基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)自主消防機(jī)器人設(shè)計(jì)

楊延濤，李飛龍，王虎

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代化程度的不斷提高，各種各樣的機(jī)器人逐步進(jìn)入并且改變著人們的生活。近年來，消防機(jī)器人也被應(yīng)用到人們的生產(chǎn)和生活中，越來越多地出現(xiàn)在各種火災(zāi)救援現(xiàn)場(chǎng)。消防機(jī)器人在滅火過程中發(fā)揮著十分重要的作用，可以作為消防人員的重要輔助手段，甚至可以完全代替消防人員進(jìn)入有毒、缺氧、易爆等惡劣環(huán)境中進(jìn)行滅火和救援，在一定程度上保障了消防人員在火災(zāi)救援過程中的生命安全[1]，因此，對(duì)于自主消防機(jī)器人的研究具有十分重要的意義。

目前的室內(nèi)消防，主要是以固定的消防噴頭配合在室內(nèi)安裝的各種傳感器為主，這種方法成本較低、便于實(shí)現(xiàn)，但也存在消防噴頭噴水面積較大且難以控制，火場(chǎng)火源的定位準(zhǔn)確度不高，無法對(duì)火場(chǎng)煙氣進(jìn)行探測(cè)等一系列問題[2]。其他的室內(nèi)消防設(shè)備，如滅火器、室內(nèi)消火栓等設(shè)備自主化和智能化程度較低，完全依靠人工進(jìn)行操作，存在安全隱患，并且無法進(jìn)行火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，缺點(diǎn)較多。

本文針對(duì)目前室內(nèi)消防存在的問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款以MiniPC和STM32F103作為控制系統(tǒng)，結(jié)合光照傳感器、氣敏式煙霧傳感器、溫度傳感器和紅外熱成像模組等模塊的室內(nèi)自主消防機(jī)器人。基于WIFI信道狀態(tài)信息（CSI），通過建立的指紋庫和KNN算法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)是否發(fā)生火災(zāi)，并且CSI數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)與消防機(jī)器人的上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，將火災(zāi)發(fā)生的位置信息發(fā)送給消防機(jī)器人；消防機(jī)器人通過UWB定位技術(shù)和全局(RRT)、局部(A*)路徑規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)了自身定位導(dǎo)航和自主移動(dòng)；根據(jù)紅外熱成像模組拍攝的圖像，采用YOLO算法，實(shí)現(xiàn)了火焰的快速識(shí)別和準(zhǔn)確定位；多種傳感器可對(duì)消防機(jī)器人所在的火場(chǎng)環(huán)境（如：溫度、煙氣等）進(jìn)行探測(cè)，并及時(shí)反饋給遠(yuǎn)程客戶中心。

1 自主消防機(jī)器人整體架構(gòu)

該自主消防機(jī)器人由火災(zāi)位置感知系統(tǒng)、機(jī)器人定位系統(tǒng)、消防機(jī)器人本體和遠(yuǎn)程客戶中心四部分組成，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

火災(zāi)位置感知系統(tǒng)由兩臺(tái)配置Intel 5300NIC無線網(wǎng)卡的計(jì)算機(jī)和路由天線組成，用于收集處理WIFI的信道狀態(tài)信息（CSI），火災(zāi)位置感知系統(tǒng)采用監(jiān)控模式，對(duì)收集到的CSI信號(hào)進(jìn)行處理分析，可得到火災(zāi)發(fā)生的位置信息。

消防機(jī)器人定位系統(tǒng)由室內(nèi)的無線基站（Anchor）和安裝于機(jī)器人本體的定位標(biāo)簽（Tag）組成，通過UWB技術(shù)的TDOA定位分析可對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位。

遠(yuǎn)程客戶中心用于接收機(jī)器人發(fā)送的火場(chǎng)環(huán)境信息（如溫度、光照強(qiáng)度、煙氣濃度等）。

消防機(jī)器人本體包括紅外熱成像模組、多種傳感器、消防水槍、電氣開關(guān)、電源、水泵驅(qū)動(dòng)模塊、UWB模塊、DC電機(jī)和DC電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。控制模塊由上位機(jī)MiniPC與下位機(jī)STM32F103兩部分組成，控制模塊將該消防機(jī)器人協(xié)調(diào)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，通過相關(guān)算法對(duì)模塊及功能進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人本體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

如上圖所示：消防機(jī)器人依靠UWB模塊對(duì)自身進(jìn)行定位，結(jié)合室內(nèi)地圖信息并通過RRT算法規(guī)劃出合理行駛路徑，下位機(jī)STM32F103通過L298N模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，閉環(huán)自動(dòng)控制技術(shù) PID 算法控制消防機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向和行駛速度；消防機(jī)器人上位機(jī)接收到火災(zāi)位置感知系統(tǒng)發(fā)送的位置信號(hào)后，立刻從待機(jī)休眠狀態(tài)中被喚醒，并啟動(dòng)報(bào)警裝置，發(fā)出蜂鳴聲；機(jī)器人在行駛途中通過超聲波傳感器不斷檢測(cè)周圍障礙物信息，通過A*避障算法實(shí)現(xiàn)局部避障，最后到達(dá)著火點(diǎn)；消防機(jī)器人到達(dá)著火點(diǎn)后便停止行進(jìn)，利用紅外熱成像模組拍攝的火焰圖像，通過YOLO算法的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)火焰圖像進(jìn)行特征提取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)火焰的精準(zhǔn)快速定位[3]。鎖定火焰之后主控芯片發(fā)出指令，通過PID算法控制水槍對(duì)火焰準(zhǔn)確地噴水。

2 自主消防機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該自主消防機(jī)器人的控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，上位機(jī)采用MiniPC，裝載Ubuntu16.04系統(tǒng)，配置ROS Kinetic運(yùn)行環(huán)境，主要用于圖像處理、路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航等功能。下位機(jī)采用嵌入式芯片STM32F103，主要用于傳感器數(shù)據(jù)的接收處理以及對(duì)電機(jī)、水泵等模塊的驅(qū)動(dòng)控制。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過串口數(shù)據(jù)線相連，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸。

STM32F103芯片作為各功能部件的直接控制核心，具備較高的實(shí)時(shí)處理速度和處理能力。該芯片以ARM構(gòu)架的cortex-M3為核心，CPU的頻率可達(dá)72MHz，供電電壓2.0V～3.6V，內(nèi)部集成了2I C總線、SPI總線、USART接口、USB接口，擁有多個(gè)I/O口及大容量的片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器[4]，I/O口作為輸入可用于讀取檢測(cè)端口和各傳感器的數(shù)據(jù)，作為輸出可用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和水泵。只需通過編譯器對(duì)程序進(jìn)行燒寫，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制功能，具有接口簡(jiǎn)單、成本低、功耗低等多重優(yōu)點(diǎn)，STM32F103芯片的引腳如圖3所示。

圖3 ST M32F103引腳圖

2.2 火災(zāi)位置感知模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)借助于廣泛應(yīng)用的Wi-Fi技術(shù)，基于信道狀態(tài)信息（CSI）對(duì)室內(nèi)火災(zāi)位置進(jìn)行感知，其無源定位算法不需要目標(biāo)攜帶相關(guān)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)定位，成本較低且容易實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)的原理是，在離線階段需要對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)已知位置的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和預(yù)處理，將其位置信息和特征情況作為指紋信息，這些指紋信息構(gòu)成一個(gè)指紋地圖，在線定位階段只需將采集待測(cè)點(diǎn)特征值與指紋中的信號(hào)特征值進(jìn)行比對(duì)，然后通過數(shù)據(jù)處理和相關(guān)算法即可獲得位置信息。

在室內(nèi)布置兩臺(tái)計(jì)算機(jī)作為信號(hào)的接收端和發(fā)送端，該計(jì)算機(jī)必須配置Intel 5300NIC無線網(wǎng)卡，操作系統(tǒng)為Ubuntu11.04，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)均需安裝CSI-tools工具，用于收集WiFi信號(hào)。并且配置三個(gè)路由天線用于接收信號(hào)，一個(gè)路由天線用于發(fā)送信號(hào)，系統(tǒng)工作采用監(jiān)控模式，發(fā)送端工作在2.4GHz頻段，以每秒100個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)包頻率向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)，接收端通過接收天線采集信號(hào)，并且由接收端的計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)。首先通過卡爾曼濾波去噪，然后基于信號(hào)的幅度對(duì)特征矩陣進(jìn)行提取，最后將特征矩陣輸入至KNN分類器[5]，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)位置的感知，系統(tǒng)工作方式如圖4所示。感知到火災(zāi)位置后，計(jì)算機(jī)將位置信息發(fā)送給消防機(jī)器人上位機(jī)MiniPC，用于機(jī)器人自主規(guī)劃行駛路徑。

圖4 CSI 定位系統(tǒng)工作圖

2.3 超聲波避障模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用HC-SR04超聲波傳感器，可對(duì)距離2cm～400cm的障礙物進(jìn)行非接觸式感知和測(cè)距，測(cè)距精度可達(dá)毫米級(jí)別。HC-SR04的電路原理如圖5所示，該模塊共有4個(gè)引腳，分別是：供電電源引腳VCC、控制端Trig、接收端Echo和公共接地端GND。該模塊采用I/O口觸發(fā)測(cè)距模式，通過Trig引腳發(fā)送一個(gè)脈沖寬度大于10sμ的高電平，在Echo接收口等待高電平輸出，有高電平輸出后即可啟動(dòng)主控芯片內(nèi)的定時(shí)器，待該端口電平變低時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)，根據(jù)所得時(shí)間差即可計(jì)算機(jī)器人與障礙物之間的距離。

圖5 超聲波傳感器電原理圖

STM32F103與超聲波傳感器直接相連，獲取到機(jī)器人障礙物信息后，STM32通過串口將信息上傳給上位機(jī)，上位機(jī)通過A*避障算法對(duì)機(jī)器人行駛路徑做出調(diào)整，并將指令發(fā)送給下位機(jī)；同時(shí)，下位機(jī)STM32通過調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速等實(shí)現(xiàn)消防機(jī)器人的轉(zhuǎn)向和調(diào)速。為提高避障能力，可在消防機(jī)器人車體適當(dāng)位置安裝多個(gè)超聲波傳感器。

2.4 火焰識(shí)別定位模塊設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)外的研究主流是通過視覺傳感器對(duì)火災(zāi)進(jìn)行檢測(cè)，紅外熱像儀被廣泛應(yīng)用于各種火災(zāi)檢測(cè)和火焰識(shí)別過程中。紅外熱像儀拍攝的是物體的紅外熱輻射分布，對(duì)高溫物體成像效果較好，具有較好的云霧穿透性能[6]，不受光照條件影響，適合在光照較弱，煙氣較重的環(huán)境下對(duì)火災(zāi)進(jìn)行檢測(cè)。

該消防機(jī)器人配置1個(gè)紅外熱成像模組，安裝在機(jī)器人頂部靠前位置，選用美國FLIR公司生產(chǎn)的Lepton紅外熱成像模組，實(shí)物如圖6所示。該紅外熱成像模組水平視場(chǎng)角為57°，可輸出分辨率160 ×120熱成像圖，對(duì)于溫度的分辨率可達(dá)0.05℃，靈敏度較高。該模塊可以將拍攝到的紅外圖像上傳至上位機(jī)，上位機(jī)采用深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)識(shí)別框架YOLOv3可實(shí)現(xiàn)火焰的快速識(shí)別定位[7]。

圖6 Lept on紅外熱成像模組實(shí)物圖

2.5 多傳感器模塊設(shè)計(jì)

煙霧傳感器。本設(shè)計(jì)采用MQ-2型煙霧傳感器，該傳感器是一種多氣體探測(cè)器，可用于煙霧、液化氣、丙烷、氫氣等氣體的檢測(cè)。MQ－2型煙霧傳感器可以將煙霧濃度這種非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，當(dāng)環(huán)境中的煙霧濃度增大時(shí)，傳感器中半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率下降，對(duì)應(yīng)的輸出電阻減小、輸出電壓增大。但是需要將這種模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為能被STM32F103識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，才可以輸出精確的煙霧濃度值。本設(shè)計(jì)選用ADC0832作為A/D轉(zhuǎn)換電路，MQ-2和ADC0832的電路連接如圖7所示，MQ-2的4號(hào)引腳和6號(hào)引腳輸出電壓值給ADC0832，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后在輸出端DO將數(shù)據(jù)傳送給主控芯片STM32。

圖7 煙霧檢測(cè)模塊電原理圖

溫度傳感器。本設(shè)計(jì)采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，測(cè)溫范圍可達(dá)–55℃～+125℃，滿足室內(nèi)火災(zāi)的測(cè)溫要求。該傳感器使用集成芯片，采用單總線技術(shù)，降低了其他因素的干擾，因此測(cè)量精度高，并且可以直接將溫度這種非電信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)供主控芯片STM32F103處理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。DS18B20的電路連接如圖8所示，該模塊共有3個(gè)引腳，分別是：供電電源引腳VCC、公共接地端GND、數(shù)字信號(hào)輸入/輸出引腳DQ。輸出端2號(hào)引腳與下位機(jī)STM32F103直接相連，用于傳送溫度信息。

圖8 溫度檢測(cè)模塊電原理圖

光照傳感器。本設(shè)計(jì)采用GY-30數(shù)字光照傳感器，GY-30內(nèi)置ROHM公司原裝BH1750FVI芯片，內(nèi)部集成了光電轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換和2I C信號(hào)轉(zhuǎn)換等電路的芯片，工作電壓3～5V，能檢測(cè)0～65535Lx的光照強(qiáng)度，有較高的靈敏度。由于GY-30傳感器其內(nèi)部自帶16位A/D轉(zhuǎn)換器，所以可以直接連接STM32芯片，并上傳檢測(cè)到的光照數(shù)據(jù)。GY-30的電路連接如圖9所示，該模塊共有5個(gè)引腳，分別是:供電電源引腳VCC、公共接地端GND、I2C總線時(shí)鐘引腳SCL、I2C總線數(shù)據(jù)引腳SDA、I2C地址線引腳ADDR[8]，SCL、SDA引腳和STM32F103芯片直接相連，用于傳送光照強(qiáng)度信息。

圖9 光照檢測(cè)模塊電原理圖

煙霧傳感器、溫度傳感器和光照傳感器構(gòu)成消防機(jī)器人的多傳感器模塊，該模塊安裝在機(jī)器人車體正前方，便于對(duì)著火點(diǎn)的煙霧濃度、溫度和光照情況進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)消防機(jī)器人到達(dá)著火地點(diǎn)后，即可啟動(dòng)該模塊，收集到相關(guān)的信息后直接傳送給STM32F103，STM32芯片再通過連接的WIFI模塊將信息發(fā)送給遠(yuǎn)程客戶中心，便于消防人員或室內(nèi)居民及時(shí)了解火災(zāi)情況，可避免因有毒有害氣體對(duì)人體造成的不必要的傷害。

2.6 UWB定位模塊設(shè)計(jì)

UWB技術(shù)又稱超寬帶技術(shù)，是一種新興的室內(nèi)定位技術(shù)。相較于超聲波定位、紅外線定位和射頻定位等其他定位技術(shù)，UWB技術(shù)具有更高的精確性，其定位精度可達(dá)到厘米級(jí)別，非常適合室內(nèi)靜止或移動(dòng)物體的定位及追蹤。

本設(shè)計(jì)采用Decawave公司的DW1000芯片，該芯片是全球首款完全集成UWB芯片，定位精度可小于10cm，性能優(yōu)越。消防機(jī)器人需要安裝DW1000組成的定位標(biāo)簽（Tag），并且在室內(nèi)機(jī)器人活動(dòng)區(qū)域安裝若干個(gè)DW1000組成的無線定位基站（Anchor），用于檢測(cè)“Tag”信號(hào)并從遠(yuǎn)處發(fā)送，如圖10所示。STM32F103與DW1000芯片之間通過SPI接口連接，可以對(duì)該定位模塊進(jìn)行配置并通訊[9]，從而完成數(shù)據(jù)的記錄、收集和發(fā)送。STM32F103把收到的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行TDOA定位分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了消防機(jī)器人的自主定位。

圖10 UWB 定位系統(tǒng)圖

2.7 DC電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)是消防機(jī)器人移動(dòng)的動(dòng)力來源，由于STM32F103的I/O輸出電流不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)這種功率放大模塊。本設(shè)計(jì)采用L289N雙H橋集成電路作為DC電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，通過7V直流電源供電，能夠同時(shí)對(duì)兩個(gè)DC電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)芯片輸出電流大、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、性能優(yōu)越[10-11]，其電路原理圖如圖11所示。其中，IN1-IN4均連接主控芯片，通過控制輸入端口IN1-IN4的信號(hào)高低來控制兩電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，輸出端口OUT1和OUT2連接電機(jī)1，OUT3和OUT4連接電機(jī)2，電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止實(shí)現(xiàn)了小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)。ENA、ENB分別是OUT1、OUT2和OUT3、OUT4的使能端，高電平有效，在ENA和ENB輸入PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)小車行駛速度的改變。

圖11 L 298N驅(qū)動(dòng)電路圖

3 自主消防機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

該機(jī)器人下位機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用Keil μVision5集成開發(fā)環(huán)境與STC-ISP程序下載工具，對(duì)消防機(jī)器人的各功能進(jìn)行編程與調(diào)試。

消防機(jī)器人系統(tǒng)的工作流程如圖12所示。由圖可知，消防機(jī)器人上位機(jī)接收到火災(zāi)位置感知系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)發(fā)送的位置信號(hào)之后，立即啟動(dòng)電機(jī)和報(bào)警系統(tǒng)，發(fā)出蜂鳴聲。首先，上位機(jī)控制消防機(jī)器人根據(jù)火災(zāi)位置調(diào)整大致的運(yùn)動(dòng)方向，上位機(jī)根據(jù)火災(zāi)位置信息和室內(nèi)地圖合理規(guī)劃出行駛路徑，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，消防機(jī)器人開始運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，下位機(jī)STM32開始監(jiān)控超聲波傳感器，若超聲波傳感器檢測(cè)到消防機(jī)器人前方存在障礙物，則消防機(jī)器人進(jìn)入避障子程序，用以躲避障礙物，避障子程序流程如圖13所示，PID算法對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向和行駛速度進(jìn)行控制。到達(dá)火災(zāi)發(fā)生位置后，停在安全距離，啟動(dòng)紅外熱成像模塊，通過YOLO算法鎖定火焰位置，之后啟動(dòng)水泵，PID算法控制水槍對(duì)準(zhǔn)火焰進(jìn)行噴水，直到火焰完全熄滅。機(jī)器人在啟動(dòng)水泵滅火的同時(shí)，位于消防機(jī)器人車體前方的多傳感器模塊開始收集火災(zāi)區(qū)域的各種環(huán)境信息，如溫度、光照強(qiáng)度、煙霧濃度等，并通過WIFI模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程客戶中心，當(dāng)確認(rèn)室內(nèi)著火點(diǎn)全部被撲滅之后，機(jī)器人返回原地待命。

圖13 避障子程序設(shè)計(jì)流程圖

3.2 火焰識(shí)別算法

該消防機(jī)器人系統(tǒng)采用YOLO（You Only Look Once）算法實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰的識(shí)別，YOLO算法是一種直接采用回歸（Regression）思想進(jìn)行深度學(xué)習(xí)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)方法，用一個(gè)單獨(dú)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）模型實(shí)現(xiàn)端到端（end-to-end）的目標(biāo)檢測(cè)[12]，YOLO算法目標(biāo)識(shí)別過程如圖14所示。

圖14 YOL O算法目標(biāo)識(shí)別過程圖

利用YOLO算法定位的基本思想是，將紅外熱像模組采集到的圖像先進(jìn)行歸一化尺寸，然后卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）將其分割成S×S個(gè)相等的網(wǎng)格，當(dāng)被檢測(cè)目標(biāo)的中心恰好落入到某個(gè)網(wǎng)格中時(shí)，這個(gè)網(wǎng)格就用來負(fù)責(zé)預(yù)測(cè)該檢測(cè)目標(biāo)。在檢測(cè)過程中，檢測(cè)目標(biāo)落入的網(wǎng)格需要預(yù)測(cè)B個(gè)回歸邊框置信度Confidence最終值，Confidence的定義為[13]

其中，Pr(Object)用來衡量該網(wǎng)格中是否存在檢測(cè)目標(biāo)，如果包含，則Pr(Object) = 1，反之Pr(Object) = 0，IOU用來衡量該網(wǎng)格回歸邊框和待檢測(cè)物體真實(shí)區(qū)域的重疊程度，重疊部分的面積數(shù)據(jù)用輸入圖像區(qū)域的像素面積歸一化至[0,1]區(qū)間。同時(shí)，檢測(cè)目標(biāo)落入的網(wǎng)格還需要預(yù)測(cè)出C 個(gè)物體屬于某種類別的概率Pr(Classi|Object)，Pr(Classi|Object)表示落入該網(wǎng)格中的物體屬于的類別及其概率。將回歸邊框置信度Confidence與概率值Pr(Classi|Object)相乘可以得出類別置信度（class-specific confidence scores）為

該消防機(jī)器人采用YOLO算法進(jìn)行火焰定位的具體過程如圖15所示。

圖15 YOL O算法火焰定位流程圖

3.3 機(jī)器人定位算法

該消防機(jī)器人系統(tǒng)采用UWB的TDOA定位算法實(shí)現(xiàn)自主定位，TDOA定位算法是利用多個(gè)基站到標(biāo)簽之間的距離差形成的雙曲線方程組來算出標(biāo)簽的位置坐標(biāo)，這種定位方法可以在基站和標(biāo)簽時(shí)間不同步的情況下完成定位，因此TDOA定位算法相較于其他算法有更強(qiáng)的實(shí)用性。

UWB的TDOA定位算法原理如圖16所示（以三個(gè)定位基站為例），在某區(qū)域中有Q個(gè)基站，其中的某個(gè)基站（假設(shè)為基站1）作為參考基站，并且已知基站i(i=1,2,3,…，Q)的位置為(xi,yi)，假設(shè)移動(dòng)標(biāo)簽（Tag）的位置為(x,y)，基站i與移動(dòng)標(biāo)簽的距離為di。根據(jù)信號(hào)到達(dá)參考基站1和其他基站的時(shí)間差值Δt及信號(hào)在空氣中傳播的速度vUWB算出求出移動(dòng)標(biāo)簽與各個(gè)基站之間的距離差，以這個(gè)距離差為長軸，兩個(gè)基站為焦點(diǎn)，可以建立雙曲線方程來求解移動(dòng)標(biāo)簽的位置，實(shí)現(xiàn)消防機(jī)器人的自主定位。

圖16 T DOA定位原理圖

4 實(shí)驗(yàn)分析

在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室對(duì)該消防機(jī)器人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)室配備了本文所述的相關(guān)設(shè)備，采用蠟燭模擬著火點(diǎn)，并且隨機(jī)在室內(nèi)設(shè)計(jì)一些障礙物，對(duì)機(jī)器人自主定位導(dǎo)航、自主避障、火災(zāi)位置感知、火焰鎖定及遠(yuǎn)程客戶端協(xié)同工作進(jìn)行了多次測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容及結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試?yán)敖Y(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，該機(jī)器人各模塊正常協(xié)調(diào)工作，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位導(dǎo)航移動(dòng)、自主避障規(guī)劃路徑、自主感知火源位置、自主鎖定火焰并進(jìn)行噴水滅火，能更加智能、快速地完成室內(nèi)消防滅火。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新型室內(nèi)自主消防機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人以MiniPC 和STM32F103 為控制核心，采用HC-SR04超聲波傳感器、Lepton紅外熱成像模組、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和DW1000芯片作為實(shí)現(xiàn)各功能的主要元器件。該機(jī)器人創(chuàng)新性地應(yīng)用了計(jì)算機(jī)視覺、UWB室內(nèi)定位技術(shù)和WIFI的CSI算法等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)火災(zāi)的及時(shí)監(jiān)測(cè)、自主導(dǎo)航移動(dòng)、及時(shí)探測(cè)火場(chǎng)信息、準(zhǔn)確定位火焰位置、自動(dòng)噴水滅火等功能，在一定程度上彌補(bǔ)了當(dāng)前室內(nèi)消防存在的缺點(diǎn)和問題，提高了室內(nèi)消防滅火的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、高效性和智能化程度，能夠在消防過程中起到重要的輔助作用，極大地保障了消防人員及室內(nèi)居民的生命安全，具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。