李鐵妮,朱浩然,葛宇航
(武漢理工大學(xué),湖北 武漢 430070)
據(jù)公安部有關(guān)調(diào)查資料表明,2016年,全國(guó)共有31.2萬(wàn)起接報(bào)火災(zāi)事故,死亡1 582人,受傷1 065人,直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)37.2億元。近年來(lái),我國(guó)火災(zāi)事故頻發(fā),由于事故災(zāi)難等救助制度和設(shè)備管理等各方面存在不足,導(dǎo)致救援實(shí)施十分困難[1]。然而,針對(duì)室內(nèi)消防機(jī)器人的研究仍不夠充分,目前室內(nèi)消防的主要方式是以固定消防噴頭配合覆蓋目標(biāo)區(qū)域的傳感器預(yù)警機(jī)制,此種方式存在滅火設(shè)施指向性不強(qiáng)、實(shí)際效果差等缺點(diǎn)。為解決上述問(wèn)題,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種室內(nèi)搜救型機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)智能搜索被困人員及輔助救援等功能。
該機(jī)器人由支撐結(jié)構(gòu)模塊、動(dòng)力模塊、避障模塊、視覺(jué)感應(yīng)模塊和無(wú)線傳輸模塊等構(gòu)成。機(jī)器人整體系統(tǒng)工作流程如圖1所示。其中,支撐模塊是承重部分,保證機(jī)器人其他模塊可以正常工作;動(dòng)力模塊為機(jī)器人提供動(dòng)力,內(nèi)含電機(jī)驅(qū)動(dòng);避障模塊由超聲波測(cè)距和紅外避障傳感器構(gòu)成,為機(jī)器人路線優(yōu)化進(jìn)行支持;通訊模塊將機(jī)器人獲得的圖像實(shí)時(shí)傳送至操作人員,輔助救援。
圖1 機(jī)器人整體工作流程示意圖
機(jī)器人的支撐結(jié)構(gòu)是機(jī)器人主要受力的載體,要求強(qiáng)度高,不易變形,質(zhì)量輕,易于加工。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求如下:①底盤有一定的離地間隙,方便安裝傳感器;②機(jī)器人平臺(tái)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)與寬盡量接近正方形,在轉(zhuǎn)彎時(shí)能減少撞墻的可能;③上部盡量平整,方便上部傳感器的安裝;④考慮經(jīng)濟(jì)性,在保證使用要求的前提下,盡量選用較為常見(jiàn)易得的材料。
通常機(jī)器人的底盤是由鋁板折彎或者是用高強(qiáng)度的塑料板制作。鋁合金材料熔點(diǎn)為550~700℃,可以抵抗火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的高溫環(huán)境,并且物理性質(zhì)優(yōu)秀,塑性高,易彎曲,經(jīng)折邊后強(qiáng)度有很大提高,且便于其他零部件的安裝。因此,機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)選用高強(qiáng)度鋁合金材料制作,用于適應(yīng)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)高溫的惡劣環(huán)境。
機(jī)器人的移動(dòng)方式主要分為三種:輪式、履帶式、足式。輪式其結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單,摩擦阻力小,機(jī)械效率高,但是輪式行進(jìn)方式具有不穩(wěn)定的缺點(diǎn),且輪胎材料不耐高溫,無(wú)法適應(yīng)火災(zāi)的高溫環(huán)境。
足式機(jī)器人可以適應(yīng)復(fù)雜的地形,能耗較低且速度較快,但是實(shí)現(xiàn)難度大,行走狀態(tài)不穩(wěn)定。履帶式行走機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)支撐面積大,接地比壓小,對(duì)不同的路況都具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,且履帶材質(zhì)采用耐高溫的金屬材料,可以適應(yīng)復(fù)雜的室內(nèi)火災(zāi)場(chǎng)所。
因此,本項(xiàng)目選用履帶式移動(dòng)方式。對(duì)火場(chǎng)高溫環(huán)境特點(diǎn),消防機(jī)器人輪胎選用耐高溫橡膠材料,同時(shí)車身配有自噴淋系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人附近環(huán)境進(jìn)行降溫,防止輪胎出現(xiàn)高溫?fù)p壞而發(fā)生故障。其兩側(cè)履帶通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使小車移動(dòng),依靠其速度差實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。
機(jī)器人避障模塊的主要作用是在機(jī)器人的行走路徑過(guò)程中,識(shí)別障礙物并發(fā)出警報(bào)避免碰觸。避障模塊主要由紅外檢測(cè)傳感器和超聲波測(cè)距傳感器構(gòu)成。
紅外避障傳感器采用目前較為先進(jìn)的由夏普公司生產(chǎn)的GP2Y0A02YK0F紅外測(cè)距傳感器。它由PSD(位置敏感探測(cè)器)、紅外發(fā)光二極管和信號(hào)處理電路組成。該元件采用三角測(cè)量法,使輸出電壓與探測(cè)距離成反比。紅外線發(fā)射器按照一定的角度發(fā)射紅外線光束,當(dāng)遇到物體時(shí),光束會(huì)反射回來(lái)。反射回來(lái)的紅外光線通過(guò)濾鏡被CCD檢測(cè)器檢測(cè)到,得到一個(gè)偏移值L.應(yīng)用三角關(guān)系,已知偏移距L,中心矩x和濾鏡的焦距f,可以根據(jù)式(1)計(jì)算出傳感器到物體的距離y:
超聲波測(cè)距傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化,即在發(fā)射超聲波的時(shí)候,將電能轉(zhuǎn)換,發(fā)射超聲波,而在收到回波的時(shí)候,則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該項(xiàng)目采用性能較為穩(wěn)定且應(yīng)用廣泛的HC-SR04型號(hào)傳感器。
超聲波測(cè)距的原理采用TOF方法(渡越時(shí)間法)。通過(guò)計(jì)時(shí)器測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間t,根據(jù)式(2)計(jì)算得到傳感器與障礙物的距離y:
式(2)中:c為機(jī)械波在介質(zhì)中的傳輸速率。
視覺(jué)感應(yīng)模塊由Kinect傳感器組成。它是一種新的三維激光傳感器,不但能獲取環(huán)境的光學(xué)圖像,還能獲取檢測(cè)物體的位置信息。該傳感器獲取的信息量豐富,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)時(shí)性強(qiáng)卻穩(wěn)定性較高,因此可以成為消防機(jī)器人環(huán)境感知的有效工具。
Kinect機(jī)身上有三種攝像頭,分別是紅外發(fā)射器、RGB攝像頭、紅外接收器。其中RGB攝像頭用來(lái)采集彩色圖像,圖像尺寸為640×480,每秒最多能采集30幀圖像。紅外發(fā)射器和紅外接收器用于采集深度圖像,深度圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的值均表示該點(diǎn)到攝像頭的距離。在Kinect的下方還有一個(gè)帶內(nèi)置馬達(dá)的底座,通過(guò)調(diào)整底座的上下高度來(lái)調(diào)整Kinect的俯仰角,用于保證機(jī)器人可以獲得完整的室內(nèi)環(huán)境信息。Kinect可以通過(guò)輸出一個(gè)RGB圖像和深度數(shù)據(jù)來(lái)確定環(huán)境中每一個(gè)點(diǎn)的顏色信息和深度信息,并整合為一個(gè)圖像輸出。
通訊模塊由信息發(fā)射電路和接收電路組成。將機(jī)器人在室內(nèi)獲得的信息通過(guò)無(wú)線傳輸發(fā)送給外圍人員。數(shù)據(jù)無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了指揮站和機(jī)器人的雙向數(shù)據(jù)交換。通訊訊模塊采用的是ESP8266無(wú)線WiFi模塊,主控制芯片是32位單片機(jī)ESP8266EX,內(nèi)置了WiFi射頻單元,可以控制WiFi射頻的開(kāi)關(guān)。本設(shè)計(jì)中通訊模塊的功能是接發(fā)UDP數(shù)據(jù)、收集機(jī)器人獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。