复杂环境下全自主消防机器人作业系统及工作方法
技术领域
本发明属于消防机器人技术领域，具体涉及一种复杂环境下全自主消防机器人作业系统及工作方法。
背景技术
消防机器人作为特种机器人的一种，在侦察、灭火和抢险救援中愈加发挥举足轻重的作用。现场指挥人员可以利用其进行先期压制，并根据其反馈结果，及时对灾情做出科学判断，从而对灾害事故现场工作做出正确、合理地决策。
目前国内外投入使用的消防机器人一般由带动力的全地形底盘作为行驶与载重基体，在其之上装载灭火设备、洗消设备、排烟设备、照明设备、侦查设备等进行各种特种救援作业，以及装载数据采集、处理、反馈设备进行现场数据反馈，所有设备的控制及传输均通过无线传输进行，消防机器人的应用显著提高了处理恶性事故的能力并大大减少了人员的伤亡。
现有消防机器人多处于半自动化状态，需要依赖人工远程遥控。多台机器人进入灾害现场侦察灭火和救援时需要不同工作人员分别控制作业。
例如申请号为CN201821656812.1的专利公开了适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人，包括机器人本体和远程控制终端，使用机器人本体和远程控制终端实现无线通信，最终实现消防官兵在远距离外进行消防侦查和灭火工作。
申请号为CN201721504560.6的专利公开了一种消防排烟灭火机器人控制系统，机器人本体采用柴油内燃机作为动力源，机器人本体控制箱通过无线方式接收远程控制箱发出的控制命令来控制机器人的各种动作，接收各种传感器信号传送至远程控制箱显示，实时监控设备运行状态。
对于协同侦察灭火的机器人方法，目前主要为室外GPS定位法或室内通过信标基站定位方法，典型的方案有申请号为201721688135.7的发明专利公布的“基于无人机和智能消防机器人的精确灭火系统”。旋翼无人机利用GPS、激光测距传感器、航姿传感器、机载云台和图像处理技术对火点和射流落点依次进行精确定位，智能消防机器人根据定位信息不断调整消防水炮的航向角和俯仰角，从而使射流落点精确覆盖火点区域，形成闭环精确灭火。相类似的案例还有申请号为201910485359.5的复杂环境下消防机器人协同定位与自主作业方法，申请号为201910485349.1的一种无人机与消防机器人协同侦察灭火作业方法等。
一方面，火灾现场的环境和地形都比较复杂，需越过或躲避较多地面甚至空中的障碍物，目前现在有的机器人多采用半自动化的无线遥控方式，需要人工通过控制台在距离百米外，配合前端摄像机或避障传感器对机器人车体前方障碍物进行观测并操纵机器人，当前方出现浓雾时，该方法极易因机器人碰撞至前端障碍物造成机器人损伤。由于需要近距离人工遥控，当机器人面临爆炸性或有毒气体环境时会威胁到操作人员，采用半自动化人工遥控的灭火机器人方案并不适用。
另一方面，当现场需求多台消防机器人同时作业时，需工作人员分别遥控机器人各自独立作业，机器人与机器人之间、机器人与现场环境之间易产生耦合干扰，即对于某台机器人来讲，另外的机器人和周围障碍物均为干扰该台机器人正常作业的因素。
而采用GPS定位的方法仅适用于室外开阔环境，室内环境并不适用。采用无人机辅助定位的方法同样存在对现场环境要求高的问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种复杂环境下全自主消防机器人作业系统，采用防爆激光雷达和避障传感器组合，实现对现场的环境建模、运动避障和路径规划，配合传感器实现对火源的自动追踪，利用消防水炮完成全自主智能侦察和灭火。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
复杂环境下全自主消防机器人作业系统，至少包括一台消防机器人，所述消防机器人包括：用于带动消防机器人行走的移动平台，安装于移动平台上的作业模块、传感模块、控制模块、通讯模块、能源模块；所述移动平台、作业模块、传感模块、通讯模块、能源模块均与控制模块连接；
具体地，所述移动平台包括车体，设置于车体内部的动力驱动机构，设置于车体两侧且与动力驱动机构连接的行走机构；所述作业模块包括设置于车体上方的消防水炮以及红外热成像仪，红外热成像仪用于识别和追踪火源；所述传感模块包括设置于车体上的避障传感器、激光雷达、探测传感器，避障传感器用于识别机器人前方障碍物，配合算法实现避障；激光雷达用于扫描消防机器人前方地形进而实现图像建模；探测传感器用于现场环境参数的检测；所述控制模块用于实现对消防机器人的信息融合、指令解析和编码、运动控制和作业；所述通讯模块用于实现消防机器人接受外部指令和发送采集的参数；所述能源模块用于为消防机器人提供运动和作业的电能；控制模块、通讯模块、能源模块均设置于车体的内部。
进一步地，所述动力驱动机构包括用于提供动力的驱动电机，用于对驱动电机进行动力减速的减速箱组件，用于驱动驱动电机的驱动器；所述驱动器连接控制模块和能源模块，驱动器还连接驱动电机，驱动电机的输出端通过减速箱组件连接至行走机构，所述行走机构根据需要可以为悬挂履带式或轮式。
更进一步地，为了提高火源全自动追踪能力，所述作业模块还包括云台模块，云台模块能进行角度调整，红外热成像仪设置于云台模块上。为了提高消防机器人对前方作业环境探测功能，提升作业时的安全性和工作效率，所述作业模块还包括第一摄像机；为提高机器人对现场周围作业环境探测功能，第一摄像机设置于云台模块上。更进一步地，所述云台模块为一维水平或垂向云台；为提高对环境全方位探测观测能力，云台模块还可以为二维云台，实现同步水平和垂向角度调整观测。
更进一步地，为提高消防机器人对灭火时水流喷射情况的观察，所述消防水炮的上端设置有第二摄像机。
进一步地，为提高对现场环境参数监测效果，所述探测传感器包括气体传感器和温湿度传感器。
进一步地，当灾害现场温度较高，机器人靠近或需进入火灾爆炸等场所时，消防机器人还可设置喷淋降温模块，所述喷淋降温模块与控制模块连接，喷淋降温模块设置于车体上方中间处，喷淋降温模块的进水口连接消防水炮的水道。
进一步地，为提高消防机器人在光线较暗环境的照明效果，所述消防机器人还包括灯光照明组件，灯光照明组件设置于车体的前端，所述灯光照明组件与控制模块连接。
本发明的另一目的在于提供复杂环境下全自主消防机器人作业系统的工作方法，最先进入灾害现场的消防机器人采用激光雷达对环境建模和对自己定位，通过信息交互，实现对其它消防机器人的自主定位，实现多机协同交互作业，提高现场的侦察和灭火作业效率。
复杂环境下全自主消防机器人作业系统的工作方法包括单台消防机器人进行侦察和灭火的方法以及多台消防机器人协同侦察和灭火的方法。
所述单台消防机器人进行侦察和灭火的方法：
当灾害现场需要一台机器人进入侦察和灭火作业时，消防机器人自身充当地图构建、自主搜索、地图导航和作业的角色：
1)机器人移动：工作人员发出指令，消防机器人的通讯模块接收指令后传输至控制模块，控制模块控制动力驱动机构驱动行走机构移动，带动机器人进入待作业指定地点；
2)机器人位置环境建模地图构建：消防机器人在移动过程中，控制模块控制激光雷达工作，对消防机器人前方环境扫描搜索并构建区域地图，确定自身处于地图中的位置；同时，消防机器人还将记忆自身的移动路线；
3)机器人避障：消防机器人在移动过程中，控制模块控制避障传感器工作，实现对车体前方障碍物的判别；当遇到障碍物时，消防机器人停止前移并配合建模的地图进行避让，并在地图中进行标记，为返程或其它机器人进入现场提供指导；
4)机器人自主侦察：消防机器人在移动或静止过程中，控制模块控制探测传感器中的气体传感器和温湿度传感器工作，实现对现场环境气体、温湿度参数的采集；同时，控制模块还配合控制云台模块带动第一摄像机作业，对消防机器人周围现场环境图像、视频侦察，采集和侦察的现场环境参数、图像和视频通过通讯模块上传供工作人员分析和决策；
5)机器人自主灭火：控制模块控制云台模块进行角度调整，带动红外热成像仪对环境扫描，当检测到火源位置时，控制模块控制消防水炮进行角度调整，实现灭火；在此过程中，控制模块控制第二摄像机工作，实现对灭火时水流的喷射情况观测，观测的图像视频同样经通讯模块上传供工作人员进行位置微调；
6)机器人自降温：消防机器人进入火灾等高温场所侦察和灭火时，控制模块控制喷淋降温模块开启，实现水流和雾气喷洒，降低自身温度，保护上装组件和内部元器件；
7)机器人照明：当现场光照不足时，控制模块控制灯光照明组件开启实现补光功能。
所述多台消防机器人协同侦察和灭火的方法：
当灾害现场需要多台机器人同时侦察和灭火作业时，第一台消防机器人作为主机，自身充当地图构建、自主搜索角色，除包括上述步骤1)-7)外，还包括构建地图分享步骤：当第一台消防机器人完成部分或全部现场的环境建模地图构建时，第一台消防机器人的控制模块控制通讯模块将构建的地图信息、避障信息、现场灾害信息以及行驶路线参数信息发送至剩余的消防机器人；
剩余的消防机器人作为从机，充当自主搜索、地图导航和协同作业的角色，剩余消防机器人的控制模块控制通讯模块接收第一台消防机器人发送的参数信息，除包括上述步骤1)-7)外，还包括地图匹配识别步骤和机器人协同作业步骤，
所述地图匹配识别步骤如下：剩余的消防机器人在移动过程中，每台消防机器人的控制模块控制激光雷达工作，对消防机器人前方环境扫描搜索并构建区域地图，配合第一台消防机器人发回的地图构建信息进行匹配识别，确定当前消防机器人自身所处整张地图中的位置信息；
所述机器人协同作业步骤如下：剩余的消防机器人根据第一台消防机器人分享的参数信息，同时对灾害现场环境侦察、参数采集和火源识别，识别完毕后进行协同灭火作业；在第一台消防机器人和剩余的消防机器人作业时，每台消防机器人的控制模块均通过通讯模块进行信息交互，分享自身地图构建、参数采集、障碍物判别、路线行走、现场灾害参数，提高机器人系统协同作业能力。
本发明具有以下有益效果：本发明通过提出复杂环境下全自主消防机器人系统作业系统及工作方法，当单台消防机器人独立作业时，实现全自主地图构建、侦察和灭火功能；当多台消防机器人协同作业时，第一台消防机器人将自身构建的地图通过无线分享至剩余消防机器人，剩余消防机器人根据自身部分地图构建匹配识别技术实现自身位置的定位，同时实现协同侦察和灭火功能，大大提高了机器人协同作战能力，有利于提高灾害现场救援效率。且不需要人工近距离操控，提高消防灭火的安全性。
附图说明
图1是本发明全自主消防灭火侦察机器人系统协同作业示意图。
图2是本发明全自主消防灭火侦察机器人立体结构示意图。
图3是本发明全自主消防灭火侦察机器人主视结构示意图。
图4是本发明全自主消防灭火侦察机器人左视结构示意图。
图5是本发明全自主消防灭火侦察机器人右视结构示意图。
图6是本发明全自主消防灭火侦察机器人后视结构示意图。
图7是本发明全自主消防灭火侦察机器人俯视结构示意图。
图8是本发明全自主消防灭火侦察机器人去掉底板后的仰视结构示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做进一步描述，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。
如图1所示，复杂环境下全自主消防机器人作业系统，至少包括一台消防机器人，标记为第一台消防机器人、第二台消防机器人、……、第X台消防机器人。当单台机器人全自主作业时，X＝1；当多台机器人系统作业时，X≥2。
对于任意一台消防机器人，如图2-8所示，在电气和机械组成上，至少包括：用于带动消防机器人行走的移动平台1，安装于移动平台1上的作业模块2、传感模块3、控制模块4、通讯模块5、能源模块6；所述移动平台1、作业模块2、传感模块3、通讯模块5、能源模块6均与控制模块4连接。
所述移动平台1为履带式移动底盘，如图7、8所示，移动平台1包括车体12，设置于车体12内部的动力驱动机构11，设置于车体12两侧且与动力驱动机构11连接的行走机构13。
进一步地，所述动力驱动机构11包括用于提供动力的驱动电机111，用于对驱动电机111进行动力减速的减速箱组件112，用于驱动驱动电机111的驱动器113，如图8所示。所述驱动器113连接控制模块4和能源模块6，驱动器113还连接驱动电机111，驱动电机111的输出端通过减速箱组件112连接至行走机构13。
本发明的一些实施方式中，根据现场环境需要，所述行走机构13可以为悬挂履带式或轮式。
所述作业模块2包括消防水炮21和红外热成像仪22，如图5所示，消防水炮21设置于车体12上方，用于实现喷水灭火；红外热成像仪22设置于车体12侧后方，用于识别和追踪火源。
本发明的一些实施方式中，为了提高火源全自动追踪能力，所述作业模块2还包括云台模块23，如图5所示，云台模块23能进行角度调整，红外热成像仪22设置于云台模块23上，实现对火源追踪角度的调整。
本发明的一些实施方式中，为了提高消防机器人对前方作业环境探测功能，提升作业时的安全性和工作效率，所述作业模块2还包括第一摄像机24，如图4所示。
进一步地，为提高机器人对现场周围作业环境探测功能，第一摄像机24设置于云台模块23上。第一摄像机24通过云台模块23的角度调整实现对周围环境的变方位观测。
更进一步地，所述云台模块23为一维水平或垂向云台；为提高对环境全方位探测观测能力，云台模块23还可以为二维云台，实现同步水平和垂向角度调整观测。
更进一步地，为提高消防机器人对灭火时水流喷射情况的观察，所述消防水炮21的上端设置有第二摄像机25，如图4所示。
所述传感模块3至少包括设置于车体12前端的避障传感器31和激光雷达32以及设置于车体12上的探测传感器33，如图3、5所示，避障传感器31用于识别机器人前方障碍物，配合算法实现避障；激光雷达32用于扫描消防机器人前方地形进而实现图像建模；探测传感器33用于现场环境参数的检测；
进一步地，为提高对现场环境参数监测效果，所述探测传感器33包括气体传感器331和温湿度传感器332，如图3、6所示。
所述控制模块4用于实现对消防机器人的信息融合、指令解析和编码、运动控制和作业，控制模块4设置于车体12的内部。
所述通讯模块5用于实现消防机器人接受外部指令和发送采集的参数，通讯模块5设置于车体12的内部。
所述能源模块6用于为消防机器人提供运动和作业的电能，能源模块6设置于车体12的内部。
进一步地，当灾害现场温度较高，机器人靠近或需进入火灾爆炸等场所时，消防机器人还可设置喷淋降温模块7，如图6所示，所述喷淋降温模块7与控制模块4连接，喷淋降温模块7设置于车体12上方中间处，喷淋降温模块7的进水口连接消防水炮21的水道。
进一步地，为提高消防机器人在光线较暗环境的照明效果，所述消防机器人还包括灯光照明组件8，如图8所示，灯光照明组件8设置于车体12的前端，所述灯光照明组件8与控制模块4连接。
对于任意一台消防机器人，在电气连接关系上，驱动电机111连接驱动器113，驱动器113连接控制模块4和能源模块6。消防水炮21、红外热成像仪22、云台模块23、第一摄像机24、第二摄像机25、避障传感器31、激光雷达32、探测传感器33均与控制模块4连接从而实现控制效果。通讯模块5与控制模块4连接，实现信号的无线发送和接收。喷淋降温模块7和灯光照明组件8均与控制模块4连接，用以实现喷淋功能和光照功能的开闭。进一步地，控制模块4还与能源模块6连接。
上述复杂环境下全自主消防机器人作业系统还包括对应的工作方法：
1、单台消防机器人进行侦察和灭火的工作方法：
当灾害现场需要一台机器人进入侦察和灭火作业时，消防机器人自身充当地图构建、自主搜索、地图导航和作业的角色，具体如下：
1)机器人移动：工作人员发出指令，消防机器人的通讯模块5接收指令后传输至控制模块4，控制模块4控制动力驱动机构11驱动行走机构13移动，带动机器人进入待作业指定地点；
2)机器人位置环境建模地图构建：消防机器人在移动过程中，控制模块4控制激光雷达32工作，对消防机器人前方环境扫描搜索并构建区域地图，确定自身处于地图中的位置；同时，消防机器人还将记忆自身的移动路线；
3)机器人避障：消防机器人在移动过程中，控制模块4控制避障传感器31工作，实现对车体12前方障碍物的判别；当遇到障碍物时，消防机器人停止前移并配合建模的地图进行避让，并在地图中进行标记，为返程或其它机器人进入现场提供指导；
4)机器人自主侦察：消防机器人在移动或静止过程中，控制模块4控制探测传感器33中的气体传感器331和温湿度传感器332工作，实现对现场环境气体、温湿度参数的采集；同时，控制模块4还配合控制云台模块23带动第一摄像机24作业，对消防机器人周围现场环境图像、视频侦察，采集和侦察的现场环境参数、图像和视频通过通讯模块5上传至控制台供工作人员分析和决策；
5)机器人自主灭火：控制模块4控制云台模块23进行角度调整，带动红外热成像仪22对环境扫描，当检测到火源位置时，控制模块4控制消防水炮21进行角度调整，实现灭火；在此过程中，控制模块4控制第二摄像机25工作，实现对灭火时水流的喷射情况观测，观测的图像视频同样经通讯模块5上传供工作人员进行位置微调；
6)机器人自降温：消防机器人进入火灾等高温场所侦察和灭火时，控制模块4控制喷淋降温模块7开启，实现水流和雾气喷洒，降低自身温度，保护上装组件和内部元器件；
7)机器人照明：当现场光照不足时，控制模块4控制灯光照明组件8开启实现补光功能。
消防机器人在不断避障、移动的同时，进行现场位置环境建模和定位，经过遍历后，从而实现获取现场完整地图和自身位置的实时更新功能，在此过程中还可进行对灾害环境的侦察和灭火作业等功能。
2、多台消防机器人协同侦察和灭火的工作方法：
当灾害现场需要多台机器人同时侦察和灭火作业时，第一台消防机器人自身充当地图构建、自主搜索角色，剩余的消防机器人(第二台消防机器人至第X台消防机器人)充当自主搜索、地图导航和协同作业的角色，具体如下：
对于第一台消防机器人，作为主机，其工作方法除包括上述步骤1)-7)外，还包括构建地图分享步骤：当第一台消防机器人完成部分或全部现场的环境建模地图构建时，第一台消防机器人的控制模块4控制通讯模块5将构建的地图信息、避障信息、现场灾害信息以及行驶路线参数信息发送至剩余的消防机器人。
对于剩余的消防机器人(第二台消防机器人至第X台消防机器人)，作为从机，每台消防机器人的控制模块4控制通讯模块5接收第一台消防机器人发送的参数信息，工作方法除包括上述步骤1)-7)外，还包括地图匹配识别步骤和机器人协同作业步骤，
所述地图匹配识别步骤如下：剩余的消防机器人在移动过程中，每台消防机器人的控制模块4控制激光雷达32工作，对消防机器人前方环境扫描搜索并构建区域地图，配合第一台消防机器人发回的地图构建信息进行匹配识别，确定当前消防机器人自身所处整张地图中的位置信息；
所述机器人协同作业步骤如下：剩余的消防机器人根据第一台消防机器人分享的参数信息，同时对灾害现场环境侦察、参数采集和火源识别，识别完毕后进行协同灭火作业；在第一台消防机器人和剩余的消防机器人作业时，每台消防机器人的控制模块4均通过通讯模块5进行信息交互，分享自身地图构建、参数采集、障碍物判别、路线行走、现场灾害参数，提高机器人系统协同作业能力。
本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
