陳虹安,陳冬昌,馬洽穎,劉茂林

(江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 江門 529000)

0 引言

近年來,自然災(zāi)害頻頻發(fā)生,造成了巨大的損失[1]。人們不能阻擋災(zāi)害的發(fā)生,但災(zāi)后救援卻是力所能及之事,其中傷員救援更是重中之重。災(zāi)害發(fā)生的48 h內(nèi)是最佳的救援時(shí)間,可災(zāi)后環(huán)境復(fù)雜多變,災(zāi)后生命體位置無法確定嚴(yán)重阻礙著救援工作的開展,同時(shí)也對(duì)救援人員的生命造成了威脅[2]。本文設(shè)計(jì)了一款多功能智能化應(yīng)急救援系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在危險(xiǎn)環(huán)境中代替人體進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)及災(zāi)后生命體的探測(cè)等工作,為救援工作提供重要的依據(jù)。

1 系統(tǒng)方案

移動(dòng)機(jī)器人可分為輪式機(jī)器人、履帶式機(jī)器人、仿生足式機(jī)器人和混合式機(jī)器人四大類[3],它們各有其優(yōu)缺點(diǎn),具體如表1所示。由于多足機(jī)器人在瓦礫地面、狹窄空間的適應(yīng)能力和穿越能力非常強(qiáng)[4],非常適合災(zāi)后環(huán)境的救援工作。因此,本課題將六足機(jī)器人作為搜索機(jī)器人,進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制技術(shù)的研究。

表1 各類移動(dòng)機(jī)器人比較

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能化應(yīng)急救援系統(tǒng)主要以六足機(jī)器人越障系統(tǒng)作為載體,搭載災(zāi)后環(huán)境及生命體探測(cè)系統(tǒng),可在瓦礫地面、狹小空間內(nèi)穿行,采集災(zāi)后信息數(shù)據(jù),并基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳送至手持終端,也可以通過手持終端向機(jī)器人發(fā)送控制命令。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 功能與指標(biāo)

2.1 智能化應(yīng)急救援系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)功能

2.1.1 開發(fā)六足機(jī)器人越障系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人越障系統(tǒng)的開發(fā)?？刂屏銠C(jī)器人多條腿協(xié)調(diào)動(dòng)作,優(yōu)化該機(jī)器人在瓦礫地面、狹小空間內(nèi)適應(yīng)能力與穿越能力,使適應(yīng)于災(zāi)后的復(fù)雜、未知環(huán)境,能在惡劣的災(zāi)后環(huán)境中進(jìn)行越障、探測(cè)等災(zāi)后救援工作。

2.1.2 開發(fā)災(zāi)后環(huán)境與生命體探測(cè)系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)智能救援機(jī)器人對(duì)災(zāi)后環(huán)境參數(shù)與生命體的實(shí)時(shí)探測(cè)。智能救援小車的生命體探測(cè)系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心,采用火源檢測(cè)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、可燃?xì)鈾z測(cè)模塊、CO檢測(cè)模塊等對(duì)災(zāi)后的火源、溫濕度、可燃?xì)怏w及CO等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),采用紅外生命體檢測(cè)模塊對(duì)生命體進(jìn)行檢測(cè)并且實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上傳手持終端。

2.1.3 開發(fā)基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、手持終端實(shí)時(shí)顯示與控制系統(tǒng)

實(shí)時(shí)上傳智能小車采集的災(zāi)后環(huán)境及生命體參數(shù)至手持終端,并且可進(jìn)行遙控及實(shí)時(shí)顯示,作為救援人員監(jiān)控、指揮和決策的重要依據(jù)。

2.2 本系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

本項(xiàng)目嚴(yán)格按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定本項(xiàng)目產(chǎn)品的技術(shù)條件,同時(shí)發(fā)揮無線通信技術(shù)、地磁感應(yīng)技術(shù)特色,主要達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)。

(1)智能化應(yīng)急救援系統(tǒng)中所有檢測(cè)參數(shù)的檢測(cè)精度達(dá)到國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn);

(2)控制終端中的遙控流暢,傳輸?shù)囊曨l清晰;

(3)具備完善的保護(hù)功能和故障自診斷功能,包括設(shè)備過流保護(hù)、欠壓報(bào)警、電池耗盡報(bào)警和設(shè)備破壞的保護(hù);

(4)實(shí)現(xiàn)與手持終端的實(shí)時(shí)傳輸,可主動(dòng)發(fā)布實(shí)時(shí)檢測(cè)信息。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

六足機(jī)器人是由機(jī)架、六條腿及相應(yīng)的關(guān)節(jié)組成的一個(gè)多支連運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)[5],如圖2所示。為了讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)并能靈活地在各種復(fù)雜環(huán)境移動(dòng),需要針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置、每條腿3個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、位置關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。本文采用D-H數(shù)學(xué)模型建立六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

圖2 搜救機(jī)器人模型

圖3 搜救機(jī)器人單腿結(jié)構(gòu)

D-H矩陣為:

n-1Tn=Trans(ai,0,di)rotzn-1(θn)rotxn(α)

(1)

(2)

(3)

(4)

經(jīng)計(jì)算,可得:

(5)

表2 各參數(shù)意義

3.2 機(jī)器人核心控制板設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中,主要是由2個(gè)單片機(jī)座位電路設(shè)計(jì)的芯片,其中stm32F103c8t6進(jìn)行傳感器信息的收集和傳輸信息,stm32f103zet6進(jìn)行舵機(jī)控制運(yùn)算,核心控制板設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 核心控制板設(shè)計(jì)

STM32F103ZET6是STM32家族中性能比較高端的單片機(jī)[7],將單片機(jī)作為智能搜救系統(tǒng)的主控控制器芯片,其內(nèi)核主要是Cortex-M3。處理速度快,工作效率高。

3.3 電源穩(wěn)壓及其電路設(shè)計(jì)

智能化應(yīng)急救援系統(tǒng)電源采用的是2S鋰電池,其輸出電壓為7.4 V。由于不同的模塊用的電源各不相同[8],如MCU與空氣檢測(cè)模塊所需電壓分別是3.3 V與5 V,所以設(shè)計(jì)了不同的電路來輸出不同的電壓供各個(gè)模塊使用,如圖5所示。

MP1584是一種高性能高頻降壓芯片[9],通過芯片MP1584來輸出穩(wěn)定的5 V,并且?guī)ж?fù)載能力也能達(dá)到要求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整體程序可劃分為3大部分:

(1)主程序部分。該程序主要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化操作,開外中斷、設(shè)置定時(shí)器,讓機(jī)器人處于復(fù)位狀態(tài),然后主程序循環(huán)判斷命令,如果判斷是開啟自動(dòng)運(yùn)行生命探測(cè)系統(tǒng),機(jī)器人就會(huì)開始自動(dòng)運(yùn)行爬入廢墟。同時(shí)每隔2 s就對(duì)附近的溫度進(jìn)行檢測(cè),同時(shí)傳出數(shù)據(jù)。

(2)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng),當(dāng)機(jī)器人處于開機(jī)狀態(tài)時(shí),有害氣體的查詢也會(huì)同時(shí)開啟,當(dāng)查詢到有害氣體時(shí),機(jī)器人會(huì)大聲報(bào)警并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

(3)外部中斷程序。該部分程序主要是當(dāng)生命檢測(cè)系統(tǒng)探測(cè)到生命體后可以跟受災(zāi)者進(jìn)行語(yǔ)音,同時(shí)對(duì)受災(zāi)者進(jìn)行物資援救,增加受災(zāi)者生存率,也為消防救災(zāi)者提供點(diǎn)上的幫助[10]。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 避障測(cè)試

機(jī)器人在行走的過程中,超聲波傳感器發(fā)出超聲波信號(hào)。遇到障礙后,將數(shù)據(jù)反饋到機(jī)器人,通過時(shí)間差來判斷機(jī)器人與障礙之間的距離。測(cè)試超聲波避障反饋回來的數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 超聲波避障反饋回來的數(shù)據(jù)

5.2 環(huán)境參數(shù)及生命體檢測(cè)測(cè)試

智能化應(yīng)急救援系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)后環(huán)境參數(shù)測(cè)量和災(zāi)后生命體的實(shí)時(shí)探測(cè)。如圖7所示。

圖7 環(huán)境參數(shù)及生命體檢測(cè)圖

5.3 App控制測(cè)試

本作品的App的控制鍵有開、關(guān)、坐下、招手、搖手、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等按鍵,可進(jìn)行自動(dòng)循跡避障,并可傳送攝像頭畫面等數(shù)據(jù)至上位機(jī)。如圖8所示。

圖8 手機(jī)控制過程測(cè)試

6 功能與特色

(1)實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人越障系統(tǒng)的開發(fā)?？刂屏銠C(jī)器人多條腿協(xié)調(diào)動(dòng)作,能在惡劣的災(zāi)后環(huán)境中進(jìn)行越障、探測(cè)等災(zāi)后救援工作,在搜救輔助方面非常有價(jià)值。

(2)實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)后環(huán)境參數(shù)與生命體的實(shí)時(shí)探測(cè)。智能化應(yīng)急救援系統(tǒng)集災(zāi)后的火源、溫濕度及CO等多參數(shù)檢測(cè)于一體,實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜多變的災(zāi)后環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測(cè);實(shí)現(xiàn)了災(zāi)后生命體的探測(cè),為救援人員提供了準(zhǔn)確的生命體位置,為救援節(jié)省了時(shí)間,增加了生命體幸存的概率。

(3)實(shí)時(shí)上傳采集的災(zāi)后環(huán)境及生命體參數(shù)至手持終端,并且可進(jìn)行遙控及實(shí)時(shí)顯示,作為救援人員監(jiān)控、指揮和決策的重要依據(jù)。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,智能化應(yīng)急救援系統(tǒng)采用了六足機(jī)器人為載體,能夠在災(zāi)后形成的瓦礫地面、狹窄空間內(nèi)穩(wěn)定穿越,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)雜多變的災(zāi)后環(huán)境參數(shù),實(shí)現(xiàn)災(zāi)后生命體的探測(cè);能將相關(guān)參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸至控制臺(tái),為救援工作的實(shí)施提供了重要的依據(jù)。