智能预警灭火机器人的制作方法

智能预警灭火机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种智能预警灭火机器人，它由轮式车上安装温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、云台摄像机、自由度机械手、灭火器、控制器构成，两自由度机械手环抱安装在灭火器侧，温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、云台摄像机、自由度机械手依电回路方式连接控制器。本发明抗干扰能力强，空间适用性好，可以监测到火灾初期细微火源的火灾火焰视频，火灾预警准确度高，误报率低。
【专利说明】智能预警灭火机器人

【技术领域】
[0001] 本发明属于公共安全领域，涉及火灾火焰检测预警及机器人灭火系统，具体涉及 一种自动巡检的智能预警灭火机器人。

【背景技术】
[0002] 火灾猛如虎！火灾是威胁人类生存的重大隐患，随着社会发展步伐的加快，尤其 是近年来，频发的火灾给人们造成了重大的生命和财产损失。据统计，我国2011年共发生 火灾125402起，造成1106人死亡，直接经济损失19. 8亿元。2011年6月上海发生的特大 火灾，造成58人死亡，直接经济损失1. 58亿元。利用现代高科技手段及时地发现火灾源并 及时采取有效消防措施扑灭初期火焰，可以大大减少各种损失，灭火机器人无疑为我们提 供了最好的选择。
[0003] 大多数火灾发生之所以能造成重大伤亡事故和重大财产损失，其主要原因有：1、 火情发现不及时，在一些重要场所，如仓库、实验室、车间等没有定时巡回检测火焰的设备， 特别是易引起自燃的场所或火灾易发的化工车间等场所，如果不配备能巡回检测设备，就 不能及时发现火情，致使早期的小火很快蔓延成大火，给后来的灭火造成困难，以致酿成大 祸；2、有些虽然有火焰检测装置，如监控摄像头等，但由于火情信息传送延迟，不能在火灾 发生的初期采取有效灭火措施，也会造成重大的火灾损失。
[0004] 众所周知，要灭火，首先得火灾检测，火焰检测大约经历了从感温检测一离子感烟 检测一光电感烟检测一气敏检测一红外检测一视频检测的发展历程。作为传统的火灾检测 的感温、感烟、气敏类探测器主要用于室内小范围的火灾检测，具有空间适用性有限、信息 可靠性差、易受外界干扰等缺点。而红外探测器的价格昂贵，限制了其使用范围。视频探测 器是一种以图像处理技术为基础的火灾检测器，利用摄像机监控监测点情景，通过对所捕 捉的视频信息进行处理、分析，进而实现火灾火焰的检测和火灾的预警，抗干扰能力较强， 空间适用性强。视频火灾预警技术中，火灾火焰检测方法是核心，虽然国内专家在近几年对 视频火灾火焰检测方法开展了一定的研究开发工作，但是成熟的技术鲜有应用，相应的产 品也很少面世。


【发明内容】

[0005] 本发明的目的在于：提供一种智能预警灭火机器人，抗干扰能力强，空间适用性 好，可以监测到火灾初期细微火源的火灾火焰视频，火灾预警准确度高，误报率低。
[0006] 本发明的技术解决方案是：该智能预警灭火机器人由轮式车上安装温度传感器、 烟雾传感器、火焰传感器、云台摄像机、两自由度机械手、灭火器、控制器构成；利用云台摄 像机所拍火灾火焰图像，通过计算实现预警灭火机器人对火源的定位；灭火器安装在两自 由度机械手平台上，利用机械手上所配摄像机图像来实现灭火器喷嘴对准火源，准确完成 灭火；温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、云台摄像机、两自由度机械手依电回路方式连 接控制器。
[0007] 工作时，轮式车移动，通过温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器和云台摄像机巡 回检测待检测的场所，经多数据融合和智能化分析给出即时的火灾火情状态，再利用图像 信号的分析和处理得到火源的具体方位，根据火情给出相应预警信号，并通过无线网络实 现预警信号的传输和发送，同时通过两自由度机械手启动便携式灭火器实时灭火。
[0008] 本发明的优点是： 1、与传统火灾检测系统相比，本发明的预警灭火机器人能及时检测发现火情，即时消 除初期火情，及时传输火情信息，将火灾消灭在初期萌芽状态。
[0009] 2、空间适用性强，既可以用于仓库、实验室类室内小范围的火灾监测及预警，也可 以用于森林类大范围火灾监测及预警。
[0010] 3、采用网络视频C⑶摄像头获取监测点图像，利用数字图像处理技术使预警有较 高的抗干扰能力和网络化特征，与红外火灾监测系统相比性价比较高。
[0011] 4、对火灾火焰的静态和动态特征进行信息融合，给出一种基于神经网络与D-S证 据判决的火灾判别算法，能快速判别预警，误判率较低。
[0012] 5、采用三级火灾火焰预警，能够根据现场实时火焰实现预警智能化，科学合理并 有序地调度火灾发生时的人力、财力。
[0013] 6、本发明的预警灭火机器人比传统灭火机器人更加智能化，可以避免火灾损失或 将火灾可能造成的重大损失减小到最低。
[0014] 7、预警灭火机器人是集火焰巡回检测、火灾预警、启动灭火于一体的智能灭火装 置，基于多特征信息融合的火灾火焰判别，通过定时巡回检测，及时发现火情，并通过网络 及时发布火灾预警信息的同时即时启动机载灭火器实施有效灭火，将火灾消灭在初期萌芽 状态，有效避免初期火灾的蔓延，保证及时发现火情、即时消除初期小火情、及时传输火情 信息。
[0015] 8、采用四层智能慎思-反应体系结构：感知层、慎思层(智能决策层)、反应层(控 制层）和执行层，整体系统采用基于物联网的分布式系统架构来部署设备，增强了系统的智 能化程度和适用性，结合火情预警阈值能实现火灾的三级预警模式。
[0016] 9、本预警灭火机器人旨在及时监测发现火情、即时反应消除火情、及时发送传输 火情信息，尽可能将火灾消灭在萌芽状态，这是本发明所述预警灭火机器人的最大特点和 优势，也是本发明区别于传统消防、灭火概念的最显著的标志。
[0017] 10、本发明在火灾火焰检测识别、火源定位方面利用了温度、烟雾、火焰以及图像 等信息的融合技术，提高了火灾判别准确度，误判率较低。

【专利附图】

【附图说明】
[0018] 图1为预警灭火机器人总体结构示意图。
[0019] 图2为预警灭火机器人四层体系架构图。
[0020] 图3是预警灭火机器人硬件结构框图。
[0021] 图4为基于云台角度判断火焰目标示意图。
[0022] 图5为手机报警系统技术选型示意图。
[0023] 图6为短信报警子系统软件结构流程图。

【具体实施方式】
[0024] 下面结合具体附图进一步说明本发明的技术解决方案，不能理解为是对技术方案 的限制，在本技术方案的基础上的合理变化都属于本发明的保护范围。
[0025] 如图1所示，该智能预警灭火机器人由轮式车上安装温度传感器、烟雾传感器、火 焰传感器、云台摄像机、自由度机械手、灭火器、控制器构成，两自由度机械手环抱安装在灭 火器侧，温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、云台摄像机、自由度机械手依电回路方式连 接控制器。
[0026] 如图2、3所示，本发明的预警灭火机器人包括以下各系统： 1、 火灾火焰巡回检测系统：包括轮式车及安装在其上的温度传感器、烟雾传感器、火焰 传感器和CCD云台摄像机、红外测距传感器，利用这些传感器和数据信息融合来完成火灾 火焰的准确识别、火源定位以及轮式车的实时避障；其中CCD云台摄像头支持WiFi无线传 输，同时支持TCP/IP网络远程图像传输，并具有动态检测录像功能，负责实时完成火灾火 焰图像采集，按照预先设置的转动范围(水平300度、垂直90度）定时扫描监控现场； 2、 基于DSP的数据融合决策系统：以TI公司TMS320C6713为核心芯片，利用ARM系统 所传送的火灾火焰温度、烟雾、图像、实时火焰等信息，利用智能信息处理技术实现火灾火 焰的特征识别、信息融合、预警级别判断、智能决策等功能； 3、 基于局域网的火警数据无线传输系统：采用标准的Http协议，通过相应端口传输相 关数据，利用该协议传输的优点是可以轻易的穿透防火墙和NAT，同时使用无连接Http协 议可以降低带宽的占有量，通信传输的数据包结构体如下表所示，同时对传输中的报警数 据进行DES对称加密处理，利用Base64进行加密，VC与Java通用，在接收端进行解密和校 验，保证报警数据传输的安全性和完整性； 数据包结构表

【权利要求】
1. 智能预警灭火机器人，其特征是：它由轮式车上安装温度传感器、烟雾传感器、火焰 传感器、云台摄像机、自由度机械手、灭火器、控制器构成，两自由度机械手环抱安装在灭火 器侧，温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器、云台摄像机、自由度机械手依电回路方式连接 控制器。
2. 根据权利要求1所述的智能预警灭火机器人，其特征是该预警灭火机器人包括以 下各系统： (1) 火灾火焰巡回检测系统：包括轮式车及安装在其上的温度传感器、烟雾传感器、火 焰传感器和CCD云台摄像机、红外测距传感器，利用这些传感器和数据信息融合来完成火 灾火焰的准确识别、火源定位以及轮式车的实时避障；其中CCD云台摄像头支持WiFi无线 传输，同时支持TCP/IP网络远程图像传输，并具有动态检测录像功能，负责实时完成火灾 火焰图像采集，按照预先设置的转动范围(水平300度、垂直90度）定时扫描监控现场； (2) 基于DSP的数据融合决策系统：以TI公司TMS320C6713为核心芯片，利用ARM系 统所传送的火灾火焰温度、烟雾、图像、实时火焰等信息，利用智能信息处理技术实现火灾 火焰的特征识别、信息融合、预警级别判断、智能决策等功能； (3) 基于局域网的火警数据无线传输系统：采用标准的Http协议，通过相应端口传输 相关数据，利用该协议传输的优点轻易的穿透防火墙和NAT，同时使用无连接Http协议降 低带宽的占有量，对传输中的报警数据进行DES对称加密处理，利用Base64进行加密，VC与 Java通用，在接收端进行解密和校验； (4) 两自由度机械手灭火系统：将干粉型灭火器安装在一个两自由度平台上，利用图像 跟踪技术，实时调整方位，并达到灭火器喷头对准火源中心，利用继电器开启灭火器，进而 实现灭火； (5 )云台摄像机控制模块：云台摄像机用于实现对目标火焰的定位和跟踪，一旦有火灾 火焰出现，首先通过云台摄像机检测到火焰发生的位置和方向，然后驱动机器人趋近火灾 火焰，并启动机械手操作灭火器来完成灭火任务；采用EVI-D100P彩色的CCD摄像机，从PC 机由VISCATM规程进行RS-232串联控制，通讯协议同EVI-D30/EVI-D31 ; (6) 多传感器火灾信息融合模块：在分析火灾火焰识别判别特征后，在D-S证据判决理 论的基础上，采用卡尔曼加权融合算法相结合进行火灾火焰判断；首先采集室内环境的火 灾火焰数据样本，通过D-S证据判决理论和神经网络对样本数据进行训练获得四种火灾火 焰特征的权值和阈值，进行归一化处理获得最终权值，然后利用多特征融合算法获得最终 判决结果；在其他室外或复杂环境下，需要重新进行样本采集和神经网络的学习，确定更合 适多特征融合权值； (7) 火灾模糊推理的三级智能预警模块：预警系统采用三级预警模式，现场声光预警， 远程短信息预警和网络预警；发生一级火情时，安装在被监测区的监测点内的声音报警器 和警报灯负责实现现场声光预警，预警指令由监测点位控制模块自主下达；Android手机 服务器通过Java Servlet实时访问预警数据库并在监测点发现二级火情时向指定责任人 发送预警短消息以实现远程短信息预警，无线传输利用WiFi技术，预警数据的传输采用加 密传输，确保数据的安全性；当火灾火焰检测系统传达的火情达到最高三级时，跳出报警窗 口和图片，实现网络报警，并传送现场火灾实况； (8) 基于图像的火源识别定位模块：在云台跟踪目标火焰的过程中，实时的将自身转动 的角度信息反馈给上位机，基于云台的角度信息计算目标火焰与移动机器人的相对位置； (9) 基于测距和路径规划的实时避障模块：基于安装在移动机器人左右两侧和前方的 红外传感器及激光测距传感器信号，机器人实时实现避障功能，并实现相应路径规划和导 航； (10) 基于WiFi的无线网络信息传输模块：由DSP系统经信息融合算法得到的火警信息 需要即时发送到服务器和相关部门的责任人，利用WiFi技术的无线网络传输功能来实现， 无线网络传输模块主要由通信协议完成； (11) 基于Android技术的手机火灾预警信息传输模块：短信报警模块是室内的一个 Android的手机服务器通过Java Servlet实时访问报警数据库，当检测到该区域内有火灾 报警信息，则手机服务器自动将报警信息和位置发送到指定的负责人，通知负责人采取措 施进行灭火；Android客户端应用使用Java技术，网络通信使用Apache HTTP协议客户端， 中间Web服务器采用Servlet响应客户请求；后台数据库采用数据库连接池访问数据库，客 户端的一部分存储采用SQLite数据库； (12) 声音报警子系统：当灭火机器人通过Timer定时访问远端报警数据库，若检测到 室内空间的任一 CCD摄像头所对应的报警数据库发生变化，则对应的室内空间产生火灾报 警信息，机器人就会在第一时间产生声音报警，警示周围的人员有火灾险情，提示尽快撤 离，同时机器人开始搜索灭火；声音报警子系统是在灭火机器人和检测终端同时具备，调用 报警声音的VC运行代码； (13) 两自由度机器手灭火系统控制模块：利用图像信息完成火源目标的方位识别，及 时控制两自由度平台，实现干粉灭火器的喷头准确对准火源中心，并即时开启灭火器完成 灭火； (14) 视频管理模块：采用通用视频管理模块，图像采集卡获得所述网络视频CCD摄像 头的实时图像，用数字图像处理技术处理获得图像后，调用火灾火焰判别程序，给出是否有 火情的判断结论，若是有火情给出火情级别的判断结论。
3.根据权利要求2所述的智能预警灭火机器人，其特征是火灾火焰数据融合的判别 方法和实时预警阈值的获取方法包括以下步骤： 步骤一：所述网络视频CCD摄像头完成现场成像，图像采集卡获得所述网络视频CCD摄 像头传输过来的现场的数字图像，利用数字图像处理技术并对该数字图像进行预处理； 步骤二：利用灰度域值化技术通过比较前后两帧图像的灰度域值的变化检测火灾火焰 的运动特征；通过比较前后两帧图像火焰面积是否有增长检测火灾火焰的面积变化特征； HIS色彩空间内检测火焰颜色特征；通过提取火灾火焰的圆形度特征实现对环境自然光和 日光灯亮度信息等背景干扰的区分；提取火灾火焰的尖角数目，利用火灾火焰的尖角数目 随着燃烧时间呈现不规则变化的规律的特点将火灾火焰的尖角数目的变化作为火灾判据 之一；火灾火焰燃烧初期的主频率在12Hz以内，因此提取火灾火焰的闪烁特征作为火灾判 据之一； 步骤三：采集监测点的火灾火焰数据样本，选用先行对所述监测点的火灾火焰数据样 本进行训练获得包括火灾火焰颜色特征、火灾火焰的圆形度特征、火灾火焰的尖角数目和 火灾火焰的闪烁频率特征这四种火灾火焰特征的权值和阈值； 步骤四：利用公式（1)得到火灾火焰预警阈值：
式中为第i个火灾火焰特征输t
，怂表示无火灾火焰，巧 表示有火灾火焰；
，巧（H。）和巧（尽）为 第i个火灾火焰特征的检测概率和误判概率，利用上述所检测到的实时阈值与经验阈值比 较来实现火灾火焰实时检测和预警。
【文档编号】G08B17/00GK104299351SQ201410565265
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月22日 优先权日:2014年10月22日
【发明者】段锁林, 周玉勤, 郑剑锋, 王雪, 靳琪琳 申请人:常州大学, 江苏润仪仪表有限公司