Hoả hoạn là một trong những thảm họa lớn gây thiệt hại lớn cho tính mạng và sức khỏe con người, phá hủy tài nguyên thiên nhiên và gây ô nhiễm môi trường. Tại Việt Nam những năm gần đây, tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hóa diễn ra mạnh mẽ dẫn đến số vụ hỏa hoạn cũng tăng lên không ngừng. Theo thông báo của Sở Cảnh sát và phòng cháy Hà Nội, trong năm 2023 xảy ra 3456 vụ cháy nổ khiến 157 người chết, 136 người bị thương và thiệt hại tài sản lên đến 878 tỉ đồng. Khi đám cháy lớn bùng phát, nhiệm vụ của người cứu hỏa là nhanh chóng dập lửa và cứu hộ người ra khỏi khu vực nguy hiểm. Công việc của những người lính cứu hỏa là vô cùng nguy hiểm. Môi trường hỗn loạn trong hỏa hoạn là nguyên nhân chính gây ra cái chết và bị thương của những người bị lửa bao vây. Người lính cứu hỏa cần phải tiếp cận vùng lửa và tiến hành dập lửa trước khi lửa bùng lên không thể kiểm soát. Những người lính cứu hỏa cần phải có đủ thông tin về vùng cháy, mức độ cháy và cả vị trí của những người đang gặp nạn trong thời gian thực để đưa ra quyết định dập lửa và cứu hộ cứu nạn đúng lúc. Đây là công việc rất khó khăn khi tầm nhìn bị hạn chế, môi trường làm việc thay đổi liên tục do khói dày đặc, nhiệt độ cao, tường và trần nhà và các vật dụng khác có thể đổ sập.

Robot là một trong những lĩnh vực tự động hóa phát triển rất nhanh trong những thập kỷ qua. Rất nhiều các hệ thống Robot được phát triển để loại trừ yếu tố con người khỏi nhưng công việc nguy hiểm. Việc nghiên cứu và phát triển các Robot chữa cháy để trợ giúp và thay thế những người lính cứu hỏa trở nên cấp thiết. Những Robot này có thể thâm nhập vào những vùng cháy để kiểm tra tình trạng, thực hiện các hoạt động cứu hộ cứu nạn và dập cháy theo chế độ điều khiển bằng tay hoặc tự động hoàn toàn. Có một số các Robot chữa cháy được phát triển tại Nhật Bản và Mỹ. Ở giai đoạn phát triển đầu tiên, hầu hết các Robot chữa cháy hoạt động ở chế độ điều khiển từ xa. Robot Thermite RS3 được sản xuất bởi công ty Howe & Howe Technology - Mỹ là một Robot chữa cháy chuyên dụng, được điều khiển từ xa và có thể di chuyển trong phạm vi 400m. Kết hợp với video quan sát bên trong, Robot này có thể được điều khiển người vận hành di chuyên trên các địa hình phức tạp của đám cháy, đẩy những vật cản ra khỏi đường đi của chúng. Robot Thermite là một trong các Robot đáp ứng được yêu cầu làm việc trong môi trường nguy hiểm và biến đổi của môi trường hoạt động của các vụ cháy. Robot chữa cháy Scrum Force được phát triển tại Nhật Bản và được sử dụng bởi phòng Cảnh sát chữa cháy thành phố Ichihara - Nhật Bản. Đây là Robot di động dạng bánh xe, di chuyển linh hoạt và tương đối nhanh, nhưng khả năng vượt tránh vật cản chưa hiệu quả. Cho đến nay, hầu như chưa có Robot chữa cháy tự động nào được phát triển và tham gia vào tác nghiệp thực tế. Một số mô hình được phát triển trong phòng thí nghiệm, còn rất nhiều hạn chế, hầu hết các nghiên cứu về Robot chữa cháy chủ yếu tập trung giải quyết bài toán xử lý ảnh, chưa quan tâm đến thiết kế phù hợp với địa hình làm việc thực tế và các bài toán chuyển động yêu cầu. Một số mô hình được phát triển trong phòng thí nghiệm, như mô hình Robot cứu hỏa dạng người SAFFiR được trang bị camera hồng ngoại, tuy nhiên nghiên cứu cũng chỉ dừng lại ở bước thiết kế Robot và thực hiện nhận dạng cháy mà chưa giải quyết bài toán điều khiển Robot thực hiện hoạt động di chuyển và chữa cháy. Nhằm phát triển một hệ thống Robot có khả năng di chuyển trên địa hình phức tạp và hỗn loạn, chúng tôi đề xuất thiết kế và chế tạo robot dạng đai bám đường. Việc sử dụng các loại đai bám đường được chứng minh tăng khả năng linh hoạt di chuyển trên các địa hình phức tạp, các địa hình có độ dốc như cầu thang. Robot có hai chế độ hoạt động là điều khiển từ xa và tự chủ hoàn toàn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào việc thiết kế và điều khiển Robot hoạt động tự động tránh vật cản và tiếp cận đám cháy để dập lửa.Công nghệ học sâu deep-learning - cụ thể là công cụ YOLOv4 được ứng dụng trong việc phát hiện lửa và được tích hợp vào hệ thống cho phép thực hiện trong thời gian thực. Bộ điều khiển được thiết kế trên cơ sở bộ điều khiển logic khả trình kết hợp với máy tính chủ. Thuật toán Bug 2 được sử dụng để thiết kế quỹ đạo tránh vật cản cho Robot nhờ các tín hiệu nhận được từ cảm biến siêu âm lắp đặt phía trước và phần hông xe. Các thử nghiệm trên hệ thống cho thấy mô hình YOLOv4 cho nhận dạng lửa với độ tin cậy cao và Robot có khả năng tiếp cận vùng lửa trong khi tránh các chướng ngại vật trên đường di chuyển.

Hình minh họa. Nguồn Internet

Robot chữa cháy được thiết kếtrong nghiên cứu này có dạng đai truyền bám đường và cấu trúc phù hợp để di chuyển linh hoạt và làm từ các vật liệu chịu nhiệt, phù hợp với môi trường khắc nghiệt của các vụ cháy. Khối thị giác máy trên cơ sở bộ nhận dạng YOLOv4 có khả năng nhận dạng và phát hiện các vùng cháy với độ chính xác cao trong thời gian thực. Robot được trang bị các cảm biến siêu âm để tránh có khả năng tránh được các vật cản trên quãng đường di chuyển về phía các vùng cháy. Khối điều khiển sử dụng PLC và máy tính chủ được thiết kế để thực hiện di chuyển Robot tiếp cận chính xác vùng cháy nhận dạng được. Các kết quả thử nghiệm cho thấy Robot đã bước đầu đáp ứng các yêu cầu cơ bản trong ứng dụng dập cháy. Trong các nghiên cứu tiếp theo, tác giả sẽ tiếp tục nâng cao tính hiệu quả, độ chính xác và tốc độ hoạt động của bộ nhận dạng của khối thị giác máy và khối cảm biến tránh vật cản, phát triển hệ thống Robot chữa cháy có thể làm việc trong các môi trường thực tế.

Chuyên san Đo lường, Điều khiển và Tự động hóa 2024, 28(2): 66-72 (ctngoc)