基于ROS的灾后救援通道检测机器人制造技术

本发明专利技术涉及一种基于ROS的灾后救援通道检测机器人，包括机器人本体、与ROS系统连接的远程计算机终端、设置在机器人上与ROS系统连接的基站定位系统、地形检测系统、图像识别系统以及气体环境检测系统，所述气体环境检测系统包括有毒气体检测模块和温湿度检测模块；还包括减震设备和用于驱动机器人运动的前履带轮和后轮；所述机器人本体分成上中下三层，由锂电池供电；所述ROS系统具有驱动装置，通过驱动装置驱动所述前履带轮和后轮运动。本发明专利技术可进行实时环境空气成分分析，图像与信息回传，可以具有攀爬能力强、稳定性高、行动敏捷、易操控、救灾功能全面的特点。

Detection robot of post disaster rescue channel based on ROS

【技术实现步骤摘要】
基于ROS的灾后救援通道检测机器人
本专利技术属于信息
，涉及到数据预处理、图像处理算法等技术，运用了基于无线UWB自组网的危化品工厂救灾机器人安全路径侦测方法、基于大数据的危化品工厂救灾机器人火灾侦测方法、基于多源信息融合的危化品工厂救灾机器人危化品气体泄露浓度侦测方法。通过该检测机器人深入灾害现场，收集灾害区域信息，收集检测区域内有毒有害气体的成分并探索安全通道，减少不必要的二次伤亡、最大程度地保护人身财产安全，制定科学的救灾方案。检测机器人将深度融合云计算、人工智能、物联网等现代信息技术，从而全面提升灾后救援通道检测机器人灾变环境侦测结果的可靠性。
技术介绍
随着化工业的发展，危化品物流仓储在安全管理、技术标准有了很大程度上改善，但是，安全事故时有发生。当化工厂、危化品物流仓储等设施发生火灾、爆炸等事故时，除灾害本身损失外，经常在灾后救援过程中造成重大二次伤亡，如，2015年8月12日23:30左右，位于天津市滨海新区天津港的瑞海公司危险品仓库发生火灾爆炸事故，造成参与救援的公安消防人员死亡110人，失踪5人。2019年3月21日14时许，江苏盐城响水县陈家港化工园区内发生爆炸，现场有大量有毒有害物质和气体泄出，给现场搜救工作带来了极大的困难。因存在二次灾害发生的可能，以及受高温、烟气、有害气体等因素影响，救援人员难以准确判定能否进入灾害现场执行营救任务，可能延误救援时机。为保障救援人员安全，避免投入大量人力、物力到化工区域实施救援任务，当危化品工厂发生事故时，利用救灾机器人先行进入事故现场，对化工厂灾变环境进行侦测，可为救援人员安全开展救援工作提供保障。传统火灾侦测技术主要为感温式监测法。感温式监测法通过化工厂救灾机器人搭载的感温传感器监测危化品工厂火灾生成的热气流，即监测火灾的某一点或沿某一条线范围的温升速率和温度，从而达到监测火灾的目的。该方法准确率高，具有较强的实时性，但监测点数量多，对化工厂火灾的侦测具有一定局限性。传统危化品气体浓度侦测技术为热传导型监测法。通过救灾机器人搭载的热传导型传感器，利用空气热导率与各种气体热导率之间的差异，结合气体浓度和热导率之间的关系来检测危化品气体浓度。当被测气体浓度高时，其热导率与空气热导率相差较大，测量结果精度高。当被测气体浓度较低时，其热导率与空气热导率相近，则传感器输出信号较弱，灵敏度和分辨率较小。因此，热传导型监测法不适用于低浓度危化品气体泄漏的监测。以上方法存在如下不足：传统救灾机器人未全面进行多元信息的整合分析，只是单一化的对救灾区域进行检测，误报率较高。因此现需研发一种危险环境下的巡检机器人，可进行实时环境空气成分分析，图像与信息回传，可靠性操控，以及动力充沛的机器人，可以具有攀爬能力强、稳定性高、行动敏捷、易操控、救灾功能全面的特点。ROS(RobotOperatingSystem)是一个适用于机器人的开源的元操作系统。它提供了操作系统应有的服务，包括硬件抽象，底层设备控制，常用函数的实现，进程间消息传递，以及包管理。它也提供用于获取、编译、编写、和跨计算机运行代码所需的工具和库函数。ROS的主要目标是为机器人研究和开发提供代码复用的支持。ROS是一个分布式的进程(也就是“节点”)框架，这些进程被封装在易于被分享和发布的程序包和功能包中。ROS也支持一种类似于代码储存库的联合系统，这个系统也可以实现工程的协作及发布。这个设计可以使一个工程的开发和实现从文件系统到用户接口完全独立决策(不受ROS限制)。同时，所有的工程都可以被ROS的基础工具整合在一起。
技术实现思路
本专利技术主要基于ROS系统开发，由智能运载工具系统、基站定位系统、地形检测系统、图像识别系统以及气体环境检测系统组成。通常采用集中式管理和分散控制方式，各模块相互独立，减少信号间的控制干扰同时又有机结合，借助于树莓派、STM32、Arduino控制器强大的处理能力，对多种数据进行分析处理。使用高性能传感器确保检测机器人在灾后恶劣的环境下依然可以正常工作。在实时采集数据的同时，将原始数据进行实时分析处理并快速回传，为灾情大数据分析提供可靠数据基础。本专利技术的技术方案：一种基于ROS系统的灾后救援通道检测机器人，包括机器人本体、与ROS系统连接的远程计算机终端、设置在机器人上与ROS系统连接的基站定位系统、地形检测系统、图像识别系统、气体环境检测系统、减震设备和用于驱动机器人运动的前履带轮和后轮；其特征在于：所述气体环境检测系统包括有毒气体检测模块和温湿度检测模块；机器人本体分成上中下三层，中层、上层为不锈钢板，由锂电池供电；驱动机器人运动的前轮为硬质履带轮，后轮为钢制链条包裹钢制内轮；ROS系统本身具有驱动装置，通过驱动装置驱动硬质履带轮和钢制链条包裹钢制内轮运动。减震设备位于机器人本体下层，由中层支撑板、中枢轴承、中枢减震轴、电机减震板，以及前后减震组合组成；中层支撑板由5mm新型抗热材料切割而成；中枢轴承由四个支撑轴和一条5mm新型抗热高强度材料组成；中枢减震轴由钢管和弹簧套组成；电机减震板由5mm新型抗热材料切割而成；前后减震组合由钢制弹簧自制而成，连接电机减震板与中层支撑板；中枢减震轴左右各为两根减震弹簧，电机减震板在前后分别设置，下方各有两根硬质钢管；前后减震组合前端采用双弹簧，后端采用单弹簧。所述气体环境检测系统还包括聚酯气体回收模块。所述有毒气体检测模块为MQ-135气体传感器，所述温湿度检测模块为SHT3x传感器，所述聚酯气体回收模块为365直流微型隔膜泵。所述基站定位系统为UWB基站定位系统，所述地形检测系统为SLAM地形检测系统。基于ROS的危化品工厂灾后救援通道检测机器人的使用方法，步聚如下：(1)基于大数据的危化品工厂灾后救援通道检测机器人火灾侦测方法。针对实际环境下的温度、湿度、气体浓度、气味、风速等与火灾相关的灾变信息，采用大数据技术对这些信息进行快速分析处理，从而对危化品火灾进行侦测；(2)基于多元信息融合的危化品工厂灾后救援通道检测机器人危化品气体浓度侦测方法。通过煤矿救灾机器人平台搭载热传导型传感器、载体热催化传感器、电化学传感器、红外传感器，实现多元信息采集，在传感器采集的数据中筛选出前后变化最大的数据，并对这些数据进行融合计算，从而得到精准的危化品气体泄露浓度监测结果。(3)使通过A*算法替换其自身的Dijkstra全局路径规划算法，加强了危化品工厂灾后救援通道检测机器人的的定位，导航，自主避障能力。在半结构化环境中，事先建立危化品工厂内危化品存储的环境地图，以路径最短为优化目标，采用栅格地图来描述环境模型，用A*方法进行路径规划。(4)通过自身携带的IMU和激光雷达生成实时的状态估计从而完成自身的定位。在定位的同时增量式完成地图的构建，为下面的路径规划提供依据。接下来就是路径规划，让机器能在在已建好的地图上快速地规划出一条最优路径，并实时避开动态的障碍物。本专利技术主要利用基于粒子滤波的Fast－slam，粒子滤波是结合了蒙特卡洛定位贝叶斯估计的滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ROS系统的灾后救援通道检测机器人，包括机器人本体、与ROS系统连接的远程计算机终端、设置在机器人上与ROS系统连接的基站定位系统、地形检测系统、图像识别系统、气体环境检测系统、减震设备和用于驱动机器人运动的前履带轮和后轮；其特征在于：所述气体环境检测系统包括有毒气体检测模块和温湿度检测模块；机器人本体分成上中下三层，中层、上层为不锈钢板，由锂电池供电；驱动机器人运动的前轮为硬质履带轮(1)，后轮为钢制链条包裹钢制内轮(2)；ROS系统本身具有驱动装置，通过驱动装置驱动硬质履带轮(1)和钢制链条包裹钢制内轮(2)运动；/n减震设备位于机器人本体下层，由中层支撑板、中枢轴承、中枢减震轴(3)、电机减震板(4)，以及前后减震组合组成；中层支撑板由5mm新型抗热材料切割而成；中枢轴承由四个支撑轴和一条(1)5mm新型抗热高强度材料组成；中枢减震轴(3)由钢管和弹簧套组成；电机减震板(4)由5mm新型抗热材料切割而成；前后减震组合由钢制弹簧自制而成，连接电机减震板(4)与中层支撑板；中枢减震轴(3)左右各为两根减震弹簧，电机减震板(4)在前后分别设置，下方各有两根硬质钢管；前后减震组合前端采用双弹簧，后端采用单弹簧。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于ROS系统的灾后救援通道检测机器人，包括机器人本体、与ROS系统连接的远程计算机终端、设置在机器人上与ROS系统连接的基站定位系统、地形检测系统、图像识别系统、气体环境检测系统、减震设备和用于驱动机器人运动的前履带轮和后轮；其特征在于：所述气体环境检测系统包括有毒气体检测模块和温湿度检测模块；机器人本体分成上中下三层，中层、上层为不锈钢板，由锂电池供电；驱动机器人运动的前轮为硬质履带轮(1)，后轮为钢制链条包裹钢制内轮(2)；ROS系统本身具有驱动装置，通过驱动装置驱动硬质履带轮(1)和钢制链条包裹钢制内轮(2)运动；
减震设备位于机器人本体下层，由中层支撑板、中枢轴承、中枢减震轴(3)、电机减震板(4)，以及前后减震组合组成；中层支撑板由5mm新型抗热材料切割而成；中枢轴承由四个支撑轴和一条(1)5mm新型抗热高强度材料组成；中枢减震轴(3)由钢管和弹簧套组成；电机减震板(4)由5mm新型抗热材料切割而成；前后减震组合由钢制弹簧自制而成，连接电机减震板(4)与中层支撑板；中枢减震轴(3)左右各为两根减震弹簧，电机减震板(4)在前后分别设置，下方各有两根硬质钢管；前后减震组合前端采用双弹簧，后端采用单弹簧。


2.如权利要求(1)所述的一种基于ROS系统的灾后救援通道检测机器人，其特征在于：所述气体环境检测系统还包括聚酯气体回收模块。


3.如权利要求1或2所述的一种基于ROS系统的灾后救援通道检测机器人，其特征在于：所述有毒气体检测模块为MQ-135气体传感器，所述温湿度检测模块为SHT3x传感器，所述聚酯气体回收模块为365直流微型隔膜泵。


4.如权利要求3所述的一种基于ROS系统的灾后救援通道检测机器人，其特征在于：所述基站定位系统为UWB基站定位系统，所述地形检测系统为SLAM地形检测系统。


5.如权利要求1、2或4所述的一种基于ROS系统的灾后救援通道检测机器人，其特征在于：所述图像识别系统包括鱼眼摄像头和双目摄像头。


6.权利要求1-5所述一种基于ROS系统的灾后救援通道检测机器人的使用方法，其特征在于如下步骤，
1)基于大数据的危化品工厂灾后救援通道检测机器人火灾侦测方法；针对实际环境下的温度、湿度、气体浓度、气味、风速等与火灾相关的灾变信息，采用大数据技术对这些信息进行快速分析处理，从而对危化品火灾进行侦测；
(2)基于多元信息融合的危化品工厂灾后救援通道检测机器人危化品气体浓度侦测方法；通过煤矿救灾机器人平台搭载热传导型传感器、载体热催化传感器、电化学传感器、红外传感器，实现多元信息采集，在传感器采集的数据中筛选出前后变化最大的数据，并对这些数据进行融合计算，从而得到精准的危化品气体泄露浓度监测结果；
(3)使通过A*算法替换其自身的Dijkstra全局路径规划算法，加强了危化品工厂灾后救援通道检测机器人的的定位，导航，自主避障能力；在半结构化环境中，事先建立危化品工厂内危化品存储的环境地图，以路径最短为优化目标，采用栅格地图来描述环境模型，用A*方法进行路径规划；
(4)通过自身携带的IMU和激光雷达生成实时的状态估计从而完成自身的定位；在定位的同时增量式完成地图的构建，为下面的路径规划提供依据；接下来就是路径规划，让机器能在在已建好的地图上快速地规划出一条最优路径，并实时避开...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹传忠，李志斌，李柯男，涂贵辉，凌梓钦，王瀛帜，张祥栋，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海;31