徐文偉，毛麗民，彭偉偉，吳余生，謝新明

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500）

一種基于遠程控制的搜救機器人

徐文偉，毛麗民，彭偉偉，吳余生，謝新明

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500）

針對災難現(xiàn)場情況復雜，且救援人員在存在煙霧、灰塵和一氧化碳等有害物的情況下很難進入現(xiàn)場開展救援工作的問題，設計了以STC89C516RD+單片機為控制核心的遠程控制搜救機器人，通過熱釋電紅外傳感器和高清攝像頭配合工作.實驗表明，該機器人體積小，能快速、準確地搜索到目標.

遠程控制；搜救；STC89C516RD+單片機

地震、礦難、火災等災難發(fā)生后，在廢墟中搜尋幸存者，給予必要的醫(yī)療救助，是救援人員面臨的緊迫任務.超過48小時后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來越低[1].由于災難現(xiàn)場情況復雜，救援人員在存在煙霧、灰塵和一氧化碳等有害物的情況下很難進入現(xiàn)場開展救援工作，救援人員可以遠程控制搜救機器人進入現(xiàn)場，機器人通過無線局域網(wǎng)將攝像頭的視頻信號傳輸?shù)缴衔粰C，救援人員根據(jù)傳回的信息了解現(xiàn)場情況，及時做出準確的判斷，為搜救工作帶來方便[2].

1 設計原理

搜救機器人在搜索過程中通過熱釋電紅外傳感器和高清攝像頭的配合，判別是否尋找到幸存者.通過藍牙透傳模塊傳輸控制信號，實現(xiàn)遠程控制搜救機器人的運動，機器人通過無線局域網(wǎng)將攝像頭的視頻信號傳輸?shù)缴衔粰C，使搜救人員可以掌握搜救現(xiàn)場的情況.當機器人行進過程中遇到障礙，救援人員可以操作機器手進行搬運或者繞開行駛.一旦熱釋電紅外傳感器感測到幸存者，蜂鳴器開始報警，并將報警信息傳輸回上位機.救援人員可以適時使用車載機械手搬運覆蓋在幸存者身上的物體，同時向被困者輸送營養(yǎng)液，維持其生命[3].在常態(tài)運行過程中，機器人還會采集現(xiàn)場的溫度及煙霧濃度信號傳回控制平臺，使救援人員能夠了解現(xiàn)場的環(huán)境信息，對救援工作及人員安全起到幫助作用.

機器人的移動平臺采用履帶式結構，與輪式結構相比，該驅動方式具備更低的接地比，具有更好的穩(wěn)定性、牽引力和推動力，爬坡能力、通行性能遠遠優(yōu)于輪式，尤其是在泥地、崎嶇的野外等松軟地面上進行作業(yè).

2 搜救機器人上位機的設計

本系統(tǒng)的上位機程序采用全圖形化的操作界面（見圖1），視頻輸入和控制輸出都是在該界面上進行的，程序設計采用Visual Basic.上位機接收傳回的圖像，經(jīng)過操作人員判斷后控制搜救機器人的運動，包括搜救機器人前進、后退、左轉、右轉，機械手各自由度的調整及營養(yǎng)液輸送等，同時機器人將采集的現(xiàn)場信息（如溫度、煙霧、熱釋紅外信號等）實時返回給上位機.

圖1 攝像頭圖像采集界面和主控界面

圖2 搜救機器人示意圖

圖3 電機驅動電路

3 硬件電路設計

本設計基于STC89C516RD+微處理器，構建了具有目標搜索與遠程控制功能的搜救機器人.機器人系統(tǒng)的組成主要包括微處理器部分、電源供電部分、電機控制部分、目標搜尋與檢測部分、通訊部分等，如圖2所示.

3.1 微處理器

本設計采用STC89C516RD+單片機，STC89C516RD+是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有64 K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，1280字節(jié)RAM，全雙工串行口，32位I/O口線，看門狗定時器，三個16位定時器/計數(shù)器.使得STC89C516RD+為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案.

3.2 電機驅動電路

如圖3所示，單片機的四個引腳分別與電機驅動的控制端口相連.當輸入信號端IN1接高電平，IN2接低電平，電機M1正轉；信號端IN1接低電平，IN2接高電平，電機M1反轉.當輸入信號端IN3接高電平，IN4接低電平，電機M2正轉；信號端IN3接低電平，IN4接高電平，電機M2反轉.LED1和LED2作為電機M1正反轉的指示，LED3和LED4作為電機M2正反轉的指示.由于電機是線圈式的，從運行狀態(tài)到突然停止和轉向的切換，電感性負載的電機電流不能突變，將產(chǎn)生無限高的感生電動勢，使得驅動芯片擊穿，為了防止產(chǎn)生這種影響，所以電路上加入的二極管D1～D8就是在產(chǎn)生感生電流時作泄流作用的，將電能回送給電源，此時電源電壓反向加在負載的電感上，迫使電流按照一定的變化率減小至零.

3.3 人體紅外檢測設計

圖4為熱釋電人體紅外檢測電路圖，該搜救機器人所用的熱釋電紅外傳感器采用雙探測元的結構，紅外傳感信號處理器為BISS0001.紅外探測器采用熱釋電元件，對人體輻射出的10 μm左右波長的紅外輻射非常敏感.當人體發(fā)出的微量紅外線引起熱釋電紅外傳感的內(nèi)部敏感元件溫度變化時，傳感器將在它的外接電阻R4兩端產(chǎn)生一種微弱的電壓信號，將信號接至BISS0001的前置運算放大器同相輸入端1IN+進行放大濾波.經(jīng)第一級放大處理后從1OUT引腳輸出，由電容C3耦合至芯片內(nèi)部二級運放器的反相輸入端2IN-進行第二級放大，在BISS0001內(nèi)部電路作雙向鑒幅處理后有效地觸發(fā)延時定時器.

圖4 熱釋電人體紅外檢測電路

圖5 煙霧檢測電路

圖6 報警電路

3.4 煙霧檢測

煙霧檢測電路如圖5，該設計采用旁熱式煙霧傳感器MQ1，在沒有煙霧的情況下，傳感器的阻值為20 K左右，煙霧進入時其阻值急劇下降，使其壓降降低.從傳感器上端出來的信號Vi經(jīng)過運算放大器的同相輸入端，但是為了保證引入的是負反饋，輸出電壓Vo通過電阻R15接到反相輸入端，同時，反相輸入端通過電阻R14接到參考電壓Vref，由于引入深度電壓串聯(lián)負反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低.高輸入阻抗就可以減少放大電路對前端電路的影響，同時低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性.該放大電路還加入了參考電壓，引入了零點調節(jié)功能，產(chǎn)生一個參考電壓Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運算放大電路的電壓參考端.調節(jié)滑動變阻器，可以直接改變放大電路的參考電壓，電壓跟隨器用來匹配阻抗，防止R14和R15對滑動變阻器輸出電壓的影響.煙霧探頭在工作情況下會有一定的發(fā)熱，這是由于其電阻特性導致的，屬正?，F(xiàn)象.

3.5 報警電路

圖6為報警電路圖，當熱釋電傳感器檢測到幸存者時，程序控制報警器將端口置低電平，PNP三極管導通，蜂鳴器得電開始報警，可以幫助搜救人員更快到達目的地.

3.6 電源模塊

如圖7所示，系統(tǒng)使用7.4V 5000 mAh 20C的航模鋰電池作為主電源，該電池采用聚合物鋰電芯，能提供超長的續(xù)航能力，且放電倍率大，適合大功率負載.5 V電源由7805提供，7805是三端穩(wěn)壓芯片，所需外圍器件極少，芯片內(nèi)部有過熱、過流的保護電路，使用方便，能提供1.5 A的輸出電流，能可靠地為單片機及外接模塊供電，輸出端口并聯(lián)10 μF電容是為了減少輸出紋波，使控制器不受電源質量干擾.

3.7 串口通訊電路

圖8為串口通信電路圖，采用了專用芯片MAX232進行RS232電平與TTL電平的轉換，采用三線制連接串口，9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD.

3.8 單片機最小系統(tǒng)電路

圖9是單片機最小系統(tǒng)電路圖，機器人選用宏晶科技生產(chǎn)的高速、低功耗、超強抗干擾的STC89C516RD+單片機為控制核心，該單片機同屬于51系列，使用上電復位設計.時鐘電路外接11.0592M晶體振蕩器，XTAL1與XTAL2分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出，并且根據(jù)推薦使用兩個22 pF的瓷片電容接地來削減諧波對電路穩(wěn)定性的影響.

3.9 藍牙串口模塊

圖10為藍牙HC-06模塊電路圖，該模塊主從一體，密鑰相同則自動配對.模塊符合TTL電平規(guī)范，UART_TXD與UART_RXD可以與單片機的P30與P31直接相連.LED顯示模塊是否配對成功，未配對時閃爍頻率較高，配對后作0.5 Hz閃爍.藍牙主機上有個KEY端口，當該端口與電源相連，然后就能觸發(fā)主機重新搜索周圍從機設備并進行配對.當模塊作從機時只能被動連接，KEY功能被屏蔽.

圖7 電源模塊電路

圖8 串口通信電路

4 遠程搜救機器人的程序設計

遠程控制搜救機器人通過熱釋電紅外傳感器和高清攝像頭配合工作，判別是否找到幸存者.打開搜救機器人的電源，藍牙主機與從機進行配對連接，無線攝像頭建立數(shù)據(jù)鏈路.然后打開上位機應用程序，選擇相應的串口號及波特率，此刻機器人會與上位機進行數(shù)據(jù)校驗，以防出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂碼.通過電腦鍵盤或者鼠標可以執(zhí)行多項預定命令，單片機根據(jù)接收到的信號，從而控制搜救機器人的運動或者調整機械手的各個自由度，可以搬運物品.控制信號還包括營養(yǎng)液控制，營養(yǎng)液導管固定在機械手上，可以調整機械手的角度向被困者輸送營養(yǎng)液.搜救車行進的同時熱釋電紅外傳感器通過探測人體發(fā)射的10 μm左右的紅外線尋找幸存者[4].如果熱釋電紅外傳感器感測到幸存者，開啟蜂鳴器報警，同時將報警信號傳回上位機并顯示.否則將現(xiàn)場的溫度值及煙霧濃度信息傳回至上位機，供救援人員參考[6].

圖9 單片機電路圖

圖10 藍牙串口模塊

5 實驗調試

為了驗證所設計的搜救機器人的可行性，在完成相關硬件設計的基礎上，進行了相關的實驗，圖12（a）-（d）顯示了搜救機器人的搜索過程.

圖12 搜救機器人的搜索過程

圖11 程序流程圖

[1]董曉坡，王緒本.救援機器人的發(fā)展及其在災害救援中的應用[J].防震減災工程學報，2007，27（1）：112-117.

[2]王忠民.災難搜救機器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].測控技術，2007（17）：152-155.

[3]呂常智，姚志科.基于無線通信的移動機器人遠程控制系統(tǒng)[J].煤礦機械，2012，33（3）：239-241.

[4]趙杰，崔崇信.基于無線傳感的井下搜救機器人監(jiān)測系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化，2012，34（2）：15-17.

[5]吳繁，張偉軍.排爆機器人的遠程控制系統(tǒng)[J].機械與電子，2010（5）：55-58.

[6]Xueshan Gao,Kejie Li,Junyao Gao.A Mobile Robot Platform with Double Angle-Changeable Tracks[J].Advanced Robotics,2009, 23:1085-1102.

The Search and Rescue Robot Based on the Remote Control

XU Wen-wei,MAO Li-min,PENG Wei-wei,WU Yu-sheng,XIE Xin-ming
（School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China）

In view of the complex situation of the disaster scene,and the fact that it is difficult for rescue work?ers to enter the site to carry out rescue work on account of smoke,dust and carbon monoxide,this paper puts for?ward a STC89C516RD+MCU as the core to control the remote control search and rescue robot design scheme, by using Pyroelectric infrared sensor and a high-definition camera.Experiments show that the robot is small, and can quickly and accurately find the target.

remote control;search and rescue;STC89C516RD+MCU

TP368.1

B

1008-2794（2013）04-0109-05

2012-12-09

江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目（2012JSSPITP2310）

毛麗民，講師，碩士，研究方向：機器人與目標跟蹤研究，E-mail：maolimin_1981@163.com.