陳少華,沈巍,徐金鈺,呂閃

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

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基于STM32的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)搜救機(jī)器人研制

陳少華,沈巍,徐金鈺,呂閃

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

針對(duì)礦難、地震等突發(fā)災(zāi)難發(fā)生時(shí)的惡劣現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，提出并設(shè)計(jì)了一款能夠適應(yīng)各種復(fù)雜地形，信息傳輸能力強(qiáng)，功能全面的搜救機(jī)器人.基本思路將機(jī)器人設(shè)計(jì)為動(dòng)力部分、功能部分、控制及通信部分.該系統(tǒng)采用蟻群算法計(jì)算出最佳搜救路徑，使救援更加高效，采用2.4G ZigBee無線傳感器技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信息記錄，大大提高了信息的準(zhǔn)確性和安全性，結(jié)合多種搜救傳感器的方式完成 “現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境探測(cè) ”、 “幸存生命體搜索 ”、 “人員救助救援 ”等功能，該系統(tǒng)可以針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)功能進(jìn)行個(gè)性化編輯，從而實(shí)現(xiàn)一種移動(dòng)系統(tǒng)多種應(yīng)用場(chǎng)合的用途.

最佳路徑；ZigBee；智能搜救；個(gè)性化編輯

0　引言

近年來，我國的礦業(yè)、石油天然氣業(yè)等化工基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)有了飛速的發(fā)展和進(jìn)步，隨之而來的易燃易爆以及具有放射性的有、有害物品在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的災(zāi)難事故急速增長.由于我國在危險(xiǎn)、易燃、易爆品儲(chǔ)藏和運(yùn)輸?shù)姆煞ㄒ?guī)不健全，事故災(zāi)難等救助制度不完善且設(shè)備管理等各方面均落后于發(fā)達(dá)國家，一旦災(zāi)難發(fā)生，救護(hù)人員一般無法進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，而且救災(zāi)周期長，效率低下，傷亡慘重.

本文設(shè)計(jì)的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)搜救機(jī)器人可以很好地解決上述問題.本文設(shè)計(jì)的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)搜救機(jī)器人采用優(yōu)化后的蟻群算法作為控制策略，提高了搜索的效率，減少了人員的傷亡，且本系統(tǒng)采用ZigBee無線傳感器技術(shù)，將機(jī)器人搜集到的信息經(jīng)過MCU挑選和篩檢之后準(zhǔn)確、及時(shí)無誤的傳輸?shù)街笓]平臺(tái)，并且本系統(tǒng)嵌入了FATFS文本操作系統(tǒng)能夠高效有序的將有用信息存儲(chǔ)；本系統(tǒng)獨(dú)特的四輪驅(qū)動(dòng)裝置，為機(jī)器人提供了強(qiáng)大的動(dòng)力，能夠適應(yīng)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的地形；機(jī)器人攜帶了具有高度靈活性的四自由度的機(jī)械手，可以搬運(yùn)質(zhì)量較小的物品和對(duì)災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)行取土采樣等功能.近年來,大型災(zāi)難事故高發(fā)，為了滿足搜救工作的需要,國內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)和政府部門做了大量的研究工作,研制了可以在環(huán)境惡劣的廢墟中搜尋的各類型搜救機(jī)器人如仿生蛇形機(jī)器人等[1].

1　搜救機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)具有超強(qiáng)越障能力、功能強(qiáng)大、體積小、功耗低等特點(diǎn)，可快速定位被困人員所處區(qū)域，及時(shí)反饋被困人員的生存狀態(tài)以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況.本系統(tǒng)由MCU控制核心模塊、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊等八個(gè)系統(tǒng)模塊有機(jī)的組成.圖1為系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)總圖.

圖1　機(jī)器人整體硬件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)總圖

1.2系統(tǒng)控制核心模塊設(shè)計(jì)

該機(jī)器人選用STM32作為控制核心部件，該MCU是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的32位高性能、低功耗、低成本的增強(qiáng)型系列單片機(jī)，能夠滿足用戶對(duì)高性能、低功耗和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的要求.

1.3搜救機(jī)器人外圍硬件電路設(shè)計(jì)

(1)環(huán)境探測(cè)傳感器該傳感器包括氣體檢測(cè)和環(huán)境溫濕度傳感器，可以檢測(cè)甲烷、丁烷、丙烷、煙霧等可燃性氣體，且不僅能輸出TTL電平信號(hào)，而且能輸出AD模擬信號(hào).

(2)生物探測(cè)傳感器生物探測(cè)傳感器包括生命體紅外測(cè)部分和無線WIFI視頻傳輸部分，紅外探測(cè)部分采用紅外熱釋電處理芯片BISS0001.無線WIFI視頻傳輸部分采用紅外攝像頭和WIFI無線路由器為一體的裝置，其能夠?qū)?zāi)難現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況或者人員被困位置及時(shí)反饋到搜救中心.

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與流程設(shè)計(jì)

2.1搜救路徑蟻群算法的優(yōu)化

傳統(tǒng)的蟻群算法具有較其他算法更具有魯棒性，但是計(jì)算效率低下，程序算法較繁瑣且易出現(xiàn)局部最優(yōu)解，所以本系統(tǒng)采用優(yōu)化的蟻群算法作為機(jī)器人的搜救路徑控制算法.

(1)

經(jīng)過概率和比例函數(shù)的組合優(yōu)化后，使各條路徑上的信息量趨于平衡，從而避免陷入局部最優(yōu)的狀況[2-8].

2.2搜救機(jī)器人程序流程圖

圖2，圖3為搜救機(jī)器人在自主搜索模式下和人工管理情況下的程序流程圖.

圖2　搜救機(jī)器人在自主搜索模式下的程序流程圖

圖3　人工管理模式下的程序流程圖

3　系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析

在搜救機(jī)器人制作期間，多次對(duì)搜救機(jī)器人的樣機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證提高技術(shù)的實(shí)用性及環(huán)境適應(yīng)能力.在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，模擬了災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)工作環(huán)境，分別對(duì)搜救機(jī)器人人機(jī)交互性能、人機(jī)協(xié)作控制性能、操作人員使用性能、機(jī)器人自主能力、越障能力、環(huán)境感知系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證.

(1)避障測(cè)距實(shí)驗(yàn)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的超聲波避障傳感器的測(cè)量范圍是0.07～ 1.00 m，測(cè)量精度設(shè)置為1cm，測(cè)量距離時(shí)保證傳感器與被測(cè)物體無直接接觸，通過OLED液晶顯示屏將測(cè)量數(shù)據(jù)清晰、穩(wěn)定的顯示.利用本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的超聲波傳感器模塊進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的結(jié)果如圖4所示，可以得出在測(cè)量范圍內(nèi),測(cè)量的誤差基本滿足要求.

圖4　系統(tǒng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

誤差主要來自：發(fā)射與接收間的時(shí)間對(duì)測(cè)量精度的影響、測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響和超聲波波束與探測(cè)目標(biāo)的入射角對(duì)測(cè)量精確度的影響.

(2)通信性能的實(shí)驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試由發(fā)射電路和接收電路構(gòu)成,其中接受電路與PC機(jī)相連,用串口助手窗口觀察接收到的數(shù)據(jù)是否與發(fā)送數(shù)據(jù)一致.由于災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的無線通信環(huán)境的未知性和不確定性導(dǎo)致同種無線通信模塊的傳輸性能也不盡相同，所以我們選擇了不同的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示現(xiàn)場(chǎng)帶電煙塵顆粒、高建筑物以及外界無線電干擾等因素會(huì)對(duì)本系統(tǒng)的無線通信模塊產(chǎn)生一定的影響，信號(hào)傳輸距離衰減15%左右.

(3)機(jī)械手臂的實(shí)驗(yàn)由于機(jī)械手臂采用模擬舵機(jī)控制，具有一定的回程差和溫飄，角度誤差一般在2左右， 但是由于控制精度誤差在系統(tǒng)允許的范

圍內(nèi)，所以可滿足要求.

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的多功能災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)搜救機(jī)器人是“人工介入-自主搜索”相結(jié)合的智能搜救系統(tǒng)，不同環(huán)境下可以任意切換，大大提高了機(jī)器人的實(shí)用性，并且采用優(yōu)化型蟻群算法規(guī)劃搜救路徑為搜救幸存者，勘探災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)情況節(jié)約了時(shí)間.強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，保證了機(jī)器人能夠使用各種復(fù)雜環(huán)境.本文研究的智能搜救機(jī)器人系統(tǒng)在消防探測(cè)、排爆、地震、泥石流、臺(tái)風(fēng)、礦難等災(zāi)難后的搜救探測(cè)有著廣泛的應(yīng)用價(jià)值.

[1]王忠民.災(zāi)難搜救機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2007(17) ：152-155.

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Design and Research of Disaster Scene Search and Rescue Robot based on STM32

CHEN Shaohua, SHEN Wei, XU Jinyu, LV Shan

(School of Electronics and Information Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Aiming at the sudden disasters such as earthquake harsh field environment, a search-and-rescue robot is designed with strong ability to adapt to the complex terrain and surmount obstacles and comprehensive functions to search and rescue in order to improve the efficiency. The basic idea of designing the robot consists power part, function part, control and communication part. The system uses ant colony algorithm to calculate the best search path, so that the rescue can be more efficient. The ZigBee 2.4G wireless sensor technology for data transmission and information record is used, and the accuracy and security of information is greatly improved. Combined with a variety of search and rescue sensors to complete the "environment detection," "Life Search," "rescue" and other functions, the system can be used for different applications to achieve a variety of mobile applications.

best path; ZigBee; intelligent search and rescue; personalized editing

1673- 9590(2016)05- 0113- 03

2016- 04- 10

遼寧省博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(20141108)

陳少華(1979-),男,副教授,博士，主要從事嵌入式控制和寬帶無線通信技術(shù)的研究

A

E- mail:dl_chenshaohua@163.com.