[发明专利]智能预警灭火机器人

权利要求书

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：

（1）

式中：为第i个火灾火焰特征输出，，H₀表示无火灾火焰，H₁表示有火灾火焰； ，m_i（H₀）和m_i（H₁）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。