基于机器人的室内被困人员搜救引导疏散系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了基于机器人的室内被困人员搜救引导疏散系统及方法，属于虚拟仿真技术领域。本发明专利技术通过设置机器人个数及初始位置来感知环境，对灾情中室内被困人员进行智能搜救，并采集现场实时三维图像数据，做出决策分析，将周围环境信息及时传输给现场施救人员。本发明专利技术的疏散方法采用机器人进行模拟训练，以虚拟现实技术为依托，并通过改进的路径规划算法对疏散路径进行优化，创建更加逼真的疏散环境及人物重建模型，提高了疏散效率，能够更好地模拟出真实的疏散过程，从而为有效减少人员疏散中的伤亡和最佳救援方案的制定提供了参考，具有一定的现实指导意义，值得被推广使用。值得被推广使用。值得被推广使用。

【技术实现步骤摘要】
基于机器人的室内被困人员搜救引导疏散系统及方法


[0001]本专利技术涉及虚拟现实
，具体涉及基于机器人的室内被困人员搜救引导疏散系统及方法。

技术介绍

[0002]随着虚拟现实技术的不断发展，将虚拟现实技术应用于应急疏散领域，可以减少不必要的人员伤亡及降低成本。
[0003]由于传统应急疏散存在风险高，成本代价大且不易实现等缺点，可视化的计算机仿真提供了直观的真实环境，且已成为主流，开展仿真演练显得尤为重要。然而，目前传统应急疏散的做法通常还是采用模拟灾情现场演练，或是发生真实火灾后消防人员的现场实操等形式。传统应急演练一般需要在专门的场地内进行，这种演练方法存在以下不足：(1)采用传统演练，需要进行演练前的培训学习，通常以视频等方式进行，耗费时间，且学习效果不佳。(2) 采用手把手教学的方式，参演人员虽说在一定程度上掌握了演练过程中的注意事项及疏散细节，但依然无法置身于整个疏散场景。(3)现场实操，搜救室内被困人员，或多或少存在一定的人员伤亡等不可控因素。(4)传统疏散演练所需器材价格不菲，每演练一次投入的资金成本、人力物力过大。
[0004]近年来，随着技术的发展，在疏散培训教学和仿真演练等方面，虚拟疏散演练系统有着广阔的应用前景。利用虚拟演练系统，智能机器人可以针对不同种类突发情况采取不同的搜救方案，通过路径规划，机器人可以对人员做出相应的疏散引导，从而缩短救援时间。
[0005]经检索，关于采用虚拟仿真技术进行智能机器人搜救室内被困人员及引导疏散方法已有相关专利公开，申请号为CN201420826600.9、授权公告日为2015年04月22日、名称为基于多智能体理论的搜救机器人系统的技术专利。该技术专利中的多智能体搜救机器人系统包括远程控制设备、多智能体机器人群和无线网络系统；所述的多智能体机器人群包括领导者机器人和跟随者机器人；领导者机器人和跟随者机器人均包括摄像头模块、车体和四个轮子；所述的摄像头模块设置在车体顶部；车体内设有单片机、扩展板、电机控制电路、定位系统、Zigbee模块、红外生命探测模块、第一直流电源和第二直流电源。
[0006]又如，申请号为CN202120486714.3、授权公告日为2021年10月19日，名称为：一种基于多智能体的搜救机器人的技术专利。该技术专利中的多智能体搜救机器人包括：搜救机器人主体；所述搜救机器人主体包括摄像头和车身，且摄像头下侧设置有车身；所述摄像头下侧设置有拆装机构，且摄像头下侧皆固连有第一连接板；所述第一连接板远离摄像头的一端插设在滑槽内，且滑槽外侧开设在第二连接板内部；所述第二连接板上侧皆固连在车身内壁，且第一连接板内部开设有第二开槽；所述第二开槽内部插设有第三连接板，且第三连接板远离第一连接板的一侧固连有弹簧；所述弹簧远离第三连接板的一端固连在第二连接板内壁上。
[0007]上述两个技术专利中，均提供了一种多智能体的搜救机器人系统或方法，其
全面性不强，或者仅体现出其智能搜救，并未发挥其引导疏散的方法，而且其搜救多是以教程的形式进行解说，理论性比较强，与实际的三维仿真演练还有很大差距。为此，提出基于机器人的室内被困人员搜救引导疏散系统及方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题在于：如何克服传统疏散演练存在的演练成本高、易出现拥挤踩踏甚至伤亡等事故、不易实现的不足，提供了基于机器人的室内被困人员搜救引导疏散系统，本系统通过对不同灾情场景下的路径进行优化，尤其是对搜救室内被困人员及疏散环境进行路径优化，提高了疏散效率，节约了搜救时间，用于真实环境中的演练时，能够更好地模拟出演练全过程，从而显著提高参演人员的熟练度。
[0009]本专利技术是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本专利技术包括三维模型构建模块、注册登录模块、实际演练模块和考核模块；
[0010]所述三维模型构建模块，用于创建实际场景、机器人及疏散人员的三维模型；
[0011]所述注册登录模块，用于注册登录所述搜救引导疏散系统；
[0012]所述实际演练模块，用于进行应急疏散仿真演练，仿真演练内容包括智能搜救、引导疏散、实时信息显示；
[0013]所述考核模块，用于在演练结束后对整个过程进行考核评估。
[0014]更进一步地，在所述三维模型构建模块中，利用3ds Max软件对实际建筑物场景进行建模，对机器人和疏散人员进行贴图渲染和动画设计；并将创建好的模型以FBX格式导出，再导入仿真演练系统中。
[0015]更进一步地，在所述注册登录模块中，对搜救引导疏散系统进行UI界面设计，进入搜救引导疏散系统前需要注册，注册成功后方可登录。
[0016]更进一步地，在所述实际演练模块中，仿真演练时包含的模型有火源模型、Agent模型、速度模型；其中，火源模型即将火源简化后的一个圆锥模型，Agent模型即在火源模型场景下，定义机器人及疏散人员为Agent后，生成的模型，速度模型即根据各年龄段人员类型设定不同平均行走速度而生成的模型。
[0017]更进一步地，火源模型即将火源简化后的一个圆锥模型，并通过火源功率计算火势大小；所述火源模型的表达式为：
[0018][0019]其中，D表示锥形底面直径；Q表示火灾热释放率，单位为kW；q
e
表示单位面积的热释放率，单位为kW/m2，取值为500kW/m2；H表示火源高度。
[0020]更进一步地，在所述火源模型场景下，定义机器人及疏散人员为Agent，且都配有视觉传感器，采用射线检测技术模拟人类视觉，计算射线与物体的交点来确定两者距离；根据Agent 当前位置，获取一定范围内的外界信息，通过模拟人类视线进行环境交互，并做出相应反应行为；以Agent所处位置为中心，感知与其速度垂直方向左右90
°
范围内的物体；从Agent 模型双眼视区内发射射线，当检测到物体碰撞时，识别它的位置和物体类型；Agent在疏散过程中，会不时地检测是否发生碰撞，进而实时计算Agent下一时刻的运动数据，包括位置信息、移动速度、运动方向等，通过从传感器接收的信息做出下一步决策。
[0021]更进一步地，疏散人员Agent属性分为固有属性和动态属性，其中固有属性里的年龄划分为成年男性、成年女性、小孩、老人；根据各年龄段人员类型设定不同平均行走速度，其中成年男性平均行走速度为1.49m/s；成年女性平均行走速度为1.42m/s；小孩平均行走速度为1.00m/s；老人平均行走速度为1.06m/s。
[0022]更进一步地，三维演练场景模型构建后绑定的地图数据采用改进的A*算法对规划出来的路径进行处理，将当前节点周围8个相邻节点进行优先级划分，当前节点周围水平竖直方向的四个节点为优先遍历节点，剩余子节点依规则遍历；并引入贝塞尔曲线对规划出来的路径进行平滑处理。
[0023]更进一步地，引入贝塞尔曲线对规划出来的路径进行平滑处理的过程如下：
[0024]S101：根据机器人和障碍物选定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于机器人的室内被困人员搜救引导疏散系统，其特征在于，包括：三维模型构建模块、注册登录模块、实际演练模块和考核模块；所述三维模型构建模块，用于创建实际场景、机器人及疏散人员的三维模型；所述注册登录模块，用于注册登录所述搜救引导疏散系统；所述实际演练模块，用于进行应急疏散仿真演练，仿真演练内容包括智能搜救、引导疏散、实时信息显示；所述考核模块，用于在演练结束后对整个过程进行考核评估。2.根据权利要求1所述的基于机器人的室内被困人员搜救引导疏散系统，其特征在于：在所述三维模型构建模块中，利用3ds Max软件对实际建筑物场景进行建模，生成三维演练场景模型；对机器人和疏散人员进行贴图渲染和动画设计；并将创建好的模型以FBX格式导出，再导入搜救引导疏散系统中。3.根据权利要求1所述的基于机器人的室内被困人员搜救引导疏散系统，其特征在于：在所述注册登录模块中，对搜救引导疏散系统进行UI界面设计，进入搜救引导疏散系统前需要注册，注册成功后方可登录。4.根据权利要求1所述的基于机器人的室内被困人员搜救引导疏散系统，其特征在于：在所述实际演练模块中，仿真演练时包含的模型有火源模型、Agent模型、速度模型；其中，火源模型即将火源简化后的一个圆锥模型；Agent模型即在火源模型场景下，定义机器人及疏散人员为Agent后生成的模型；速度模型即根据各年龄段人员类型设定不同平均行走速度而生成的模型。5.根据权利要求4所述的基于机器人的室内被困人员搜救引导疏散系统，其特征在于：火源模型即将火源简化后的一个圆锥模型，并通过火源功率计算火势大小；所述火源模型的表达式为：H＝
‑
1.02D+0.235Q
2/5
其中，D表示锥形底面直径；Q表示火灾热释放率，单位为kW；q
e
表示单位面积的热释放率，单位为kW/m2，取值为500kW/m2；H表示火源高度。6.根据权利要求4所述的基于机器人的室内被困人员搜救引导疏散系统，其特征在于：在所述火源模型场景下，定义机器人及疏散人员为Agent，且均配有视觉传感器，采用射线检测技术模拟人类视觉，计算射线与物体的交点来确定两者距离；根据Agent当前位置，获取一定范围内的外界信息，通过模拟人类视线进行环境交互，并做出相应反应行为；以Agent所处位置为中心，感知与其速度垂直方向左右90
°
范围内的物体；从Agent模型双眼视区内发射射线，当检测到物体碰撞时，识别它的位置和物体类型；Agent在疏散过程中，不定时地检测是否发生碰撞，进而实时计算Agent下一时刻的运动数据，包括位置信息、移动速度、运动方向，通过从传感器接收的信息做出下一步决策。7.根据权利要求6所述的基于机器人的室内被困人员搜救引导疏散系统，其特征在于：疏散人员Agent属性分为固有属性和动态属性，其中固有属性里的年龄划分为成年男性、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学锋，刘束青，储岳中，汤亚玲，唐永吉，穆如如，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：