摘要：针对当前因火灾等灾害给人类带来的巨大损失伤亡和目前消防机器人无法完成高精准定点喷射灭火的问题，本文提出采用无人侦察机与消防灭火机器人协同侦察和灭火的系统，通过采用空间测距和定位原理，配合机器人自身姿态等传感器，设计了一种系统侦察灭火协同作业系统，并对系统中的核心测距、定位和协同作业方法进行了原理论证。

关键词：特种机器人；无人侦察机；侦察和灭火；协同作业

1 协同侦察灭火作业系统设计背景

火灾给人类带来巨大损失和伤亡，尤其是对于危险化学品火灾，不同着火物需使用对应不同灭火剂灭火，否则会出现难以处置、更复杂和更危险的事故，故需要对着火源定点精准扑救^[1]。当前消防机器人越来越多的代替消防队员进入到火场一线进行灭火战斗，然而，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，从而实现对着火点的灭火功能^[2]。

采用直接将视觉设备放置在灭火机器人上的方法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和灭火^[3]。目前出现了采用无人机进行协助消防机器人定位的方案，即：通过无人机飞至火焰上空依靠视觉定位火源位置，热后通过无人机GPS推算火源至灭火机器人相对位置实现灭火。但该方案存在危险性极大、造价高等缺陷，并且，当火灾等地面环境复杂、起伏多变时，机器人姿态和高度等发生重大变化，这不仅影响机器人观测目标兴趣点的位置参数的精度，而且对于消防机器人上水炮发射角度影响严重从而无法定点灭火^[4-5]。

2 协同侦察灭火作业系统结构设计与组成

（1）协同作业系统硬件结构组成

针对现存技术难题，本文设计了对火源精准定位定点灭火的无人机与消防机器人协同侦察灭火作业系统，该系统主要包括：灭火侦察机器人1、无人侦察机2、机器人控制台3、无人机控制台4，协同系统结构布局图如图1所示。

其中灭火侦察机器人包括：移动底盘、自动消防炮、控制和通讯系统、无人机储放装置、定位标签、姿态和压力传感器。其中，无人机储放装置主要实现对无人侦察机的放飞、回收等功能，设置在底盘后端上方壳体处。姿态传感器可通过检测灭火机器人行进中的角度姿态变化，从而推算灭火侦察机器人在运动后的艏向偏转角，为后续机器人灭火提供姿艏向姿态数据依据。压力传感器设置在自动消防炮出水口处，用以测量水流压力，为计算消防水炮喷射抛物线参数提供依据。

无人侦察机包括：无人机、控制和传感模块、双目识别组件、三维云台组件、第一通讯组件、第一定位基站。其中，传感模块主要实现对参数的采集，包括无人机距离地面的高度信息和姿态信息等，连接控制模块。其中高度信息主要用于无人机定高运动，姿态信息主要用于推算无人机运动后的艏向角信息。双目识别组件为双目摄像机，可实现对目标点三维空间定位，设置在三维云台组件上。三维云台组件可对双目识别组件进行三维姿态调整，从而使双目识别组件获得更大的视野，安装在无人机本体下方，并且受控制模块控制作用。第一通讯组件为高精度同步时钟通讯模块，与外部的通讯系统、第二通讯组件和第三通讯组件通讯，与外部的定位标签、第二定位基站和第三定位基站测距功能。

机器人控制台包括：第二定位基站、遥控和显示组件、第二通讯组件。其中，第二定位基站为高精度同步时钟通讯模块，可实现与外部第三定位基站等基站的通讯和测定信号传输耗时。第二通讯组件主要实现与外部无人机、机器人和控制台上通讯模块的通讯功能，包括接受来自机器人采集的各类环境参数、现场图像和视频等，与主控机构连接。

无人机控制台包括：第三定位基站、第三通讯组件、遥控和显示组件。其中，第三定位基站可实现与外部第二定位基站等基站的通讯和测定信号传输耗时。第三通讯组件主要实现与外部无人机、机器人等通讯功能。

（2）协同作业系统电气结构组成

在电气组成上，无人机和消防机器人协同作业系统共包括4个模块组成：消防灭火机器人、无人侦察机器人、灭火机器人控制台和无人侦察机控制台，协同作业系统的电气结构组成如图2所示。

3 协同侦察灭火作业系统协同作业原理

（1）无人机、机器人和控制台间的测距原理

机器人控制台发出测距指令，无人机控制台、灭火侦察机器人和无人侦察机给出响应信号；同时，机器人控制台发出参数初始化命令，第一定位基站、定位标签、第三定位基站初始化操作。机器人控制台接受到响应信号后，立即发送测距指令，同时第二定位基站、第三定位基站和第一定位基站分别与定位标签通讯并计算通讯耗时；各控制单元将耗时参数依次发送至机器人控制台进行计算，从而得出无人侦察机、机器人控制台和无人机控制台距离灭火侦察机器人间的空间直线距离，分别记为L₁、L₂和L₃。其中，根据无人侦察机中的传感模块可实时获取当前无人机运动高度H，该高度下将无人侦察机所在位置向地面投影获得点Q，从而根据三角形定理获得在水平面上无人侦察机距离灭火侦察机器人的距离L₁'。

（2）无人机、控制台对灭火机器人空间定位原理和方法

无人机、控制台对灭火机器人空间定位原理图如图3所示，根据在水平面上无人侦察机距离灭火侦察机器人的距离L₁'、以及机器人控制台和无人机控制台距离灭火侦察机器人间的水平空间直线距离L₂和L₃。分别以无人侦察机、机器人控制台和无人机控制台所在位置为圆心、以L₁'、L₂和L₃为半径作圆，此时这三个圆圈交于一点，即为灭火侦察机器人的空间位置。至此，无人侦察机、机器人控制台、无人机控制台和灭火侦察机器人在空间中的相对位置均可求出。

进一步的，上述步骤中假设了机器人控制台和无人机控制台与灭火侦察机器人处于同一水平面上，认为：获得机器人控制台和无人机控制台距离灭火侦察机器人间的空间直线距离L₂和L₃即为机器人控制台和无人机控制台距离灭火侦察机器人的水平空间距离。故当机器人控制台和无人机控制台与灭火侦察机器人不在同一水平面上，应按照上述水平面上无人侦察机求取距离灭火侦察机器人水平距离的方法重新求取。

（3）系统协同侦察和灭火工作方法实现

①工作人员首先提前放置好机器人控制台和无人机控制台，并以机器人控制台的所在位置设定为大地坐标系原点；同时在机器人控制台旁布置好灭火侦察机器人；

②此时无人侦察机发出指令，使灭火侦察机器人打开无人机储放组件释放无人机，无人侦察机脱离灭火侦察机器人后飞至火源前方侦察；在此过程中，灭火侦察机器人向前行进；

③无人侦察机到达指定位置后，三维云台组件利用双目识别组件对火焰寻找，当发现火源后进行定位，并将火源找到信号和火源相对无人侦察机空间三维参数回传至无人侦察机；

④无人侦察机发出测距指令，按照先前的测距定位方法获得机器人、无人机和两控制台的空间三维位置关系；

⑤机器人控制台根据无人侦察机返回的火源相对无人侦察机的位置参数，进行反推计算，从而获得火源相对灭火侦察机器人的空间三维坐标位置；

⑥在灭火侦察机器人运动过程中，灭火侦察机器人通过姿态传感器已经获得运动停止后的灭火侦察机器人相对出发点的艏向偏移角度，机器人控制台控制自动消防炮进行角度反向补偿，从而使自动消防炮发射的艏向角与火源一致；

⑦无人侦察机根据压力传感器参数和灭火侦察机器人相对火源的空间位置关系，自动计算自动消防炮喷射的俯仰角，并将该参数传递至灭火机器人中，灭火侦察机器人接收到指令后控制自动消防炮调整俯仰角参数进行精准定点喷射。

4 结束语

文中采用空间几何定位法，配合无人机系统，实现了对消防机器人实时三维空间定位，从而快速获取各机器人相对控制台的相对位置，避免因灭火机器人上安装视觉设备而导致的视野不够甚至无法获取火源目标点的难题，提高了系统的适用范围。采用无线通讯模块间测距法，实现对无人机和机器人的空间定位，便于对机器人反推空间定位、控制和管理，同时实现了消防水炮喷射角度的在线补偿，大大提升了对目标点喷射的精准度，可提高侦察和灭火效率，节省抢险时间，降低人员伤亡和财产损失。

参考文献

[1]李海江.特别重大火灾人员伤亡统计与分析[J].中国减灾，2013（5）.

[2]党海昌.消防机器人在我国灭火救援中的应用现状和前景分析[J].消防技术与产品信息，2016（3） ：69-71.

[3]高荣.隧道火灾红外双目视觉定位系统研究[D].长安大学，2014.

[4]靳文涛，刘永涛，等.一种智能灭火方法及灭火机器人[P].201910164345.3，2019.

[5]王坤，等.火灾现场火源定位方法、定位系统及消防机器人[P].201610089608.5，2016.