟：

Vcc：接+5V电源；

Vss：接地端

XTAL1:片内振荡电路输入端；

XTAL2：片内振荡电路输出端；

时钟电路包括内时钟方式和外时钟方式，其中内时钟方式是在XTAL1和XTAL2上外接定时元件，使其形成自激振荡器。

定时元件采用由石英晶体和电容组成并联谐振电路，晶体和电容尽可能靠近单片机芯片。

外时钟方式采用XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。

I/O口的P0口为三态双向复用口，P0口作通用I/O口使用输入，P1作为准双向口或者作通用I/O口输出，P2口作通用I/O口使用、地址总线高8位使用或者驱动4个TTL门；P3口为双功能口，作为第一功能口使用时，输出控制线为高电平，与非门的输出取决于锁存器Q端的状态，P3口的I/O操作与P1口相同，P3作为第二功能口使用时，相应的口线锁存器必须为1，与非门的输出取决于第二功能输出线，第二功能输入时，信号取自第一个缓冲器的输出端，第二个缓冲器的输出仍是第一功能的读引脚信号缓冲器，P3的驱动能力为可驱动4个TTL门。

其他端口：MCU PB0接入向下的俯角限位信号，MCU PB1接入向上的仰角限位信号，MCU PC4接入向左限位信号，MCU PC5接入向右限位信号，MCU PA6接入编码器A信号，MCUPA7接入编码器B的信号，MCU PA0接入PWM1信号，MCU PA1接入PWM2信号，MCU PC0接入ADC0信号，MCU PC1接入ADC1信号，MCU PB14接入球机下降信号，MCU PB15接入球机上升信号，MCU PC6接入水炮俯角信号，MCU PC7接入直流信号，MCU PC8接入水炮仰角信号，MCU PC9接入开花信号，MCU PA8接入TIM1_CH信号，MCU PB4和MCU PB3分别作为第一备用接口和第二备用接口，MCU PB5接入刹车信号，MCU PB6和MCU PB7分别接入前灯信号和后灯信号，MCUPB8接入水幕信号，MCU PB9接入报警信号。

参见图3，DTU是一种物联网无线数传终端，利用公用2G/3G/4G网络为用户提供无线长距离数据传输功能。该产品采用高性能的工业级32位通信处理器和工业级无线模块，以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台，同时提供RS232或RS485接口，可直接连接串口设备，实现数据透明传输功能。本系统中DTU通讯电路包括数个电阻、电容电路、SP3485、Q3S8050组成并相互之间的配合，电阻和电容电路的布置方式以及阻值和电容参数均标示在附图中，此外，R3的一段分别连接MCU RX5，R9一端连接MCU TX5作为控制端，为了保证通信电路的正常工作，电压、电阻和电容的参数以及型号选择需要考虑兼容配合以及降噪作为标准。

参见图4，CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，以其高性能和高可靠性在自动控制领域得到了广泛的应用。为提高系统的驱动能力，增大通信距离，本实施例中多采用Philips公司的82C250作为CAN控制器与物理总线间的接口，即CAN收发器，以增强对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。为进一步增强抗干扰能力，往往在CAN控制器与收发器之间设置光电隔离电路。光电隔离电路虽然能增强系统的抗干扰能力，但也会增加CAN总线有效回路信号的传输延迟时间，导致通信速率或距离减少。82C250等型号的CAN收发器本身具备瞬间抗干扰、降低射频干扰(RFI)以及实现热防护的能力，其具有的电流限制电路还提供了对总线的进一步保护功能。因此，如果现场传输距离近、电磁干扰小，可以不采用光电隔离，以使系统达到最大的通信速率或距离，并且可以简化接口电路。如果现场环境需要光电隔离，应选用高速光电隔离器件，以减少CAN总线有效回路信号的传输延迟时间，本实施例中高速光电耦合器6N137，传输延迟时间短，典型值仅为48ns，已接近TTL电路传输延迟时间的水平。图1中的CAN收发器82C250的发送数据输入端TXD与光电耦合器6N137的输出端OUT相连，注意TXD必须同时接上拉电阻R3。一方面，R3保证6N137中的光敏三极管导通时输出低电平，截止时输出高电平；另一方面，这也是CAN总线的要求。具体而言，82C250的TXD端的状态决定着高、低电平CAN电压输入/输出端CANH、CANL的状态。CAN总线规定，总线在空闲期间应呈隐性，即CAN网络中节点的缺省状态是隐性，这要求82C25O的TXD端的缺省状态为逻辑1(高电平)。为此，必须通过R3确保在不发送数据或出现异常情况时，TXD端的状态为逻辑1(高电平)。CAN总线的末端必须连接2个120Ω的电阻，它们对总线阻抗匹配有着重要的作用，不可省略。否则，将大大降低总线数据通信时的可靠性和抗干扰性，甚至有可能导致无法通信。为提高接口电路的抗干扰能力，同时电路终采用：(1)在82C25O的CANH、CANL端与地之间并联2个30pF的小电容，以滤除总线上的高频干扰，防止电磁辐射。(2)在82C250的CANH、CANL端与CAN总线之间各串联1个5Ω的电阻，以限制电流，保护82C250免受过流冲击。(3)在82C25O、6N137等集成电路的电源端与地之间加入1个100nF的去耦合电容，以降低干扰。

参见图5，无线数传模块采用SP3232系列，采用单片式多信道、高性能调频无线数传专用芯片，具有多信道、高灵敏度和超强的抗干扰能力，用于本系统点对点、一点对多点、多点对一点或多点对多点组网通信模式的无线数据传送、监控系统的远距离云台及遥控。各个端口符号以及功能描述如下：

(1)Vcc：12V电源正极、需直流稳压供电；

(2)GND:电源地，接电源负极；

(3)SGND：信号地，采用RS-485接口时可不接；

(4)TXD：TTL电平信号的发送，接上位机的RXD端；

(5)RXD：TTL电平信号的接收端，接上位机的TXD端；

(6)A/D+：RS-485信号的A(或D+)端；

(7)B/D-：RS-485信号的B(或D-)端。

模块的7口连接SP_TXD2，8口连接SP_RXD2，14口连接SP_TXD1,13口连接SP_RXD1,12口连接MCU_RX2，11口连接MCU_TX2，10口连接MCU_TX3，9口连接MCU_RX3。

P900芯片的端口2-4分别接地、SP_TXD2以及SP_RXD2。

采用SJ-SD430系列数传模块组成的一点对一点(一对一的遥控或数据通信)的无线通信，需要将工作频率设置成同一个并进行连接。

本实施例系统采用大空间智能水炮系统，采用微处理器控制，运用红外、紫外、等离子传感复合探测技术，能够在第一事件准确的探测到初期火情的存在，并能及时将火情扑灭在萌芽状态，大空间智能水炮系统可自动重复启闭，反应迅速，灭火效率高，控制器一旦探测到火灾，立即输出控制信号进行报警、启动水泵、打开阀门，喷头便会在水力的直接驱动下进行360度全方位旋转射水灭火，火灾扑灭后，装置自动停止射水回到监控状态，如有复燃，重复灭火。消防遥控水炮通过数传模块实现远程操作，通过与消防报警主机之间的联动，在消防监控室内就可以实现可视操作，具有水流集中、射程远、转动灵活、功能齐全、操作简单的特点，并配置现场控制箱和无线遥控器，控制箱提供电源同时实现进行手动操作，无线遥控器实现远距离无线操作。消防水炮由前端探测、火焰定位、信息处理、终端显示、记录报警、联动扑救几个部分组成。前端探测采用双波段感火焰探测技术，同时获取现场火灾信息和图像信息的功能，根据火灾在燃烧过程中的光谱、色度、纹理、运动及频谱特性，通过控制中心对其传送来的信号进行智能化火焰判断，准确识别火灾并报警。火焰定位包括火焰探测器在巡检过程中一旦发现火情，立即发出报警信息，计算机在接收到报警信号并经过系统确认后，由功率驱动模块控制消防水炮的水平电机和俯仰电机作旋转运动，消防水炮喷头带动火焰***进行水平方向和俯仰方向的火焰搜索。信息处理部分的信息处理主机是水炮的核心部分以及集中控制部分，对双波段摄像机采集的视频信号进行巡检，同时控制几百路视频图像信号，主机利用火灾安全监控程序处理火灾报警信号，进行再确认，并对经过确认的火灾信号进行记录、显示及自动控制联动设备。水炮系统由火灾探测器、火焰***(位于水炮炮口上)、消防水炮、解码器、电磁阀、手动控制盘、信息处理主机、控制程序及管道系统组成，所示电路图部分与此对应，其中解码器由功率驱动模块、微处理模块、远程通讯模块和数据采集模块组成。采用74HC04芯片的2和12口需要绝缘断开，1，13和14口接入3.3V电源，3，4，10，11分别通过电阻电路连接电源和SP_TXD1,MCU_TX2以及75SPTXD2，6，8口分别连接MCU RX3和MCU_RX2，端口5和10分别通过电阻和三极管接地以及通过电阻接入SP_RXD1和SP_RXD2。

参见图6，气体传感器采用阵列模式，相当于初级嗅觉神经元，由具有广谱响应特性、交叉灵敏度较大、对不同气味/气体有不同灵敏度的气敏元件组成。交叉灵敏度较大的气敏元件将气体中的特定成分检测出来，并转化为电信号。电路包括：

(1)数据采集和数据处理系统：由气体传感器阵列输出的微弱电信号，经各自信号放大电路对信号进行预处理，使其转换为0-5V范围内变化的直流信号，送到A/D转换电路变换为数字信号，进行数据采集处理，采用ADC0809芯片对采集的气体信息进行模数转换，分辨率为8位，不必进行零点和满度调整，具有高阻抗斩波稳定比较器，8个通道的多路开关可直接存取8个单端模拟信号中的一个，利用单片机写启动A/D转换器，转换结束后再由ADC0809向CPU发出中断请求信号，CPU响应中断请求，通过对译码器的读操作，读取转换结果并送到被测量的相应存储区，再重新选择被测量，并再次启动A/D转换后中断返回。系统采用分频器对脉冲信号进行2的n次方分之一的分频。通常利用T触发器实现，每来一个脉冲后触发器状态改变一次，经过n个T触发器处理后就可以得到2的n次方分之一的分频信号。经ALE端后输出到分频器为2MHz，分频器进行分频后为ADC0809提供所需的工作时钟。

本实施例的控制系统具有通讯距离更远、控制更便捷、结构简单的优点，控制系统兼容任何厂家，任何车型，融合度高。实现智能识别，高清探测，图像火灾探测器内具有微电脑图像处理系统，集感知、识别于一体，抗强光、电磁干扰，并通过设计增加探测器整体的防护等级和防爆能力。采用伺服控制技术驱动，具有控制精度高、加速性能好的优点，消除了传统数控灭火机器人丢步或过冲的现象，从而实现精密的位置跟踪和定位。通讯灵活、无限远控，采用多种网络传输的通讯方式，远程控制不受地域限制，节省大面积布线空间的同时提高传输的可靠性和稳定性，并能与其他报警系统、安防系统对接实现信息共享。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时本领域的一般技术人员，根据本发明的实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。