基于多传感器信息融合技术的室内火灾搜救型机器人设计＊

李铁妮，朱浩然，葛宇航

（武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

据公安部有关调查资料表明，2016年，全国共有31.2万起接报火灾事故，死亡1 582人，受伤1 065人，直接财产损失达37.2亿元。近年来，我国火灾事故频发，由于事故灾难等救助制度和设备管理等各方面存在不足，导致救援实施十分困难[1]。然而，针对室内消防机器人的研究仍不够充分，目前室内消防的主要方式是以固定消防喷头配合覆盖目标区域的传感器预警机制，此种方式存在灭火设施指向性不强、实际效果差等缺点。为解决上述问题，本项目设计一种室内搜救型机器人，实现智能搜索被困人员及辅助救援等功能。

1 装置整体设计

该机器人由支撑结构模块、动力模块、避障模块、视觉感应模块和无线传输模块等构成。机器人整体系统工作流程如图1所示。其中，支撑模块是承重部分，保证机器人其他模块可以正常工作；动力模块为机器人提供动力，内含电机驱动；避障模块由超声波测距和红外避障传感器构成，为机器人路线优化进行支持；通讯模块将机器人获得的图像实时传送至操作人员，辅助救援。

图1 机器人整体工作流程示意图

2 支撑结构模块

机器人的支撑结构是机器人主要受力的载体，要求强度高，不易变形，质量轻，易于加工。机器人的结构设计要求如下：①底盘有一定的离地间隙，方便安装传感器；②机器人平台结构长与宽尽量接近正方形，在转弯时能减少撞墙的可能；③上部尽量平整，方便上部传感器的安装；④考虑经济性，在保证使用要求的前提下，尽量选用较为常见易得的材料。

通常机器人的底盘是由铝板折弯或者是用高强度的塑料板制作。铝合金材料熔点为550～700℃，可以抵抗火灾现场的高温环境，并且物理性质优秀，塑性高，易弯曲，经折边后强度有很大提高，且便于其他零部件的安装。因此，机器人的整体结构选用高强度铝合金材料制作，用于适应火灾现场高温的恶劣环境。

3 动力模块

机器人的移动方式主要分为三种：轮式、履带式、足式。轮式其结构组成简单，摩擦阻力小，机械效率高，但是轮式行进方式具有不稳定的缺点，且轮胎材料不耐高温，无法适应火灾的高温环境。

足式机器人可以适应复杂的地形，能耗较低且速度较快，但是实现难度大，行走状态不稳定。履带式行走机器人的行走机构支撑面积大，接地比压小，对不同的路况都具有较强的适应性，且履带材质采用耐高温的金属材料，可以适应复杂的室内火灾场所。

因此，本项目选用履带式移动方式。对火场高温环境特点，消防机器人轮胎选用耐高温橡胶材料，同时车身配有自喷淋系统对机器人附近环境进行降温，防止轮胎出现高温损坏而发生故障。其两侧履带通过电机驱动使小车移动，依靠其速度差实现小车的转向。

4 避障模块

机器人避障模块的主要作用是在机器人的行走路径过程中，识别障碍物并发出警报避免碰触。避障模块主要由红外检测传感器和超声波测距传感器构成。

红外避障传感器采用目前较为先进的由夏普公司生产的GP2Y0A02YK0F红外测距传感器。它由PSD（位置敏感探测器）、红外发光二极管和信号处理电路组成。该元件采用三角测量法，使输出电压与探测距离成反比。红外线发射器按照一定的角度发射红外线光束，当遇到物体时，光束会反射回来。反射回来的红外光线通过滤镜被CCD检测器检测到，得到一个偏移值L.应用三角关系，已知偏移距L，中心矩x和滤镜的焦距f，可以根据式（1）计算出传感器到物体的距离y：

超声波测距传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波，而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。该项目采用性能较为稳定且应用广泛的HC-SR04型号传感器。

超声波测距的原理采用TOF方法（渡越时间法）。通过计时器测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间t，根据式（2）计算得到传感器与障碍物的距离y：

式（2）中：c为机械波在介质中的传输速率。

5 视觉感应模块

视觉感应模块由Kinect传感器组成。它是一种新的三维激光传感器，不但能获取环境的光学图像，还能获取检测物体的位置信息。该传感器获取的信息量丰富，结构简单，实时性强却稳定性较高，因此可以成为消防机器人环境感知的有效工具。

Kinect机身上有三种摄像头，分别是红外发射器、RGB摄像头、红外接收器。其中RGB摄像头用来采集彩色图像，图像尺寸为640×480，每秒最多能采集30帧图像。红外发射器和红外接收器用于采集深度图像，深度图像中每个像素点的值均表示该点到摄像头的距离。在Kinect的下方还有一个带内置马达的底座，通过调整底座的上下高度来调整Kinect的俯仰角，用于保证机器人可以获得完整的室内环境信息。Kinect可以通过输出一个RGB图像和深度数据来确定环境中每一个点的颜色信息和深度信息，并整合为一个图像输出。

6 通讯模块

通讯模块由信息发射电路和接收电路组成。将机器人在室内获得的信息通过无线传输发送给外围人员。数据无线通信系统实现了指挥站和机器人的双向数据交换。通讯讯模块采用的是ESP8266无线WiFi模块，主控制芯片是32位单片机ESP8266EX，内置了WiFi射频单元，可以控制WiFi射频的开关。本设计中通讯模块的功能是接发UDP数据、收集机器人获取的环境数据、实现电机驱动。