轨道交通双轮消防机器人设计与应用.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯信 息 与 智 能 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯轨道交通双轮消防机器人设计与应用张杨 刘国成 吴威航(广州铁路职业技术学院 广东广州 510430)摘要：针对突发异常行为或异常现象的视频或图像数据进行分析和预警，特别是人流密集、重点管控、重点巡查的场所，通过对双轮消防机器人的结构和平衡原理进行分析，建立其运动模型。对机器人的功能模块进行结构设计、硬件设计以及通过控制软件进行程序编制。该文通过对消防巡逻双轮机器人的设计与应用，进行视频图像采集识别完成对双轮机器人在消防上的应用研究。关键词：双轮机器人 消防 图像识别 轨道交通中图分类号：TU998.1;TP242文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)16-0074-04Design and Application of Two-wheeled Fire-fighting Robots for Rail TransitZHANG Yang LIU Guocheng WU Weihang(Guangzhou Railway Polytechnic,Guangzhou,Guangdong Province,510430 China)Abstract:The video or image data of sudden abnormal behavior or phenomena is analyzed and warned,especially in places with dense crowds,key control and key inspection,and the two-wheeled fire-fighting robots motion model is established by analyzing its structure and balance principle.The structure and hardware of the functional modules of the robot is designed,and it is programmed through control software.This paper carries out video image acquisition and recognition through the design and application of two-wheeled fire patrol robots and completes the application research on two-wheeled robots in fire protection.Key Words:Two-wheeled robot;Fire fighting;Image recognition;Rail transit在轨道交通的消防安全领域中，消防机器人除了应用于火灾扑救外，更多的还是对各类消防重点隐患场所的巡逻和检查，以及对各类易引发消防安全事故的突发、异常行为进行及时监控，特别是在客流量集中、重点管控、重点巡查的场所，如设备间、变电站、客流通道等地方1。这就需要消防机器人能够基于机器视觉技术或其他传感器技术对发生异常行为和现象进行图像采集、分析、识别和判断，然后进行预警。双轮机器人具有灵活小巧、移动迅速的特点，适用于消防巡逻或侦察作业2，本文主要是对其运动平衡原理、硬件结构和图像识别技术应用进行了分析和探索。1 双轮消防机器人平衡原理双轮消防机器人是在左、右两个电机驱动下，实现行走机构不倾倒并能平稳直立行走的一种移动式机器人。双轮消防机器人在外力的推拉下，它的行走机构仍能保持不倾覆3。与三轮行走机构、四轮行走机构不同，双轮行走机构只是靠双轮进行支撑，一般情况下容易发生倾斜，从而导致倾覆。为了行走机构的两个驱动轮时刻保持平衡，可以采用驱动轮来回移动的方式来抵消行走机构的倾斜角度与倾斜角速度，这样可以达到保持行走机构直立而不倾倒的效果。图1是双轮移动平衡原理图，且倾斜角度和角速度是双轮消防机器人保持平衡移动的关键3。双轮消防机器人采用负反馈机制来实现对倾斜角度和角速度的控制，从而达到运动平衡，以实现行走控制。双轮消防机器人行走机构采用左、右两个轮子接DOI：10.16661/ki.1672-3791.2306-5042-4582基金项目：2022年度广东省科技创新战略专项资金（大学生科技创新培育）（项目编号：pdjh2022b0958）。作者简介：张杨（1979），女，博士，副教授，研究方向为机电一体化。74SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 信 息 与 智 能科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION触地面，车体的倾斜只会发生在轮子滚动的方向上，轮子的转动控制得当，就能够抵消行走机构在一个方向上倾斜的趋势，从而达到车体平衡3。根据此原理，机器人倾角和倾角速度数据的采集是控制机器人直立行走的关键。在硬件设计中，采用集成传感器陀螺仪采集行走机构的倾角和倾角速度等数据4，并通过软件程序控制调整机器人车轮的加速度，从而消除行走机构的倾角。2 双轮消防巡逻机器人功能模块设计双轮消防机器人其具有响应速度快、灵活程度高和复杂地形的通过能力强的优势。因其配备足式结构，使其既可以充分发挥轮式移动的速度优势，又可以通过弹跳实现越障，保持了足式机器人本身的机动越障优势，还能做到整体动作灵活、跳跃更为敏捷。双轮消防机器人的构型是目前消防机器人研究的热门，结合了轮、足两者优势的一种消防移动机器人构型。双轮消防机器人适用于轨道交通车站、设备间、车厢等场所，可以应用于消防安全巡检、检查等应用场景。双轮消防巡逻机器人的功能模块设计如图2所示。其整体功能模块由主控机构、行走机构和巡查机构这3部分组成5。其中，主控机构包括主控板、通信装置和电源装置5，是机器人平台的主要控制部分；行走机构包括拓展控制板和两组驱动轮（含轮胎），是机器人平台的主要行走部分；巡查机构是机器人平台执行消防安全作业的主要设备，包括摄像装置、舵机云台等，用于消防安全巡逻作业，并可以根据需要安装其他的传感器装置，如超声波、温湿度、气体、烟雾、火焰等传感器。3 双轮消防巡逻机器人硬件结构设计双轮消防巡逻机器人的硬件结构包括主控板、拓展控制板、摄像装置、舵机云台、通信装置、电源装置、机器人底板等部分，其硬件与组装效果具体见图3。其中主控板为可编程控制器，是机器人平台的中央控制部分；拓展控制板在主控板上方，与主控板连接在一起，是机器人平台行走机构移动驱动的主要控制部分，内置陀螺仪等测量装置，用于机器人双轮平衡移动的测量控制，并为主控板提供了更多拓展接口，以便能够连接不同的传感器装置；拓展控制板下方连接着两组驱动轮装置，驱动轮装置是行走机构移动的主要执行部分，安装有带橡胶钉的防打滑轮胎，由拓展控制板驱动控制执行行走功能；通信装置与拓展控制板通过USB接口连接，为主控板和拓展控制板提供无线Wi-Fi通信功能，用于传送数据6；底板是机器人平台行走机构的连接支架，下方连接着驱动轮并安装有电源装置，上图2 双轮消防巡逻机器人功能模块设计（a）保持静止（b）向左倾斜（c）向右倾斜图1 双轮移动平衡原理75SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯信 息 与 智 能 2023 NO.16 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯方为主控板、拓展控制板、通信装置、舵机云台和摄像装置提供了安装支撑；舵机云台安装在底板上面，设置有两组舵机，拥有两个自由度，为摄像装置提供左右和上下转动控制，增大了设置装置的视觉空间和巡查范围；摄像装置是机器人主要的巡查装备，为机器人提供了机器视觉视频监控功能和图像识别功能；电源装置位于底板下方，为机器人平台各个部分提供充足的电压电流。4 轨道交通双轮消防机器人的图像识别应用利用双轮消防机器人移动灵活、便捷的特点，为双轮消防机器人增设视频摄像装置，通过视频摄像头对消防隐患区域进行巡检侦察，将其作为消防侦察巡逻机器人进行使用。轨道交通双轮消防机器人使用Python程序设计语言获取视频摄像装置的应用程序，以及使用图像颜色空间模型的转换实现对目标图像中某些颜色特征进行查找和追踪7。并实现在HSV颜色模型下，通过调节颜色信息H、饱和度S、亮度V的区间值，在机器人视觉视频中对选定的颜色进行追踪标示。程序1使用Python-OpenCV应用程序读取机器人视频摄像装置的视频数据并显示，实现对视频图像的获取。#程序1：读取机器人摄像装置的视频数据显示import numpy as npimport cv2 as cvcap=cv.VideoCapture(0)if not cap.isOpened():print(Cannot open camera)exit()while True:ret,frame=cap.read()if not ret:print(cant receive frame.)breakcv.imshow(frame,frame)if cv.waitKey(20)=27:breakcap.release()cv.destroyAllWindows()5 实现对视频中某一颜色的跟踪程序2使用图像颜色模型转换来实现对机器人视觉视频中某一颜色的跟踪效果。#程序2：对视觉视频中某一颜色的识别跟踪import cv2 as c_cvimport numpy as c_npdef trace_color_demo():capture=c_cv.VideoCapture(0)while True:c_ret,c_frame=capture.read()if c_ret=False:breakc_hsv=c_cv.cvtColor(c_frame,c_cv.COLOR_BGR2HSV)c_lower_hsv=c_np.array(0,0,221)c_upper_hsv=c_np.array(180,30,255)c_mask=cv.inRange(c_hsv,c_lower_hsv,c_upper_hsv)c_cv.imshow(video,c_frame)c_cv.imshow(mask,c_mask)if c_cv.waitKey(20)=27:breaktrace_color_demo()cv.waitKey(0)cv.destroyAllWindows()图4是实现对视频图像中某一颜色的识别图。6 实现对图像中多种颜色的捕捉分析程序3通过图像颜色模型转换实现对视觉视频图像中多种颜色的捕捉分析效果。#程序3：对视觉视频中多个颜色的捕捉识别import numpy as c_npimport cv2 as c_cvc_font=c_cv.FONT_HERSHEY_SIMPLEXc_lower_red=c_np.array(0,127,128)c_higher_red=c_np.array(10,255,255)c_lower_green=c_np.array(35,110,106)c_higher_green=c_np.array(77,255,255)c_cap=c_cv.VideoCapture(0)if(c_cap.isOpened():while(True):图3 双轮消防巡逻机器人硬件结构设计76SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.16 信 息 与 智 能科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATIONc_ret,c_frame=c_cap.read()c_img_hsv=c_cv.cvtColor(c_frame,c_cv.COLOR_BGR2HSV)c_mask_red=c_cv.inRange(c_img_hsv,c_lower_red,c_higher_red)c_mask_green=c_cv.inRange(c_img_hsv,c_lower_green,c_higher_green)c_mask_green=c_cv.medianBlur(c_mask_green,7)c_mask_red=c_cv.medianBlur(c_mask_red,7)c_mask=c_cv.bitwise_or(c_mask_green,c_mask_red)c_image1,c_cnts1,c_hierarchy1=c_cv.findContours(mask_red,c_cv.RETR_EXTERNAL,c_cv.CHAIN_APPROX_NONE)c_image2,c_cnts3,c_hierarchy3=c_cv.findContours(c_mask_green,c_cv.RETR_EXTERNAL,c_cv.CHAIN_APPROX_NONE)for cnt in c_cnts1:(x,y,w,h)=cv.boundingRect(cnt)c_cv.rectangle(c_frame,(x,y),(x+w,y+h),(0,0,255),2)c_cv.putText(c_frame,red,(x,y-5),font,0.7,(0,0,255),2)for cnt in c_cnts3:(x,y,w,h)=c_cv.boundingRect(cnt)c_cv.rectangle(c_frame,(x,y),(x+w,y+h),(0,255,0),2)c_cv.putText(c_frame,green,(x,y-5),c_font,0.7,(0,255,0),2)c_cv.imshow(frame,frame)c_k=c_cv.waitKey(20)&0 xFFif c_k=27:breakc_cv.waitKey(0)c_cv.destroyAllWindows()图5是实现对图像中多种颜色的分析图。从图5可以看出，通过颜色空间模型变换，可以实现视频图像获取多个目标物体的多种颜色捕捉。7 结语通过对双轮机器人的平衡原理、运动模型及结构分析，并建立运动学方程，同时通过程序设计，通过颜色空间模型变换，实现了视频图像获取多个目标物体的多种颜色捕捉。参考文献1 王宁.城市轨道交通消防安全工作中存在的问题J.今日消防,2022,7(8):45-47.2 赵扬.消防机器人在灭火救援中的应用探析J.消防界(电子版),2021,7(23):56-57.3 丁宏钰,石照耀,岳会军,等.国内外双足人形机器人驱动器研究综述J.哈尔滨工程大学学报,2021,42(7):936-945.4 张亚婉,莫浩明,朱颖,等.消防救援机器人辅助探测系统设计J.电子设计工程,2022,30(8):66-70.5 徐少波,王子幼.消防救援多机器人系统研究进展及关键技术综述J.科技创新与应用,2022,12(9):155-157,161.6 吕彦杰.模块化消防机器人的设计及应用J.信息系统工程,2022(4):105-108.7 谭筠梅,王履程,雷涛,等.城市轨道交通智能视频分析关键技术综述J.计算机工程与应用,2014,50(4):1-6,17.（a）原图（b）结果图4 实现对视频图像中某一颜色的识别图5 实现对图像中多种颜色的分析77