摘 要
随着物联网（IoT）技术的飞速发展，其在消防巡检领域的应用日益深入，特别是在仓库和商场等复杂环境中，物联网技术驱动的消防巡检先锋机器人正成为提升消防安全管理水平的重要力量。设计研发了一种智能消防巡检机器人，由激光雷达、 移动底盘、机械臂、高清摄像机、灭火剂、控制箱等组成。机器人具备遥操作、建图、自主导航、巡检、灭火等功能，通过感知周围环境完成自动导航避障。消防机器人基于火情报警信息，在移动到火警位置后，机器人调整灭火装置，对准火源喷射灭火剂实现灭火。机械臂可以对障碍物进行移除和工具的传递。设计的机器人具备机动灵活、 性能稳定等优点，能够有效完成设定灭火任务。
关键词：消防巡检机器人、物联网技术、自主导航、感知
一、项目背景
随着技术的不断发展，智能化消防灭火已经成为必然的趋势。孙宁等、张伟等设计了一种有履带带动的灭火机器人，由操作人员手控机器人；贾佳基于多种传感器设计了一款自主灭火机器人。虽然消防巡检机器人种类多，但在我国室内的还不是很广泛，尤其是针对商场、仓库这种人流量大、设备多的场所，对巡检机器人的智能化需求就更高。
本项目通过快速移动车机系统、自瞄准消防扑救系统与mesh自组网火场信息探测系统，实现快速自主巡检、小型火灾扑救与大型火灾火场四维信息的远程遥感探测功能，提高日常消防维保效率，并成为大型灾救援前的探测先锋。
二、功能设计
设计方向：
(1) 提高巡检效率与准确性
全天候工作能力：消防巡检先锋机器人具备全天候、无疲劳的工作能力，能够在任何时间、任何天气条件下进行巡检，打破了传统人工巡检受天气、环境限制的问题。
高精度巡检：机器人通过预设的轨迹和传感器自主完成巡检任务，能够实现高精度的数据采集和分析，有效避免了人工巡检中可能出现的错检、漏检等问题。
(2) 增强安全防护等级
危险环境作业：消防巡检先锋机器人能够替代消防人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场进行数据采集、处理、反馈，确保消防人员在安全距离外进行指挥和决策。
实时监测与报警：机器人搭载的传感器能够实时监测环境参数，如温度、烟雾浓度等，并在发现异常情况时及时报警，为火灾的防范和扑救提供宝贵的时间窗口。
(3) 降低人力成本与风险
减少人工巡检需求：消防巡检先锋机器人的应用可以大幅度减少人工巡检的需求，从而降低人力成本。
保护人员安全：在危险环境下，机器人能够代替人工进行巡检，有效保护了工作人员的安全，减少了因环境恶劣而可能导致的健康危害。
(4) 提升智能化水平
智能路径规划：机器人具备自主定位、智能避障和规划最优路径的能力，能够高效地完成巡检任务。
AI视频图像分析：通过AI技术，机器人可以对拍摄的人脸、车辆、仪表设备等视频图像进行综合分析研判，确保场所安全。
(5) 适应特殊场景需求
定制化设计：消防巡检先锋机器人可以根据不同消防场景的需求进行定制化设计，满足各种特殊环境下的巡检需求。
多功能集成：机器人可以集成多种功能，如红外测温、环境监测、燃气泄漏检测等，实现全方位、多角度的巡检覆盖。
主要功能：
1.基于激光雷达地图构建与SLAM自动导航系统
激光定位法相对于三边测量和定位算法，更加简单并且更容易被广泛使用，其通过旋转激光传感器来检测信标在传感器、环境和整体坐标系中的位置和方向可以用三角几何计算。SLAM空间坐标算法可以用于实现静态路网中最短路径的有效求解，正好适用与本项目巡检先锋机器人的活动环境，利用该算法为机器人规划出最优行进路径，节省机器人运动时间与电能消耗。
2.基于蓝牙mesh自组网的火场信息构建
蓝牙mesh模块基于蓝牙技术的无线网络拓扑结构，通过建立一个网状结构的自组织网络，实现多个设备之间的灵活通信和数据传输，从而达到各个位置的参数信息共享。创新设计球形机器人集群，通过蓝牙mesh自组网，将空间位置参数与环境参数包括温度、气体浓度、烟雾浓度等进行回传，消防巡检先锋机器人接收球形机器人集群发送的信息并发送至场外控制中心，构建出火场内部环境参数空间-时间四维信息。
巡检机器人自组网信号传输原理图
3.高集成度与高灵敏度的环境数据监测模组
本项目拟采用火焰、气体、烟雾监测模块，该模块可用于监测火源、一氧化碳浓度、烟雾浓度等，使用串口协议输出监测数据，通过功放模块语音报警提示，并基于GSM无线通信模块或WIFI模块将数据传输至云端，便于用户查看与分析监测数据，实现智能监测功能，为用户安全提供保障。
4.基于百度AI平台的语音交互系统
与传统语音识别方式相比，云语音识别只需在云端处理识别音频文件，无需采用价格高昂的语音识别模块。用户通过手机APP调用平台的SDK或API接口，APP将音频文件转换为JSON数据格式上传至百度AI平台进行在线识别，机器人主控通过WIFI模块接收识别结果并与内部数据匹配，实现人机实时语音交互功能。
百度AI平台语音交互流程图
5.实时数据监测与预警
物联网技术使得消防机器人能够实时收集并传输环境数据，如温度、烟雾浓度等。通过对数据的分析，可以及时发现火源，并启动预警系统，为消防人员提供及时、准确的火情信息。
6.远程精准操控与监控
定位技术和传感器，使得消防机器人能够精准定位火灾位置，并根据实时数据调整导航路径，确保最快速度到达火源并扑救。消防人员可以通过智能终端实时掌握机器人的工作状态和火灾情况，确保任务的高效执行。
自主导航实例
三、系统实现
硬件部分主要包括旭日X3派、STM32控制器、SLAM 激光雷达、IMX219摄像头、WM8960 Audio HAT音频转接板及双通道麦克风、DHT11数字温湿度传感器、BH1750光照度传感器。
1.感知层技术
传感器：DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，其内部由一个8位单片机控制一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。传感器通过这两个元件分别采集环境中的湿度和温度信息，并将这些信息通过专用的数字模块处理成数字信号输出。每个DHT11传感器的校准系数以程序的形式存在OTP内存中，这些校准系数在检测信号的处理过程中被调用，确保了传感器的高精度和长期稳定性。BH1750是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。该传感器内部集成了光敏元件的放大电路和ADC转换电路，能够快速、准确地将光照强度转换为数字信号输出。BH1750具有高精度和快速响应的特点，能够测量0到65535Lux范围内的光照强度，并将结果以数字形式输出。
摄像头主要通过yolo5模型推理实现人体以及物体的识别，以便更好的对环境进行检测和场景环境的感知。
声音识别：
音频信号的输出
数字输出接口：如I2S接口，将处理后的音频信号以数字形式输出到外部音频设备或耳机。
模拟输出接口：支持模拟音频信号的输出，可直接驱动扬声器播放音乐。
WM8960音频模块
声音识别技术流程
2.传输层技术
传输层技术负责将感知层收集到的数据传输到控制中心和其他相关系统。工作中，消防巡检机器人主要运用到无线通信包括WiFi、蓝牙和有线通信两种通信方式控制机器人或传输必要信息。通信过程：巡检机器人通过内置的WiFi模块连接到控制中心或路由器，形成一个无线局域网（WLAN）。蓝牙通信在2.4GHz频段进行，采用频移键控（FSK）和高级数据率（GFSK）等调制方式，将数字信号转换为无线电波进行传输。
3.控制层技术
传感器数据融合：将来自不同传感器的数据（如激光雷达的扫描数据、摄像头的图像数据等）进行融合，以获得更全面的环境信息。从传感器数据中提取环境特征（如点、线、面等），并与已构建的地图中的特征进行匹配，以确定机器人的当前位置
地图构建：在机器人移动过程中，根据实时感知到的环境信息和定位结果，不断构建和更新地图。
路径规划与导航：基于构建的地图和实时定位结果，进行路径规划和导航控制，使机器人能够自主、安全地到达目的地。
路径规划算法的原理流程是一个系统化的过程，涉及环境建模、路径搜索和路径平滑三个核心环节。
环境建模：数据收集、数据预处理、模型构建。
路径搜索：算法选择、搜索过程、路径评估。
路径平滑：路径分析、平滑处理、验证与调整。
4.软件开发技术
用户界面开发：开发直观、易用的用户界面，方便操作人员监控巡检机器人的运行状态和巡检结果。用户界面应支持实时数据显示、历史数据查询、任务设置等功能。
图像处理和识别算法：软件开发中包含了先进的图像处理与识别算法，用于对机器人采集的图像进行预处理、特征提取和分类识别。这些算法能够准确识别火灾隐患和异常情况，为后续的决策提供支持。
5.云应用
云应用为消防巡检机器人提供了远程监控和管理的能力。
（1）远程监控：通过云端平台，用户可以远程监控商场内的消防巡检情况。云端平台可以实时接收和展示机器人采集数据和图像信息，为用户提供直观的巡检结果展示。
（2）报警与响应：当检测到火灾隐患或异常情况时，云端平台可以自动触发报警机制并通知相关人员处理。同时，云端平台还可以与其他消防系统进行联动控制，以实现快速响应和有效灭火。
五、模型搭建
后续我们将继续对交互界面、算法模型、无线控制、环境实时监测、四维环境模型检测等功能更新优化，弥补功能上的短板。