本实用新型属于消防机器人领域，具体涉及一种消防机器人全自动协同侦察和灭火系统。
背景技术：
消防机器人作为特种机器人的一种，在灭火和抢险救援中愈加发挥举足轻重的作用。目前携带消防水炮的机器人绝大多数需依赖后台消防人员远程操作，实现对水炮三维角度的调整，从而控制水炮打水的抛物线落在着火点上。但现场环境恶劣，浓烟密布，消防人员由于自身视野或环境影响，极可能出现无法瞄准的问题；即使消防人员发现并定位着火点，需遥控消防水炮进行打水定位，这中间需要较长的调试和定位耗时，对危急的恶劣环境和抢险现场来说非常不利。
基于机器视觉技术的火点与射流落点相对位置调整的消防水炮角度控制方法是一种可以实现精确灭火的方法，但其主要用于悬挂式消防水炮，其视觉摄像机和消防水炮需要安装在建筑物的高处，使着火区域完全置于消防水炮和摄像机的视野之下。现有的智能消防机器人的视觉系统和消防水炮基本都安装在其本体上，难以获得足够的视野，难以实现火源和射流落点的精确定位，难以实现自动精确灭火。故如何实现在高危环境下对火源的快速定位、寻找、侦察和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。
当前针对灾害现场进行灭火的机器人对火源寻找或定位的方案主要分为两类：
1)无人机高空协助检测法
该方式下，消防机器人工作前需将无人机飞至火焰上空测定高度，后将无人机自身gps位置信息发送至消防机器人，从而确定无人机下火焰相对机器人空间位置关系，进而喷射灭火。典型的有专利号为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”。
2)机器人本体双目视觉定位法
通过在消防机器人上安装双目视觉设备，实现对火焰空间位置的检测，从而控制水炮进行定点灭火。典型的有专利号为201520997745.x的专利公布的智能消防机器人。还有采用热成像仪在火源不同位置检测到的夹角，间接计算火源位置，例如申请号为201610089608.5的专利公布的“火灾现场火源定位方法、定位系统及消防机器人”等。
目前针对消防机器人现场对火源定位的方式中均存在弊端：
1)对于无人机高空协助检测法，存在如下主要问题：①无人机需飞至火焰上方，实际中这对设备危害性极大；②无人机的定位精度取决于gps定位精度，传统gps精度无法满足需求，而差分gps价格较贵导致系统成本过高；③当室内着火时，gps定位系统无法工作，该方法失效。
2)对于机器人本体上安装双目视觉设备的方案，由于消防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。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于提供一种消防机器人全自动协同侦察和灭火系统，解决恶劣灾害现场下火源等危险源的快速识别、机器人快速定位并利用消防水炮进行精准喷射灭火的难题。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种消防机器人全自动协同侦察和灭火系统，包括灭火机器人、侦察机器人、主控台、辅助基站，所述灭火机器人和侦察机器人均包括移动平台、第一无线通讯模块、第一通讯天线、第一控制模块、编码器，主控台包括第二控制模块、第二无线通讯模块、第二通讯天线；辅助基站包括第三无线通讯模块、第三通讯天线、第三控制模块；灭火机器人通过第一无线通讯模块与侦察机器人、主控台、辅助基站无线连接，侦察机器人通过第一无线通讯模块与灭火机器人、主控台、辅助基站无线连接。
具体的，所述灭火机器人的移动平台为履带式、轮式或其它常规移动机构，内置供电机构、驱动器和电机结构，第一无线通讯模块安装在灭火机器人的移动平台内部，第一通讯天线设置于灭火机器人的外壳壳体上，第一通讯天线的底部与第一无线通讯模块连接，第一控制模块设置于灭火机器人内部，第一控制模块连接编码器、第一无线通讯模块，编码器分别设置于灭火机器人中移动平台的电机转轴或车轮上，且每个电机转轴或车轮上均安装编码器。
具体的，所述灭火机器人还包括消防水炮、水炮自动调整组件，消防水炮设置于灭火机器人移动平台上部，消防水炮与后方消防管路连接，水炮自动调整组件设置于消防水炮上，对消防水炮喷射姿态进行变换，水炮自动调整组件连接灭火机器人的第一控制模块并受其控制。
具体的，所述侦察机器人的移动平台为履带式、轮式或其它常规移动机构，内置供电机构、驱动器和电机结构，第一无线通讯模块安装在侦察机器人的移动平台内部，第一通讯天线设置于侦察机器人的外壳壳体上，第一通讯天线的底部与第一无线通讯模块连接，第一控制模块设置于侦察机器人内部，第一控制模块连接编码器、第一无线通讯模块，编码器分别设置于侦察机器人中移动平台的电机转轴或车轮上，且每个电机转轴或车轮上均安装编码器。
具体的，所述侦察机器人还包括参数采集模块、双目立体相机、三维云台，参数采集模块、三维云台均设置于侦察机器人上，双目立体相机设置于三维云台上，参数采集模块、双目立体相机、三维云台均与侦察机器人的第一控制模块连接。
具体的，所述第二控制模块、第二无线通讯模块均设置于主控台内部，第二控制模块用以指令下达、数据解析、计算各机器人相对空间位置，第二控制模块连接第二无线通讯模块，第二无线通讯模块与第三无线通讯模块、第一无线通讯模块通讯连接，并测定不同通讯模块间的耗时以及计算通讯主体间的距离；第二通讯天线设置于主控台外部，第二通讯天线连接第二无线通讯模块。
具体的，所述主控台为操作台结构，内部设置有常规供电机构，外部设置有控制输入机构和显示机构。
具体的，所述第三无线通讯模块和第三控制模块设置于辅助基站内部，用以信号数据接收、发送和解析计算，第三控制模块连接第三无线通讯模块，第三无线通讯模块连接第三通讯天线进行信号发送和接收。
具体的，所述辅助基站设置于主控台一旁，辅助基站相对主控台的空间位置关系提前测得。
本实用新型具有以下有益效果：
1)本实用新型通过灭火机器人、侦察机器人、主控台、辅助基站，采用平面定位法，实现侦察机器人和灭火机器人实时定位，从而快速获取各机器人相对主控台和辅助基站的相对位置，便于对机器人反推空间定位、控制和管理。
2)采用侦察机器人和灭火机器人配合作业，通过侦察机器人在前方获取火源等兴趣点的空间位置，而后进行空间坐标变换实现灭火机器人精准定点灭火，在识别火源等目标点时不受水炮水流等障碍物影响，大大提高侦察效率和火源等目标点的识别效率。
3)采用编码器补偿和推算机理，实现对机器人前后位置的大致估算和偏转角度计算，以较低的成本即可获取机器人相对偏转方位，降低机器人复杂度和成本，提高测量效率和系统稳定性。
4)本实用新型中的机器人定位、侦察和灭火不受任何室内或室外环境影响，应用范围更广，通过实时快速定位、侦察和灭火，从而极大的缩减抢救准备时间。
5)本实用新型可实现对灾害现场火源等危险源的全自动识别、定位和灭火机器人自动瞄准功能，从而提高现场处置速度，提高危险源处置效率，降低人员损伤和财产损失。
附图说明
图1是本实用新型消防机器人全自动协同侦察和灭火系统结构示意图。
图2是本实用新型灭火机器人主视结构示意图。
图3是本实用新型灭火机器人内部立体结构示意图。
图4是本实用新型侦察灭火机器人主视结构示意图。
图5是本实用新型侦察机器人内部立体结构示意图。
图6是本实用新型主控台立体结构示意图。
图7是本实用新型辅助基站立体结构示意图。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例，对本实用新型的技术方案做进一步描述，但是本实用新型的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本实用新型构思的改变或等同替代均包括在本实用新型的保护范围之内。
如图1所示，一种消防机器人全自动协同侦察和灭火系统，包括灭火机器人1、侦察机器人2、主控台3、辅助基站4。灭火机器人1和侦察机器人2分别实现对火源等目标点的精准定点灭火和侦察；主控台3主要实现指令下达和现场数据解析、推算机器人位置坐标，计算灭火机器人消防水炮喷射角度；辅助基站4用以辅助空间定位。
如图3所示，灭火机器人1包括移动平台a、第一无线通讯模块b、第一通讯天线c、第一控制模块d、编码器e，移动平台a为履带式、轮式或其它常规移动机构，内置供电机构、驱动器和电机结构，用以驱动灭火机器人1在地面移动。第一无线通讯模块b安装在灭火机器人1的移动平台a内部，用以实现灭火机器人1与侦察机器人2、主控台3、辅助基站4之间通讯；该通讯内容不仅包含进行指令下达、状态返回或参数回传，还包括通过任意要通讯的主体之间发送指令和获取应答指令后的时间间隔，获取两通讯主体间的空间距离。第一通讯天线c设置于灭火机器人1的外壳壳体上，第一通讯天线c的底部与第一无线通讯模块b连接，用以实现信号调制和解调、信号发送和接受。第一控制模块d设置于灭火机器人1内部，第一控制模块d连接编码器e、第一无线通讯模块b等，用以实现对灭火机器人1中移动平台a、上装设备的控制，还包括控制第一无线通讯模块b接收和发送参数。编码器e分别设置于灭火机器人1中移动平台a的电机转轴或车轮上，且每个电机转轴或车轮上均安装编码器e，用以测定移动平台a运动的距离，从而推算其运动艏向角。
如图2所示，灭火机器人1还至少包括消防水炮11、水炮自动调整组件12，消防水炮11设置于灭火机器人移动平台a上部，消防水炮11与后方消防管路连接用于进行灭火。水炮自动调整组件12设置于消防水炮11上，用以实现对消防水炮11喷射姿态变换，从而使消防水炮11进行水平、垂向角度调整，可进行喷水、喷雾等喷射形式变换，实现最终水流或水雾喷射轨迹的实时变化。水炮自动调整组件12连接灭火机器人1的第一控制模块d并受其控制。消防水炮11、水炮自动调整组件12的详细结构可参见申请号为201811138551.9的一种全地形消防机器人及工作方法中消防水炮系统200的结构。
如图5所示，侦察机器人2包括移动平台a、第一无线通讯模块b、第一通讯天线c、第一控制模块d、编码器e，移动平台a为履带式、轮式或其它常规移动机构，内置供电机构、驱动器和电机结构，用以驱动侦察机器人2在地面移动。第一无线通讯模块b安装在侦察机器人2的移动平台a内部，用以实现侦察机器人2与灭火机器人1、主控台3、辅助基站4之间通讯；该通讯内容不仅包含进行指令下达、状态返回或参数回传，还包括通过任意要通讯的主体之间发送指令和获取应答指令后的时间间隔，获取两通讯主体间的空间距离。第一通讯天线c设置于侦察机器人2的外壳壳体上，第一通讯天线c的底部与第一无线通讯模块b连接，用以实现信号调制和解调、信号发送和接受。第一控制模块d设置于侦察机器人2内部，第一控制模块d连接编码器e、第一无线通讯模块b等，用以实现对侦察机器人2中移动平台a、上装设备的控制，还包括控制第一无线通讯模块b接收和发送参数。编码器e分别设置于侦察机器人2中移动平台a的电机转轴或车轮上，且每个电机转轴或车轮上均安装编码器e，用以测定移动平台a运动的距离，从而推算其运动艏向角。
如图4所示，侦察机器人2还至少包括参数采集模块21、双目立体相机22、三维云台23。参数采集模块21设置于侦察机器人2上方，可实现对移动平台a前方或周围灾害现场参数进行侦察并实时回传，其中参数采集模块21还与第一控制模块d连接并受其控制作用。双目立体相机22设置于三维云台23上，利用双目立体成像原理对前方目标点空间定位，并将目标点相对双目立体相机22的空间位置信息返回。其中双目立体相机22还与第一控制模块d连接并受其控制作用。三维云台23设置于侦察机器人2上方，可带动双目立体相机22实现自身相对侦察机器人2的三维旋转，从而使双目立体相机22可观察和采集任意空间中目标点的图像或视频流。三维云台23还与第一控制模块d连接。
如图6所示，主控台3为操作台结构，内部设置有常规供电机构，外部设置有控制输入机构和显示机构等供工作人员控制干预、查看现场环境参数并分析决策。主控台3包括第二控制模块31、第二无线通讯模块32、第二通讯天线33，第二控制模块31、第二无线通讯模块32均设置于主控台3内部，第二控制模块31用以指令下达、数据解析、计算各机器人相对空间位置等，第二控制模块31连接第二无线通讯模块32，第二无线通讯模块32主要实现通讯等功能，例如与第三无线通讯模块41、第一无线通讯模块b通讯，并测定不同通讯模块间的耗时，计算通讯主体间的距离。第二通讯天线33设置于主控台3外部，第二通讯天线33连接第二无线通讯模块32，用以实现信号发送和接收。
如图7所示，辅助基站4包括第三无线通讯模块41、第三通讯天线42、第三控制模块43；辅助基站4主要用于辅助消防机器人1和侦察机器人2定位作用，辅助基站4设置于主控台3一旁，辅助基站4相对主控台3的空间位置关系提前测得。第三无线通讯模块41和第三控制模块43设置于辅助基站4内部，用以信号数据接收、发送和解析计算，第三控制模块43连接第三无线通讯模块41实现控制作用，第三无线通讯模块41连接第三通讯天线42实现信号发送和接收。
1、侦察机器人和灭火机器人协同工作方法如下：
1)放置主控台3，并将其空间位置定义为(0,0,z1)，其中z1高度可根据前期设计或现场快速测量；
2)放置辅助基站4，并将其空间位置定义为(x2,y2,z2)，其中x2,y2参数可根据现场直接测量获得，z2的高度同样可根据前期设计或现场快速测量；
3)从相对主控台3附近已知的位置布置侦察机器人2和灭火机器人1；
4)第二控制模块31下达侦察和灭火指令，侦察机器人2和灭火机器人1中的第一控制模块d回应，此时第三控制模块43也通过第三无线通讯模块41给出应答；
5)第一控制模块d控制灭火机器人1和侦察机器人2中的移动平台a前进，在此过程中编码器e实时计算机器人左右轮偏转角度并反馈至第二控制模块31；
6)当灭火机器人1和侦察机器人2到达工作位置后，侦察机器人2的第一控制模块d控制侦察机器人2工作：第一控制模块d控制驱动参数采集模块21工作并将现场环境参数回传，控制三维云台23转动，从而带动双目立体相机22对火源寻找，当确定火源位置后，双目立体相机22通过第一控制模块d和第一无线通讯模块b将火源目标点相对侦察机器人2的空间位置返回；
7)在步骤6)进行的同时，第二控制模块31通过第二无线通讯模块32发出距离测算指令，此时辅助基站4中的第三控制模块43通过第三无线通讯模块41响应；此外，各机器人中第一无线通讯模块b也发出回应，第二控制模块31通过第二无线通讯模块32计算通信信号从主控台3到达灭火机器人1和侦察机器人2间的通讯时间，从而推算出主控台3距离灭火机器人1和侦察机器人2的空间距离；第三控制模块43通过第三无线通讯模块41计算通信信号从辅助基站4到达灭火机器人1和侦察机器人2间的通讯时间，从而推算出辅助基站4距离灭火机器人1和侦察机器人2的空间距离；
8)同时，第一控制模块d通过编码器e计算出灭火机器人1和侦察机器人2的相对出发点偏转角度，根据平面解析法容易获得灭火机器人1、侦察机器人2、主控台3和辅助基站4间的相对位置；而后，根据火源相对侦察机器人2的空间位置关系，从而获得灭火机器人1相对火源等目标点的空间位置关系；
9)第二控制模块31计算灭火机器人1偏转角度和水炮应喷射角度等数据后，将指令下达至灭火机器人1，灭火机器人1中的第一控制模块d配合编码器e检测偏转角度参数，驱动灭火机器人1对准火源，而后根据第二控制模块31控制水炮自动调整组件12使消防水炮11调整至合适角度进行定点喷射灭火。
2.侦察机器人和灭火机器人空间控制解析方法如下：
机器人的布局和位置推算原理图如图1所示：
1)主控台测定到与灭火机器人的距离为l1，辅助基站测定到与灭火机器人的距离为l2，并以此分别为半径作圆，可以看到两个圆圈交于空间a和a’点；
2)主控台测定到与侦察机器人的空间距离为l3，辅助基站测定到与侦察机器人的空间距离为l4，并以此分别为半径作圆，可以看到两个圆圈交于空间b和b’点；
3)在布放主控台3、辅助基站4、侦察机器人2和灭火机器人1后，根据编码器e返回的数据可推算出机器人行走轨迹相对布放主控台3、辅助基站4的位置，从而可将奇异点a’和b’排除，从而获得侦察机器人和灭火机器人相对主控台3、辅助基站4的平面位置关系；
4)配合编码器e返回的侦察机器人2和灭火机器人1偏转角度和双目立体相机22获取的火源位置信息，从而可获得侦察机器人2和灭火机器人1相对主控台3、辅助基站4和火源的三维空间几何关系，从而为后续空间关系推算和灭火提供依据。
进一步的，在侦察机器人2对火源侦察中，第一控制模块d还应实时三维云台23相对转动的角度，从而为双目立体相机22获取的火源等目标点相对侦察机器人2上移动平台a的空间关系进行反推补偿。
进一步的，当对上述辅助基站4的布放位置参数x2、y2不方便测量时，可通过如下方法获取：第二控制模块31通过第二无线通讯模块32发出距离测定指令，第三控制模块43通过第三无线通讯模块41进行应答，从而获得主控台3和辅助基站4之间的距离信息并以主控台3和辅助基站4的连线作为起始的坐标轴。
本实用新型中未详细描述的消防机器人1和侦察机器人2的其他必要结构均属于现有技术，可参照申请人在本实用新型的申请日以前提出的专利申请中的机器人结构。
本实用新型不局限于上述实施方式，任何人应得知在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。
本实用新型未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
1.一种消防机器人全自动协同侦察和灭火系统，其特征在于，包括灭火机器人、侦察机器人、主控台、辅助基站，所述灭火机器人和侦察机器人均包括移动平台、第一无线通讯模块、第一通讯天线、第一控制模块、编码器，主控台包括第二控制模块、第二无线通讯模块、第二通讯天线；辅助基站包括第三无线通讯模块、第三通讯天线、第三控制模块；灭火机器人通过第一无线通讯模块与侦察机器人、主控台、辅助基站无线连接，侦察机器人通过第一无线通讯模块与灭火机器人、主控台、辅助基站无线连接。
2.如权利要求1所述的消防机器人全自动协同侦察和灭火系统，其特征在于，所述灭火机器人的移动平台为履带式或轮式移动机构，内置供电机构、驱动器和电机结构，第一无线通讯模块安装在灭火机器人的移动平台内部，第一通讯天线设置于灭火机器人的外壳壳体上，第一通讯天线的底部与第一无线通讯模块连接，第一控制模块设置于灭火机器人内部，第一控制模块连接编码器、第一无线通讯模块，编码器分别设置于灭火机器人中移动平台的电机转轴或车轮上，且每个电机转轴或车轮上均安装编码器。
3.如权利要求1或2所述的消防机器人全自动协同侦察和灭火系统，其特征在于，所述灭火机器人还包括消防水炮、水炮自动调整组件，消防水炮设置于灭火机器人移动平台上部，消防水炮与后方消防管路连接，水炮自动调整组件设置于消防水炮上，对消防水炮喷射姿态进行变换，水炮自动调整组件连接灭火机器人的第一控制模块并受其控制。
4.如权利要求1所述的消防机器人全自动协同侦察和灭火系统，其特征在于，所述侦察机器人的移动平台为履带式或轮式移动机构，内置供电机构、驱动器和电机结构，第一无线通讯模块安装在侦察机器人的移动平台内部，第一通讯天线设置于侦察机器人的外壳壳体上，第一通讯天线的底部与第一无线通讯模块连接，第一控制模块设置于侦察机器人内部，第一控制模块连接编码器、第一无线通讯模块，编码器分别设置于侦察机器人中移动平台的电机转轴或车轮上，且每个电机转轴或车轮上均安装编码器。
5.如权利要求1或4所述的消防机器人全自动协同侦察和灭火系统，其特征在于，所述侦察机器人还包括参数采集模块、双目立体相机、三维云台，参数采集模块、三维云台均设置于侦察机器人上，双目立体相机设置于三维云台上，参数采集模块、双目立体相机、三维云台均与侦察机器人的第一控制模块连接。
6.如权利要求1所述的消防机器人全自动协同侦察和灭火系统，其特征在于，所述第二控制模块、第二无线通讯模块均设置于主控台内部，第二控制模块用以指令下达、数据解析、计算各机器人相对空间位置，第二控制模块连接第二无线通讯模块，第二无线通讯模块与第三无线通讯模块、第一无线通讯模块通讯连接，并测定不同通讯模块间的耗时以及计算通讯主体间的距离；第二通讯天线设置于主控台外部，第二通讯天线连接第二无线通讯模块。
7.如权利要求1或6所述的消防机器人全自动协同侦察和灭火系统，其特征在于，所述主控台为操作台结构，内部设置有供电机构，外部设置有控制输入机构和显示机构。
8.如权利要求1所述的消防机器人全自动协同侦察和灭火系统，其特征在于，所述第三无线通讯模块和第三控制模块设置于辅助基站内部，用以信号数据接收、发送和解析计算，第三控制模块连接第三无线通讯模块，第三无线通讯模块连接第三通讯天线进行信号发送和接收。
9.如权利要求1所述的消防机器人全自动协同侦察和灭火系统，其特征在于，所述辅助基站设置于主控台一旁，辅助基站相对主控台的空间位置关系提前测得。
技术总结