本实用新型涉及消防火灾现场应急救援和特种机器人领域，具体地，涉及一种能在地铁救援中使用的，可模块化更换消防装备，集成灭火和侦查功能为一体的智能消防机器人产品。
背景技术：
：近年来，随着地铁、地下空间、大跨度厂房数量的日益增加，消防工作特别是灭火救援面临的形势日趋严峻，陆续发生了在灭火救援过程中因内攻导致消防员伤亡的情况，在复杂建筑物室内环境下，如何安全可靠的开展灭火救援和火情侦察，对救援现场具有重大的意义。因此，如何逐步利用机器人技术替代战斗员深入火场内部实现火情侦察、传递信息、完成灭火救援的功能显得尤为迫切。技术实现要素：针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人。根据本实用新型提供的一种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，机器人本体包括履带行走装置、前后翻转臂、侦查装置、水炮装置、控制处理装置以及无线通信装置，履带行走装置带动机器人本体运动，前后翻转臂设置于机器人本体的两侧；侦查装置、水炮装置、控制处理装置以及无线通信装置安装于机器人本体上；控制处理装置连接水炮装置和无线通信装置；远程控制终端包括中心控制单元、遥控装置以及无线通信装置，所述中心控制单元连接遥控装置和无线通信装置；遥控装置通过无线通信装置控制机器人本体；机器人本体和远程控制终端通过无线通信装置无线通信连接。优选地，所述侦查装置包括的双光谱车载摄像机，所述的双光谱车载摄像机通过减震器紧固连接一支架上，所述支架紧固安装于机器人本体上表面。优选地，所述水炮装置包括水炮电控箱和水炮执行机构，水炮电控箱与控制处理装置无线通信，水炮电控箱驱动水炮执行机构执行动作。优选地，所述控制处理装置包括cortexm3内核的arm处理器芯片。优选地，所述无线通信装置采用ubntrocketm5无线网桥设备。优选地，所述中心控制单元包括工业控制计算机。优选地，还包括温度传感器和降温喷淋装置，所述温度传感器检测机器人本体的温度；降温喷淋装置设置于机器人本体周围，对机器人本体进行喷淋防护。优选地，还包括张紧机构，所述张紧机构用于张紧履带行走装置和前后翻转臂。与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：1、本实用新型综合考虑了地铁的特点，适应地铁消防通道尺寸，同时可以上下楼梯，翻越障碍，具有超长的遥控距离，达到在复杂地下环境下的保障救援作用，对提高救援现场的救援能力具有重大的意义；2、本实用新型通过远程操控消防灭火机器人，能够有效减少消防救援人员伤亡；3、本实用新型的硬件结构具备侦察、采集、处理和实时传输现场图像、温度等数据信息的功能，利用上述功能，现场指挥人员就可以根据实时了解的现场情况，更好地对灾情做出科学的判断，有利于对现场的通信指挥、灭火救援等工作做出正确、合理的决策，从而有利于达到保障现场指挥和有效减少消防救援人员伤亡的最终目标。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人的系统架构框图。图2为适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人的结构三视及剖视图。图3为适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人的软件界面图。图4为适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人的软件总体设计流图。图中示出：侦查子系统1张紧机构2水炮子系统3前后翻转臂4机器人子系统5无线通信子系统6减震器7支架8具体实施方式下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。本实用新型设计了一种可替代消防救援人员进入地铁救援、大跨度厂房等火灾现场完成侦查、灭火功能的消防机器人产品，解决消防人员无法深入火场操作和减少救援人员伤亡的问题。如图1所示，为了解决上述技术要求，本实用新型产品包括突击机器人和远程控制终端两部分组成。(1)突击机器人突击机器人是在移动平台上搭载消防装备，针对火场情况完成灭火和侦察的功能。突击机器人具有5个主要功能子系统，包括控制处理单元，机器人子系统，侦查子系统，水炮子系统和无线通信子系统。控制处理单元，该单元通过网口接收来自于远程控制终端的控制命令，并能够根据控制命令完成对水炮子系统的控制。机器人子系统，是突击机器人运动主体，完成搭载所需设备进行移动、攀爬和越障等运动功能，并具有数据采集和一定的自我防护设置。机器人子系统由车体运动，车体视频和电源管理三个部分组成，车体运动部分负责车体的前后运动，转弯，前后翻转臂运动；车体视频部分负责车体前后两路摄像头的视频采集；电源管理部分将锂电池作为电力来源，为整个突击机器人各个子系统和单元提供相应电力分配。侦察子系统，可通过热成像仪和低照度高清摄像机针对光线较暗和具有浓烟的复杂火场环境进行侦察拍摄，并通过无线通信子系统将前方视频在后方远程控制终端上进行显示。水炮子系统，由控制处理单元控制，针对火点或火头喷水，以达到扑灭火源和阻挡火势的目的。无线通信子系统，提供突击机器人和远程控制终端之间的视频和数据传输通道。(2)远程控制终端远程控制终端以工业控制计算机为核心，采用windows7操作系统，来达到在远端控制突击机器人的目的。远程控制终端具有5个主要功能子系统，包括人机交互的遥控器(输入输出系统)、电源管理单元、中心控制单元、无线通信子系统和系统软件。遥控器，完成人机交互功能，接收操作人员操作指令和提供实时的视频和数据显示。电源管理单元，保证远程控制终端各子系统电源供应，遥控器欠压显示灯可提示低电压状态。中心控制单元，以工业控制计算机为核心，与远程控制终端各其他单元通过各种接口进行数据交互，采用windows7操作系统。无线通信子系统，提供远程控制终端和突击机器人之间的视频和数据传输通道。系统软件，实现数据和视频的实时显示和完成对突击机器人各部分子系统的操作功能的软件实现。下面主要对操控功能、数据采集与显示功能、视频显示功能和结构设计方面进行详细的说明。操控流程：消防机器人的操控，主要是指操作人员通过遥控器的按键，来对应的使突击机器人各子系统产生相应的动作。对突击机器人的操控主要包括：对机器人子系统的操控，对侦查子系统的操控和对水炮子系统的操控。由于无线通信子系统采用移动ip无线网关，在无线联通情况下，可以通过ip地址方式进行数据传输。机器人子系统和侦查子系统由远程控制终端的中心控制单元直接进行操控，水炮子系统的控制命令由远程控制终端的中心控制单元发送给突击机器人的控制处理单元，经控制处理单元解析后通过i/o口控制水炮电控箱，完成对水炮执行机构的控制。操控命令的发送遵循空闲时命令间隔50ms，遥控器操作时，实时发送控制命令的原则。这样确保了命令发送的实时性和通信的连续性。数据采集和显示：机器人子系统的传感器将采集到的数据保存在固定的存储地址中，并实时更新。在机器人子系统得到控制命令后，同时进行一次数据回传，由于采用的移动ip无线网关是双向的，远程控制终端的中心控制单元获取到采集数据，并进行数据解析和实时显示，完成数据的采集和显示流程。视频显示：突击机器人具有四路视频，包括车体前端固定摄像视频，车体后端固定摄像视频，侦查子系统的高清摄像视频和侦查子系统的热成像视频。四路视频模拟信号通过视频控制器转换，编码压缩为视频数据码流，并各自具有独立ip地址，在无线网关连接正常的情况下，远程控制终端的系统软件通过调用视频控制器的软解码程序和视频恢复播放程序，将4路视频数据码流解码恢复为4路视频并在遥控器显示器上进行视频播放。结构设计方面：本实用新型专利产品突击机器人外观设计如图2所示。突击机器人采用前后翻转臂设计，辅助车体具有很强的越障能力和灵活性；车体最大宽度720mm，车体长度1010mm，适用于地铁消防通道，保证了在消防通道中移动的灵活性；周围具有喷淋装置，可以在救火现场对车体实施喷淋降温保护；模块化设计，各单元单独防水，单元间结构防水确保了整体的防水性能，同时模块化设计可以实现快速换装和故障快速定位；搭载双管水炮可选择喷水或喷泡沫灭火；后置摄像头360度旋转及俯仰调节使视频侦查达到无死角设计。为了便于理解，下面将更详细的描述一下本实用新型专利产品中的主要构成模块和工作原理。(1)机器人子系统概述机器人子系统是突击机器人的重要组成部分，主要负责平台的稳定移动，同时集成摄像，声光报警和喷淋等功能。机器人子系统单元中心控制器接收到命令数据后解析出命令含义，并完成对车体相应动作控制，同时将车体的参数数据发送给远程控制终端的系统软件。机器人子系统采用前轮驱动，履带式设计，左右差动驱动方式，通过控制左右前轮正向转动和反向转动，带动履带向前或向后运动。左右履带同时向前或向后运动完成前进和后退的动作，左右履带反向运动则完成车体原地的左右转动，用左右履带的差速运动来完成车体大转和左右的行进微调。左右动力输出设计有变速箱机构可进行档位变换，具有高低两个档位的切换，高档位可以使车体具有更快的行进速度；低档位使车体获得更大的牵引动力，主要在行进道路具有障碍和爬坡越障的环境中使用。机器人子系统设计有前后翻转臂，这一设计极大的提高了突击机器人的爬坡和越障能力，越障高度到达400mm，增加了上下楼梯的稳定性，使车体在混乱的消防救灾现场表现的更加灵活、稳定。机器人子系统设计了左右履带和前后翻转臂履带的张紧机构，随着消防机器人使用次数的增加，履带将变得松弛，而履带的松弛是机器人跑偏的主要外因，张紧机构可以起到拉紧履带的作用，避免履带因长期使用引起的履带松弛，易脱落等现象。车体具有前后两路摄像头，进行实时环境的视频拍摄；车体具有声光报警器，可以在火场中进行声光警示；车体上盖板具有喷淋管，可以在火场中对消防机器人整车进行喷淋防护。车体左右两侧挂有外接电池，外接电池提供 48v直流供电，在车体内进行电源转换后对车体内各单元供电，并通过车体接口向外部连接设备提供 24v电源供电。远程控制终端系统软件与机器人子系统单元中心控制器之间的命令通讯使用ip网络传输形式，采用udp协议传输。一次命令发送与一次数据回传共同完成一次通信过程，命令发送间隔不大于50ms，如果机器人子系统单元中心控制器3秒钟未接收到任何控制命令，将自动停止车体运动，避免发生意外碰撞。(2)水炮子系统部分方案水炮子系统由水炮电控箱和水炮执行机构组成。我们选用的是上海务进消防的pskdy40wjc型消防水炮，包括水泡电控箱和水炮执行机构。水炮电控箱上具有“上仰”，“下俯”，“左转”，“右转”，“直流”，“喷雾”，“自摆”和“自摆角度”8个功能键，可以控制水炮平台左右旋转，炮筒上下俯仰和炮头伸缩调节三个方向的自由度，并可以选择“40°/60°/80°”的自摆运动。连接关系说明：水炮下端支架具有4个安装孔，通过转接板连接在机器人子系统上盖板上；水炮电控箱通过无线方式与控制处理单元通信，电控箱8个功能键是并行的8芯接口，8芯通过分别与地接通触发控制的8个功能键，驱动水炮执行机构进行相应的动作。我们在pskdy40wjc型消防水炮的双进水管基础上进行了改装设计，提供了喷淋水路，同时方便与90快速管牙雌接口快速连接。产品模块化设计，可根据现场情况更换40/60/80等多种流量水炮。(3)侦察子系统部分方案突击机器人装载的侦察子系统的主要目的是使消防机器人操作人员能够实时了解火场内和突击机器人周边的环境情况，考虑到消防客户提出的火场浓烟情况下的侦察需求，消防机器人的侦察子系统我们选用了具有低照度高清摄像机和热成像仪的双光谱车载摄像机产品。低照度高清摄像机可在现场光线较暗的情况下保证良好的视频效果，并可通过转台的左右和上下旋转，变焦处理来看清环境的细节情况；而红外热成像仪具有穿透烟雾能力较强的特点，因此无论在黑暗或浓烟条件下，侦察子系统均可以正常地对各种目标进行监控。我们选用北京和普威视公司的双波段热成像车载摄像机tvctvc4101d-1920-xf，该产品结构整体独立，下方后部配有唯一防水航空接头，接头内包含 24v受电端子和一个wan网络接口端子。结构安装上，车载摄像机与一个中空圆柱形支架通过减震器牢固连接，直接和摄像机整体安装在突击机器人上面板的后部，与车体的连接圆盘采用6个螺柱固定，圆盘内采用防水圈设计；电气连接由车载摄像机tvctvc4101d-1920-xf后部的航空接头通过中空的圆柱内部走线，在底部与机器人子系统的一个外接接口连接，由机器人子系统对其进行 24v供电；车载摄像机与机器人子系统的数据通信通过外接接口上按照以太网接口定义连接，通过tcp/ip协议进行命令和视频码流的数据传输通信。控制方式上，车载摄像机tvctvc4101d-1920-xf由热成像摄像机部分，低照度高灵敏摄像机部分和转台3部分组成，分别对应3个不同ip地址，两路视频模拟信号经其内部已转化为数据码流，并进行了视频压缩，通过网络交换机接口，与远程控制终端的系统软件以tcp/ip通信协议进行视频调用，并通过系统软件进行解码和视频恢复，最终在远程控制终端遥控器显示器上进行播放；转台也具有一个单独ip地址，远程控制终端系统软件与转台之间的命令通讯采用udp协议传输，根据控制命令，从而完成远程控制终端对转台的控制。(4)无线通信子系统部分方案无线通信子系统我们选用ubntrocketm5无线网桥设备，配备专用的10dbi双极化全向天线，来完成远程控制终端与突击机器人的无线数据通信功能。ubntrocketm5无线网桥是美国ubiquitinetworks公司推出应用于ieee802.11g/n的无线产品，5.8g频点，定位于点对点和点对多点组网应用,最高传输速率超过150mbps。产品稳定，高功率(平均发射功率27dbm)，集成2x2mimo无线技术，具有极佳的产品接收性能。该款产品通过把专利天线技术与模块的完美组合，外部通过网线poe方式供电，在外接天线情况下最大通信距离可以达到30公里。(5)控制处理单元部分方案控制处理单元主要功能是接收来自于远程控制终端的控制命令，并对突击机器人水炮子系统进行控制。控制处理单元安装于车体内部，通过无线通信与水炮控制箱连接通信，命令接收由网口与网络交换机连接，电源由机器人子系统电源转换电路提供。机器人控制处理单元采用基于cortexm3内核的arm处理器芯片，单元具有1路以太网接口及控制功能(uart接口转换得到)；8路i/0控制接口；外接电源 24v直流供电，内部电源转换；对外提供1路 24v电源输出；具有芯片编程接口和适当指示灯，重置开关等；(6)软件技术方案1.软件界面设计远程控制终端系统软件是基于win7操作系统的，c#高级编程语言编程，系统软件界面见图3。显示界面分为视频显示区和数据显示区。通过视频选择按键，视频显示区视频可以选择一/四路画面切换和对四路视频的任意显示。数据显示区将突击机器人所采集到的数据进行显示，使操作者了解火场内及突击机器人的数据信息，以便做出正确判断。系统软件还负责将指令变换为控制命令数据，以及针对接收到的数据进行智能判断和向操作者提示报警等功能。2.软件总体设计本实用新型的系统软件由三个部分组成：视频显示部分，数据获取与显示部分和操控命令发送部分。整个软件的总体设计流程如图4所示，三个部分的具体实现方法说明如下：视频显示：突击机器人具有四路视频，软件将实现任意一路或四路同时在遥控器上的显示。首先，在程序开始我们进行视频设备注册，我们在程序中包含调用视频设备所需的动态链接库文件。通过四路ip地址可以获取四路视频，系统软件在通过串口实时获得遥控器数据，经解析后，判断遥控命令是否为视频命令，若为视频命令则确定命令要求播放具体某一路视频或四路视频同时播放，根据要求进行播放显示。数据获取与显示：突击机器人通过网络接口将采集到的数据发送给远程控制终端，系统软件具有一个接收数据触发函数，首先核对数据是否符合传输规则，不符合规则的数据将不会被处理。获得符合规则的数据后进行数据解析，并将需要在数据区内显示的数据进行更新，大部分数据具有阀值判断，超过阀值数据将进行数据报警提醒。操控命令发送：系统软件通过串口实时获得遥控器数据，经解析后，判断遥控命令是否为操控命令，若为操控命令则按照命令格式打包向相应的设备下发，若长时间无操控命令，系统按照50ms定时触发命令发送，发送格式按照软件记录的针对当前各子系统的控制状态产生相应的命令格式。这样的设计方式即保证对操控的实时反应，也保证在无命令状态下不间断的通信联系。3.控制面板按键的通信协议控制面板与上位机通讯为rs-232方式，有键按下/放开时，控制面板向上位机发送相应键值，上位机收到后回复ack信号。若控制面板发送后200ms内没收到上位机波ack信号，将再次发送，3次发送都未收到上位机的ack信号，将不再进行本次键值等数据的发送。波特率为：38400bps。通讯格式：帧头key_d0key_d1key_d2key_d3key_d4key_d5crc帧头：0xfa，固定字节。key_d0～key_d4：键盘控制命令字节。crc：crc＝帧头⊕key_d0⊕key_d1⊕key_d2⊕key_d3⊕key_d4⊕key_d5。上位机回复ack；本实用新型采用了数字化技术，设计了一种可用于地铁的适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人，对成功处置火灾事故现场和保护消防人员生命安全有着积极作用，提升了目前消防灭火救援工作现代化水平。本实用新型综合应用了特种机器人技术、无线非视距数传和图传技术、智能判断及控制算法等多种技术，通过建立模块化、数字化、多功能的技术架构，实现了一种可应用于地铁救援的适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人产品。以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。当前第1页1 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技术特征：1.一种适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人，其特征在于，包括机器人本体和远程控制终端，
机器人本体包括履带行走装置、前后翻转臂、侦查装置、水炮装置、控制处理装置以及无线通信装置，履带行走装置带动机器人本体运动，前后翻转臂设置于机器人本体的两侧；侦查装置、水炮装置、控制处理装置以及无线通信装置安装于机器人本体上；控制处理装置连接水炮装置和无线通信装置；
远程控制终端包括中心控制单元、遥控装置以及无线通信装置，所述中心控制单元连接遥控装置和无线通信装置；遥控装置通过无线通信装置控制机器人本体；
机器人本体和远程控制终端通过无线通信装置无线通信连接。
2.根据权利要求1所述的适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人，其特征在于，所述侦查装置包括的双光谱车载摄像机，所述的双光谱车载摄像机通过减震器紧固连接一支架上，所述支架紧固安装于机器人本体上表面。
3.根据权利要求1所述的适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人，其特征在于，所述水炮装置包括水炮电控箱和水炮执行机构，水炮电控箱与控制处理装置无线通信，水炮电控箱驱动水炮执行机构执行动作。
4.根据权利要求1所述的适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人，其特征在于，所述控制处理装置包括ortexm3内核的arm处理器芯片。
5.根据权利要求1所述的适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人，其特征在于，所述无线通信装置采用ubntrocketm5无线网桥设备。
6.根据权利要求1所述的适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人，其特征在于，所述中心控制单元包括工业控制计算机。
7.根据权利要求1所述的适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人，其特征在于，还包括温度传感器和降温喷淋装置，所述温度传感器检测机器人本体的温度；降温喷淋装置设置于机器人本体周围，对机器人本体进行喷淋防护。
8.根据权利要求1所述的适用于地铁援救的模块化消防灭火机器人，其特征在于，还包括张紧机构，所述张紧机构用于张紧履带行走装置和前后翻转臂。
技术总结本实用新型提供了一种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，机器人本体包括履带行走装置、前后翻转臂、侦查装置、水炮装置、控制处理装置以及无线通信装置，履带行走装置带动机器人本体运动，前后翻转臂设置于机器人本体的两侧；控制处理装置连接水炮装置和无线通信装置；远程控制终端包括中心控制单元、遥控装置以及无线通信装置，机器人本体和远程控制终端通过无线通信装置无线通信连接。本实用新型以模块化设计实现了实时，可靠的可应用于地铁救援的消防灭火机器人，可替代消防官兵深入火场进行消防侦查和灭火工作，有效的提高了消防部队的灭火能力和提高自我防护能力，减少消防指战员的人身伤亡。
技术研发人员：郭俊岑;徐晓浩
受保护的技术使用者：上海微波技术研究所(中国电子科技集团公司第五十研究所)
技术研发日：2018.10.12
技术公布日：2020.04.03
