基于智能灭火机器人的安全精准灭火方法
技术领域
本发明涉及智能灭火技术，特别是关于能够准确找到火源，彻底灭掉火源并安全返航的精准灭火方法。
背景技术
随着社会经济的飞速发展，形形色色的工业、民用、商业建筑不断涌现，尤其是大型结构厂房以及地下建筑的出现，由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火以及逃离。
灭火机器人是随着智能技术的发展，产生出来的一种智能化设备，在灭火和抢险救援中愈加发挥其举足轻重的作用。但是由于机器人自身技术发展的不完善性，以及由于机器人在侦察灭火过程中，现场环境恶劣，极有可能出现传感器感应不灵敏，控制时机不及时，火源定位不准确，灭火剂喷射方位不对，机器人自身不能自我保护，没有判断火源是否灭掉而盲目返航等问题，造成灭火不彻底，甚至造成机器、人员损伤，对抢险现场来说非常不利。
例如，基于双目视觉技术的灭火机器人，通过在机器人机体上安装双目视觉设备，实现对火焰空间位置的检测，从而控制灭火剂射出方向进行定点灭火。但是由于机器人本体高度较低，当发射水柱时，对前方视线遮挡容易导致双目视觉定位失效；也由于空气流的影响，使得射流落点不对。
对于判断火源是否灭掉而后智能返航的问题，目前在本领域内还未见有研究。
故如何实现在高危环境下对火源的快速准确定位和彻底灭火，是决定能否降低灾害现场人员伤亡和财产损失的关键。
发明内容
本发明着力于解决现有技术中存在的至少一个问题，提供一种基于智能灭火机器人的安全精准灭火方法。该方法综合考虑火场温度、机器人最佳安全距离、灭火剂最佳出射角度与初速度等因素，高效灭火以及智能躲避障碍和高温伤害，并智能返航。能够尽快救助火灾现场，又能最大限度保证机器人的安全。
本发明解决以上技术问题所采用的技术方案如下：一种基于智能灭火机器人的安全精准灭火方法，其特征在于：
1)首先利用传感器检测到温度最高的火源；
2)同时利用传感器检测机器人周围的温度，基于标定的机器人安全温度阈值，控制机器人行走至与火源的最佳灭火距离处；
3)利用传感器测算出机器人与火源之间的最佳灭火距离
4)基于找到的机器人与火源之间的最佳灭火距离
基于流体力学方程f＝6πηrv，令k＝6πηr，η、r一定时，k是一常数；
f：空气对灭火剂的阻力；
η：空气粘滞系数；
r：灭火剂雾粒半径；
v：雾粒瞬时速度；
将灭火剂运动轨迹分解为两个方向的微分方程表达式：
水平方向：
竖直方向：
x：灭火剂水平方向位移；
y：灭火剂竖直方向位移；
m：雾粒质量；
θ：雾粒出射角度；
由于t＝0时，x＝0，y＝0，
v0：雾粒出射初速度；
对微分方程求解可得：
将(3)、(4)式联立消去t，得灭火剂雾粒在受空气阻力情况下的运动轨迹方程：
由于：
β：机器人与火源相对位移在水平方向的夹角，已知量；
可得：
由于恒有θ＞β；
又由于-90°＜θ＜90°且-90°＜β＜90°；
所以，cosθ＜cosβ；
由式(11)可得如下关系：
整理得：
由于cosθ＜cosβ，故
所以，
进而根据(11)式求出所对应的最佳出射角度
进一步地，基于下述方法判定机器人是否处于最佳灭火距离处：
D：行进方向标识；
H内：机器人内部温度；
H外：机器人外部温度；
a、b、c:a＜b＜c，具体数值根据设备所选用的材料和部件工作温度范围经实验标定得到；
当D＝1时表示机器人可以前进，D＝0时表示应停止，为最佳灭火距离处，D＝-1时表示应该后退。
进一步地：测算机器人与火源之间的最佳灭火距离
在机身上同一水平位置安装两个红外传感器，基于如下勾股定理算式计算出机器人与火源之间的最佳灭火距离
L：两个红外传感器之间的距离；
α：红外传感器探头与两个传感器连线之间的夹角；
当机器人在安全温度阈值范围内时，测得的夹角为最佳夹角
在基于两个红外传感器，测算机器人与火源之间的最佳灭火距离
由
将(8)、(9)式带入(5)式得：
L、
由式(10)可得如下关系：
整理得：
由于cosθ＜cosβ，
故
则有
进而根据(10)式求出所对应的最佳出射角度
进一步地：该方法还包括基于下述方法判定机器人是否应启动返航：
B：是否返航标识，B＝1表示返航，B＝0表示不返航；
Qsum(t)：当前电池剩余总电量；
Q(s)：机器人能够自动返航所需电量；
Q(H)：与高度相关的能量，向上坡走为正值，向下坡走为负值，由倾角传感器测得；
M(t)：当前灭火剂剩余量；
R：机器人已经跑过的路程；
与现有技术相比，本发明显著的有益效果体现在：
1、本发明利用多种传感器技术，配合算法使机器人能够检测火源距离及周边温度并根据相应温度做出调整，有效保障了机器人自身的安全；
2、通过传感器锁定火点，并通过算法精确计算出灭火所需最佳出射角度以及最小小初速度，精准灭火，同时又最大化的节省了能源；
3、基于能耗监测及判断机制，随时启动返航程序；
4、灭火机器人有手动模式和自主模式两种控制模式，在断网、无电等突发情况下，自动切换模式，保证机器人安全返航；
5、小型激光雷达巡航技术，记录周围环境与走过的路线，有效避障，更好的保证了机器在遇到突发情况时能够精确定位，并安全返航。
6、机器人为履带式机器人，配合机身的红外传感器，极大程度地提高了火灾现场复杂环境的适应能力。
7、机器人具有自动检测信号强度的功能，当信号强度低于某一值时，机器将会抛掷随身携带的无线中继器，通过无线中继器与手持遥控器进行通信，从而最大限度的保持机器人与遥控器的连续通信。
本发明的其他优点和有益效果将在下文的叙述中得以体现。
附图说明
图1为灭火机器人的各类传感器布局示意图；
图2为两个红外传感器测量机器人至火源的距离示意图；
图3为灭火剂受空气阻力作用下运动轨迹示意图；
图4为灭火机器人的手动模式和自主模式切换控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但本领域的技术人员应该知道，以下实施例并不是对本发明技术方案作的唯一限定，凡是在本发明技术方案精神实质下所做的任何等同变换或改动，均应视为属于本发明的保护范围。
本发明提供一种智能灭火机器人，驶入现场实施灭火，机器人由手持遥控器操控，并且两者都与后方上位机保持通讯，受制于上位机控制。如图1所示，为实现信息精准传输，在机器人机身前部装有小型激光雷达1，用于导航定位及探测前方障碍物；机身顶部一定高度装有一个摄像头2，用于拍摄现场图像，机身顶部一定高度还装有大型红外传感器3，用于检测火源并测距；机身四周装有超声波传感器4和小型红外传感器5，超声波传感器4用于记录行驶轨迹，同时躲避四周障碍(超声波传感器相比于雷达能检测玻璃类障碍物)，小型红外传感器5主要用于检测火源并实时反馈火焰温度；机身任何合适的位置还装有无线传输模块6，用于机器人与后方上位机的信息传输；机身内部装有倾角传感器，记录机器上下坡状态，以及计算出机器人竖直方向位移；此外，机器人还随身携带若干个小型无线中继器，用于当机器人与手持遥控器的通讯信号减弱时，随时抛掷无线中继器，使无线中继器与手持遥控器保持联系。注：大型红外传感器3和小型红外传感器5中的“大型”和“小型”只是为区别而言，并无实质大小要求。
机器人灭火的工作原理是：机器人被运送到灭火地点后，通过遥控器遥控机器人进入火场，利用红外传感器检测火源并测距并检测火焰温度来实现灭火；利用小型激光雷达和超声波传感器实时记录周围环境与走过的路线并避障；通过无线传输模块检测信号强度，当信号强度低于某一设定值时，机器人抛掷小型无线中继器，从而最大限度的保持自身与手持遥控器的连续通信；利用无线通信模块与上位机通信，通过无线通信，上位机对机器人下达指令，实现对机器人的控制。
本发明利用大型红外传感器3精准找到火源，进一步地，可在机器人身上装有两个大型红外传感器3，位于同一水平位置，自动对准火场温度最高的部分，基于勾股定理计算出机器人与火源的距离S，如图2所示。
L：机器人前面安装的两个大型红外传感器之间的距离，已知量；
α：大型红外传感器探头与两个传感器连线之间的夹角，简称探头转角，已知量。
同时，利用车身四个方向安装的小型红外传感器来测周围的温度，基于测得的温度，控制机器人处于安全距离内，以致机器人不被高温所伤，保证机器人的安全。
判定机器人是否处于安全距离，且应为前进还是后退的方法为：
D：行进方向标识，D＝1表示应该前进，D＝0表示应该停止，D＝-1表示应该后退。
H内：机器人内部温度；
H外：机器人外部温度；
a、b、c:a＜b＜c，它们的具体数值根据所选用设备的材料和部件工作温度范围经实验标定得到。
此判定方法能够决定机器人在火场是前进，还是后退，还是停下来并进行灭火，解释为：1)若机器人内部温度小于a℃，并且机器人外部温度小于b℃，则说明机器人处于安全距离，可以向火源前进。2)若机器人内部温度超过b℃，或者机器人外部温度超过c℃，则说明机器人处于危险距离，应该后退。3)若机器人内部温度在a℃～b℃之间，且机器人外部温度在b℃～c℃之间，则说明机器人处于最佳灭火距离，可以停下来进行灭火。
设定安全距离有效的保护了灭火机器人不被火焰高温所伤害；并且根据温度满足要求下机器人所处于的恰当位置，可知探头最佳转角
基于找到的温度最高的火源位置，以及机器人应处于的最优灭火距离，可以安全实施灭火。又考虑最大限度节省耗电问题，以及灭火剂从推动装置喷出至火源过程中受空气阻力影响的问题，本发明还采取如下办法计算了灭火剂最佳出射角度和最小初速度，灭火剂的运动轨迹如图3所示。
基于流体力学公式f＝6πηrv(为计算便捷，以下令k＝6πηr，f＝kv)：
f：空气对灭火剂的阻力；
η：空气粘滞系数；
r：雾粒半径(将灭火剂雾化为无数雾粒)；
v：雾粒瞬时出射速度。
将灭火剂雾粒运动轨迹分为两个方向，微分方程表述为：
水平方向：
竖直方向：
由于t＝0时，x＝0，y＝0，
对微分方程求解可得：
将(3)、(4)式联立消去t，可得灭火剂在受空气阻力情况下的运动轨迹方程：
x：灭火剂水平方向位移；
y：灭火剂竖直方向位移；
m：雾粒质量；
θ：出射角度；
v0：出射初速度。
由图3可得到以下关系式(将机器人简化为一点)：
β：机器人与火源相对位移在水平方向的夹角。
由
将(8)、(9)式带入(5)式得：
由于L已知，α,β可由传感器测得，故(10)式中仅θ与v0为未知量。
结合实际分析可知：恒有θ＞β；
又因为-90°＜θ＜90°且-90°＜β＜90°，
所以，cosθ＜cosβ。
又由式(10)可得出如下关系：
整理可得：
由于cosθ＜cosβ，
故
则有
进而根据(10)式求出所对应的最佳出射角度
灭火机器人配合此轨迹实现精准地扑灭火源，完成当前火源灭火任务。
在当前火源灭火任务完成之后，灭火机器人将自动寻找火场下一个温度最高点，继续按上述方法灭火。
进一步地，在继续下一火源灭火之前，还需判断当前火源是否扑灭，取决于下述判断方式：
P：火源是否灭掉标识，P＝1表示灭掉，P＝0表示没灭掉；
H：当前火源温度。
如果当前小型红外传感器5检测的温度小于100度，则视为灭火成功，若检测温度大于等于100度，则视为没有灭火成功，继续喷洒灭火剂，直到检测温度低于100度。
机器人灭火可采取两种模式，手动模式和自主模式，如图4所示。在手动模式下，操控员可通过观察摄像头采集的画面随时操控机器，当操控员不操作遥控器时，机器人将立即切换至自主模式，自主控制灭火；当操控员操控遥控器时，机器将会立刻听从人工操控的指令(人工具有优先操控权)。
机器人在行驶过程中自身可以实时检测信号强度，当信号强度足够时，机器人可以直接由遥控器操控；当信号强度低于某一值时，机器人将自动抛掷小型无线中继器，通过无线中继器保持与遥控器的连续通信，机器人依然可以采取手动模式。当无线中继器受到破坏或其他一些突发情况造成机器人与遥控器之间通讯中断时，机器人将切换为自主模式。
手动模式和自主模式下，机器人都能根据小型激光雷达和超声波传感器实时反馈的信息实施自主避障，根据红外传感器反馈的信息寻找火源实施灭火。
进一步地，在机器人从出发点到达灭火点的过程中，数据处理中心能够计算机器人到达灭火现场所消耗的电能。在灭火剂或者电能低于最小量的情况下，启动自动返航程序，是否启动自动返航程序，取决于下述判断：
B：是否返航标识，B＝1表示返航，B＝0表示不返航；
Qsum(t)：当前电池剩余总电量；
Q(s)：机器人能够自动返航所需电量，由系统计算得知；
Q(H)：与高度相关的能量，向上坡走为正值，向下坡走为负值，由倾角传感器测得；
M(t)：当前灭火剂剩余量；
R：机器人已经跑过的路程；
若当前车内的剩余电能小于机器人到达灭火现场的电能与机器人上下坡能量之和，或者当前剩余灭火剂不足以灭掉机器人来时经过路程的大火时，机器人将自动启动返航程序，若是上述两条件都满足，则灭火机器人将继续进行灭火。
进一步地，在灭火过程当中，机器人机身温度会避免不了会升高，为此，本发明设计降温措施，利用多余的电力驱动机器人尾部的风扇来给机身降温，保护机器人及机器人内的元器件，以免温度过高影响工作性能。
进一步地，机器人灭火的材料选为水基灭火剂，一升水基灭火剂能够灭4m2～5m2的火，同时对金属材料没有损害，保护了机械元件在灭火过程中不受二次损害，并且被灭掉的火灾短时间内不会复燃。灭火效率远远高于市面上的其他灭火材料。
进一步地，灭火剂预先采用超声波雾化器雾化，雾化颗粒1um～5um。
进一步地，机器人为履带式机器人。
