單桂軍，李正明，夏顯忠

(1.鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校電子與信息工程系，江蘇鎮(zhèn)江 212003;2.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003;3.江蘇捷誠(chéng)車載電子信息有限公司副總經(jīng)理室，江蘇鎮(zhèn)江 212028)

自世界上第一臺(tái)機(jī)器人誕生至今的70多年時(shí)間里，機(jī)器人技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展，出現(xiàn)了若干功能各異的機(jī)器人。

日本是最早開(kāi)展消防機(jī)器人研究和開(kāi)發(fā)的國(guó)家。早在1984年，日本消防部門(mén)就開(kāi)始了警用偵察救援機(jī)器人的研究。其次是美國(guó)、英國(guó)和俄羅斯等發(fā)達(dá)國(guó)家。消防機(jī)器人的研究大致分為3個(gè)階段。第一代是遙控消防機(jī)器人，第二代是計(jì)算機(jī)輔助遙控具有感覺(jué)功能的消防機(jī)器人，第三代是具有自適應(yīng)能力的智能消防機(jī)器人。第一代和部分第二代消防機(jī)器人已投入使用，且不同國(guó)家所研制的機(jī)器人在功能和結(jié)構(gòu)方面各有千秋。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家正在加快開(kāi)發(fā)第二代實(shí)用型消防機(jī)器人，第三代智能型消防機(jī)器人尚在探索之中，日本、美國(guó)和英國(guó)已進(jìn)入預(yù)研和論證階段。發(fā)達(dá)國(guó)家正加快開(kāi)發(fā)具有感覺(jué)功能的多功能實(shí)用型消防機(jī)器人，并把智能型消防機(jī)器人的開(kāi)發(fā)列入本國(guó)的近期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃［1］。

我國(guó)針對(duì)消防機(jī)器人的科研開(kāi)發(fā)始于1997年，已經(jīng)取得一些進(jìn)展，消防機(jī)器人在消防戰(zhàn)場(chǎng)上顯示了巨大優(yōu)勢(shì)。但目前國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的消防機(jī)器人基本還是第一代遙控機(jī)器人，操作較復(fù)雜，穩(wěn)定性欠缺，難以在實(shí)戰(zhàn)中廣泛推廣，極其欠缺更為先進(jìn)的第二代或第三代消防機(jī)器人。開(kāi)展先進(jìn)的消防機(jī)器人的研制與列裝具有特殊緊迫的意義。

1 研究?jī)?nèi)容

圖1是警用偵察救援機(jī)器人系統(tǒng)總體框圖。整個(gè)系統(tǒng)分為后臺(tái)指揮控制系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和機(jī)器人車載系統(tǒng)3個(gè)部分。其中，通信子系統(tǒng)是連接后臺(tái)指揮控制系統(tǒng)和機(jī)器人車載系統(tǒng)的橋梁。

圖1 警用偵察救援機(jī)器人系統(tǒng)總體框圖

1.1 機(jī)械子系統(tǒng)

機(jī)械子系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人的載體，必須具備移動(dòng)、越障功能，防水、耐高溫的特性。本項(xiàng)目將設(shè)計(jì)通用的機(jī)器人底盤(pán)系統(tǒng)，主要包括主履帶結(jié)構(gòu)、輔助履帶結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)和其他附屬結(jié)構(gòu)，是機(jī)器人的基本部分。重點(diǎn)需要考慮的是:

1)快速性。有較快的運(yùn)動(dòng)能力，要求平地運(yùn)動(dòng)速度大于2 m/s。

2)越障能力。如爬樓梯和翻越坍塌的建筑物等。

3)防水性。完全密封以保護(hù)內(nèi)部電氣等。

4)耐高溫。能夠禁得住火場(chǎng)周圍的高溫，且對(duì)內(nèi)部的電氣系統(tǒng)有一定的保護(hù)作用。

5)電磁隔離作用。能夠隔離火場(chǎng)中可能存在的針對(duì)電氣部分的電磁干擾。

1.2 電氣控制子系統(tǒng)

電氣控制子系統(tǒng)主要完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)警用偵察救援機(jī)器人的正常運(yùn)行。要求穩(wěn)定且具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，主要包括ETX嵌入式計(jì)算機(jī)模塊和控制電路。

本項(xiàng)目的ETX嵌入式計(jì)算機(jī)模塊是警用偵察救援機(jī)器人車載系統(tǒng)的核心，主要包括ETX CPU模塊和ETX自定義載板。ETX嵌入式計(jì)算機(jī)模塊將為救援機(jī)器人提供強(qiáng)大的決策和規(guī)劃能力，感知子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和控制電路等均圍繞該模塊設(shè)計(jì)和組織。該模塊將運(yùn)行嵌入式Linux系統(tǒng)。

本項(xiàng)目的控制電路主要包括DSP電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源管理電路、狀態(tài)顯示電路等。重點(diǎn)研究:

1)基于DSP和CPLD結(jié)構(gòu)的控制電路設(shè)計(jì)。該電路需要實(shí)現(xiàn)4路以上伺服電機(jī)+碼盤(pán)反饋的閉環(huán)控制算法和相應(yīng)的PWM信號(hào)生成。

2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。該電路需要將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)的伺服電壓，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

3)電源管理電路設(shè)計(jì)。該電路管理并監(jiān)控電池的電壓、電流和溫度等信息，并把24 V電池電壓轉(zhuǎn)為控制電路、驅(qū)動(dòng)電路等需要的5 V，12 V等電壓。

4)狀態(tài)顯示電路設(shè)計(jì)。該電路需要將電池監(jiān)控的信息和部分感知監(jiān)控子系統(tǒng)得到的信息在顯示屏上顯示。

1.3 感知子系統(tǒng)

感知子系統(tǒng)是警用偵察救援機(jī)器人的核心，取決于機(jī)器人所攜帶的感知設(shè)備，包括2部分:周圍環(huán)境感知和自身狀態(tài)感知。前者感知機(jī)器人周圍環(huán)境信息，為后臺(tái)指揮控制系統(tǒng)提供決策依據(jù);后者監(jiān)控機(jī)器人自身的狀態(tài)，以保證機(jī)器人能夠穩(wěn)定、魯棒和連續(xù)工作。

本項(xiàng)目中，周圍環(huán)境感知主要包括必備的和可選的感知設(shè)備。必備的感知設(shè)備為機(jī)器人必須攜帶的感知設(shè)備，包括可見(jiàn)光攝像機(jī)、熱成像攝像機(jī)、氣體成分感知及分析儀、溫度感知系統(tǒng);可選的感知設(shè)備可根據(jù)需要定制，用以提高偵察救援機(jī)器人的性能，包括激光掃描儀、超寬帶生命感知儀、輻射感知設(shè)備等。自身狀態(tài)感知采用的設(shè)備包括安裝在機(jī)器人車體、主/輔履帶的傾角儀，布置在機(jī)器人表面的溫度傳感器、力傳感器等。

1.4 機(jī)械臂子系統(tǒng)

機(jī)械臂子系統(tǒng)是警用偵察救援機(jī)器人的擴(kuò)展設(shè)備，用于增強(qiáng)機(jī)器人對(duì)火場(chǎng)環(huán)境的處理能力。項(xiàng)目中的機(jī)械臂子系統(tǒng)為兩級(jí)伸縮式機(jī)械臂(臂展＞1 m)，并攜帶多路可見(jiàn)光攝像機(jī)。利用機(jī)械臂上的攝像機(jī)探知復(fù)雜狹小環(huán)境中的信息，借助機(jī)械臂推/拉開(kāi)消防通道中虛掩的門(mén)，便于機(jī)器人進(jìn)一步探測(cè)。

1.5 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面提供指揮人員與后臺(tái)指揮控制系統(tǒng)之間的人機(jī)接口。指揮人員可以選擇多種輸入設(shè)備，如模擬操縱桿或者模擬方向盤(pán)、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、多點(diǎn)觸摸屏等，對(duì)警用偵察救援機(jī)器人進(jìn)行遙控。通過(guò)顯示終端的數(shù)據(jù)顯示監(jiān)視機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)，通過(guò)車載端的視頻采集系統(tǒng)直接觀察機(jī)器人工作環(huán)境。人機(jī)交互支持語(yǔ)音對(duì)講功能，能夠和現(xiàn)場(chǎng)求救人員或消防人員進(jìn)行語(yǔ)音交互。

1.6 后臺(tái)操控子系統(tǒng)

后臺(tái)操控子系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)交互界面，為后臺(tái)指揮人員提供方便的操作方式以遙控機(jī)器人工作。本項(xiàng)目中的后臺(tái)操縱子系統(tǒng)為機(jī)器人提供了一系列半自動(dòng)操作功能，以減輕操作人員的操作負(fù)擔(dān)。例如，操作人員可以直接選取人機(jī)交互界面中顯示的現(xiàn)場(chǎng)圖像中的某一點(diǎn)，機(jī)器人可以自動(dòng)規(guī)劃路徑，避障運(yùn)動(dòng)到指定的位置。又如，后臺(tái)操控子系統(tǒng)可以自動(dòng)監(jiān)控并標(biāo)記感知的一些重點(diǎn)區(qū)域和對(duì)象，供操作人員判讀。

1.7 后臺(tái)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

后臺(tái)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)以液晶顯示屏和電視屏幕為顯示終端，采用組合顯示方式顯示現(xiàn)場(chǎng)圖像和各種檢測(cè)參數(shù)。通過(guò)該系統(tǒng)，后臺(tái)指揮人員可以了解災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的情況。該系統(tǒng)還將機(jī)器人狀態(tài)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)分類處理后以直觀的方式顯示出來(lái)，便于后臺(tái)指揮人員監(jiān)控和分析機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。

1.8 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)主要保證指揮控制系統(tǒng)和機(jī)器人車載系統(tǒng)間的通信，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性和控制性能。本項(xiàng)目中的通信子系統(tǒng)采用消防用數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)在城市環(huán)境中的有效傳輸距離大于1 000 m，一方面，將車載子系統(tǒng)中各種感知設(shè)備感知的信息，包括可見(jiàn)光/紅外攝像機(jī)采集的圖像、氣體成分、車體狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)指揮控制系統(tǒng);另一方面，將指揮控制系統(tǒng)下達(dá)的各種命令穩(wěn)定、可靠、快捷地傳輸給車載子系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

警用偵察救援機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果圖見(jiàn)圖2。

圖2 警用偵查救援機(jī)器人效果圖

2.2 針對(duì)項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵擬采用的技術(shù)路線和實(shí)施方案

2.2.1 通用防水、耐高溫機(jī)械結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目的機(jī)器人采用主履帶與副履帶結(jié)合的復(fù)合式履帶結(jié)構(gòu)，要求機(jī)器人能夠行進(jìn)、轉(zhuǎn)彎，且副履帶能夠升降，并和主履帶同步運(yùn)動(dòng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。本項(xiàng)目基于現(xiàn)有履帶機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。對(duì)機(jī)器人移動(dòng)載體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，確定其在不同情況下的受力變化，進(jìn)而確定滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和負(fù)載性能的直流伺服電機(jī)型號(hào)，并設(shè)計(jì)機(jī)器人的主履帶。機(jī)器人的副履帶由同一電機(jī)通過(guò)渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)控制，且可以和主履帶聯(lián)動(dòng)。履帶材料要具有一定的抗高溫性能。機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)將被完全密封，且表面做防水處理。

圖3 履帶機(jī)器人結(jié)構(gòu)

2.2.2 電氣控制子系統(tǒng)

本項(xiàng)目中的ETX嵌入式計(jì)算機(jī)模塊采用高性能的Core 2 Duo處理器，支持高達(dá)2 G的內(nèi)存，擁有圖形和內(nèi)存控制器集線器，4路PCI Express總線，1路 EIDE(UDMA-66/100)，2 路 Express Card，6 路USB接口，兼容快速以太網(wǎng)，支持MPEG2硬件加速，高質(zhì)量、高位率MPEG2媒體回放等。

項(xiàng)目中的控制電路主要包括DSP電路、驅(qū)動(dòng)電路、電源管理電路和狀態(tài)顯示電路。各部分的結(jié)構(gòu)如圖4所示?？刂齐娐返暮诵臑镈SP電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。DSP電路基于TI公司的DSP TMS320F2812，配合USB接口、eCAN接口、串口等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為采用大功率場(chǎng)效應(yīng)管搭建的H橋電路。為實(shí)現(xiàn)控制智能化，驅(qū)動(dòng)電路中增加了DSP2808，用以提供自診定的PID控制和eCAN接口。

圖4 控制電路結(jié)構(gòu)

2.2.3 感知子系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

感知子系統(tǒng)是機(jī)器人的眼睛，既要感知周圍環(huán)境信息，又要監(jiān)控自身狀態(tài)。它的實(shí)現(xiàn)依賴于機(jī)器人系統(tǒng)添加的傳感器和對(duì)傳感器獲取信息的處理［2］。

感知周圍環(huán)境信息的傳感器主要包括:

1)可見(jiàn)光和熱成像攝像機(jī)，用于感知機(jī)器人周圍，特別是前方的環(huán)境信息?？梢?jiàn)光攝像機(jī)可用時(shí)，它是機(jī)器人的主要感知系統(tǒng);可見(jiàn)光攝像機(jī)不可用(如煙霧環(huán)境)時(shí)，熱成像攝像機(jī)將起主要作用。

2)氣體成分和分析設(shè)備，用以感知火場(chǎng)的氣體成分，特別是有毒氣體的濃度。

3)輻射感知設(shè)備，用來(lái)感知火場(chǎng)的輻射強(qiáng)度。

4)溫度傳感器，用以確定火場(chǎng)所在的方位和火勢(shì)的蔓延情況。

5)激光雷達(dá)，用以感知機(jī)器人周圍的障礙信息，并搜索機(jī)器人可通行的區(qū)域。

6)超寬帶(UWB)生命探測(cè)儀，用以感知并搜索火場(chǎng)中可能存在的生命跡象。

感知的周圍環(huán)境信息可以提供給后臺(tái)指揮控制系統(tǒng)，供指揮人員決策并控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，還可以提供給ETX嵌入式計(jì)算機(jī)，使機(jī)器人具有一定的自主性。

感知機(jī)器人自身狀態(tài)的傳感器主要包括:安裝在機(jī)器人車載系統(tǒng)主/輔履帶的傾角傳感器、GPS/北斗接收器，放置在機(jī)器人表面的溫度傳感器、電池電壓測(cè)量等。

2.2.4 機(jī)械臂子系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

機(jī)械臂子系統(tǒng)用以提高機(jī)器人的性能，該系統(tǒng)采用兩級(jí)伸縮結(jié)構(gòu)，并配備若干臺(tái)必要的攝像機(jī)。

基于正在設(shè)計(jì)的上述機(jī)械臂系統(tǒng)，首先，進(jìn)行兩級(jí)機(jī)械臂子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析，分別建立機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)。而后，根據(jù)具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)確定機(jī)械臂各分系統(tǒng)的性能參數(shù)，并借助Solidwork等機(jī)械設(shè)計(jì)軟件作初步的裝配圖。接著，組裝并調(diào)試機(jī)械臂直至其滿足給定的性能。最后，加裝需要的傳感器。

2.2.5 后臺(tái)指揮控制系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

后臺(tái)指揮控制系統(tǒng)包括人機(jī)交互界面、后臺(tái)操控子系統(tǒng)、后臺(tái)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)3個(gè)部分。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)基于多點(diǎn)觸摸平臺(tái)和Linux操作系統(tǒng)［3］。

人機(jī)交互界面可視化顯示感知子系統(tǒng)感知的信息，提供方便、易操作的機(jī)器人遙控方式，其核心在于直觀、易控。本項(xiàng)目基于PAD的Linux系統(tǒng)，采用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人感知子系統(tǒng)提供的視頻信息被解壓縮后，分路顯示在PAD的顯示屏上。激光雷達(dá)的信息應(yīng)用二維激光建圖算法，形成機(jī)器人周圍的地圖信息后顯示?；饒?chǎng)溫度傳感器和生命探測(cè)儀的信息以偽彩色圖的方式直觀地顯示。機(jī)器人自身狀態(tài)的感知信息用來(lái)重建機(jī)器人的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)，以機(jī)器人運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)的形式顯示。指揮人員對(duì)機(jī)器人的控制主要通過(guò)多點(diǎn)觸摸屏實(shí)現(xiàn)，同時(shí)根據(jù)需要提供鼠標(biāo)、鍵盤(pán)和操縱桿等。

后臺(tái)操縱子系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)機(jī)器人的可通行路徑、機(jī)器人自身的狀態(tài)和火場(chǎng)態(tài)勢(shì)等，為機(jī)器人提供一定程度的自主操縱能力，以減輕操作人員的操作負(fù)擔(dān)。以警用偵察救援機(jī)器人從一個(gè)位置自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到另一個(gè)位置為例。后臺(tái)操作人員在觸摸屏上選擇機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)點(diǎn)，機(jī)器人將結(jié)合激光傳感器和視覺(jué)攝像機(jī)感知的周圍環(huán)境信息，實(shí)時(shí)規(guī)劃一條路徑，自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)。機(jī)器人的自主運(yùn)行能力將隨著技術(shù)的研發(fā)不斷增強(qiáng)［4－6］。

后臺(tái)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)以PAD顯示屏和額外的顯示終端來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人感知的傳感信息，在后臺(tái)實(shí)時(shí)處理，提取并強(qiáng)化有用的目標(biāo)信息，以直觀的方式顯示，輔助指揮人員決策。例如，系統(tǒng)利用感知的機(jī)器人自身狀態(tài)信息，結(jié)合機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)三維重建機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并可視化顯示。

2.2.6 通信系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮通信的可靠性和實(shí)時(shí)性。消防機(jī)器人是在惡劣的火場(chǎng)環(huán)境工作，采用可靠的、抗干擾能力強(qiáng)的無(wú)線通信方式，在傳輸系統(tǒng)中加入某種類型的差錯(cuò)控制機(jī)制和數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，可以保證通信質(zhì)量。采用多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)技術(shù)能夠完成機(jī)器人之間數(shù)據(jù)共享與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)［7］的組建，各機(jī)器人根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境自主保持特定距離，保證機(jī)器人之間、機(jī)器人與后臺(tái)控制系統(tǒng)之間的通信可達(dá)性。

項(xiàng)目中采用消防用圖像傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)在城市環(huán)境中可靠性及傳輸能力強(qiáng)大，有效傳輸距離大于1 000 m。

4 項(xiàng)目研究的創(chuàng)新點(diǎn)

1)多機(jī)器人協(xié)作與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)。通過(guò)多臺(tái)機(jī)器人合作作業(yè)，自主組建一個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，保證了機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境下通信的可靠性。

2)智能構(gòu)建地形圖能力。根據(jù)機(jī)器人所處地形自動(dòng)構(gòu)建周圍的地形圖，用戶在后臺(tái)控制系統(tǒng)即可全面了解災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部地形，提高救援能力。

3)優(yōu)越的環(huán)境適應(yīng)能力。采用全加固技術(shù)克服普通機(jī)器人不適應(yīng)雨淋潮濕、高溫高熱的環(huán)境的難點(diǎn)，機(jī)器人能夠無(wú)故障地完成1 m水深的涉水。采用防火材料，保證機(jī)器人具備一定的防火性能。

4)作業(yè)系統(tǒng)采用ETX嵌入式模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)使用需求選擇合適的傳感器、作業(yè)模塊進(jìn)行安裝，保證機(jī)器人適應(yīng)多種災(zāi)難環(huán)境。

5 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目研制的消防偵察救援特種機(jī)器人投入生產(chǎn)后，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益相當(dāng)可觀。同時(shí)，它的相關(guān)領(lǐng)域拓展、相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步顯現(xiàn)。該裝備的最終列裝必將大大提高我國(guó)公安消防警察部隊(duì)在火災(zāi)等現(xiàn)場(chǎng)的生命救援效率以及作戰(zhàn)部隊(duì)的戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)能力。相關(guān)成果還可轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)品，在以下領(lǐng)域獲得推廣應(yīng)用:消防排煙機(jī)器人、反恐作戰(zhàn)機(jī)器人、無(wú)人巡邏機(jī)器人戰(zhàn)車等。

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