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        基于多傳感器信息融合技術(shù)的室內(nèi)火災(zāi)搜救型機器人設(shè)計*

        2019-03-13 01:21:38李鐵妮朱浩然葛宇航
        科技與創(chuàng)新 2019年4期
        關(guān)鍵詞:測距超聲波紅外

        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,全國共有31.2萬起接報火災(zāi)事故,死亡1 582人,受傷1 065人,直接財產(chǎn)損失達37.2億元。近年來,我國火災(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)致救援實施十分困難[1]。然而,針對室內(nèi)消防機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區(qū)域的傳感器預(yù)警機制,此種方式存在滅火設(shè)施指向性不強、實際效果差等缺點。為解決上述問題,本項目設(shè)計一種室內(nèi)搜救型機器人,實現(xiàn)智能搜索被困人員及輔助救援等功能。

        1 裝置整體設(shè)計

        該機器人由支撐結(jié)構(gòu)模塊、動力模塊、避障模塊、視覺感應(yīng)模塊和無線傳輸模塊等構(gòu)成。機器人整體系統(tǒng)工作流程如圖1所示。其中,支撐模塊是承重部分,保證機器人其他模塊可以正常工作;動力模塊為機器人提供動力,內(nèi)含電機驅(qū)動;避障模塊由超聲波測距和紅外避障傳感器構(gòu)成,為機器人路線優(yōu)化進行支持;通訊模塊將機器人獲得的圖像實時傳送至操作人員,輔助救援。

        圖1 機器人整體工作流程示意圖

        2 支撐結(jié)構(gòu)模塊

        機器人的支撐結(jié)構(gòu)是機器人主要受力的載體,要求強度高,不易變形,質(zhì)量輕,易于加工。機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求如下:①底盤有一定的離地間隙,方便安裝傳感器;②機器人平臺結(jié)構(gòu)長與寬盡量接近正方形,在轉(zhuǎn)彎時能減少撞墻的可能;③上部盡量平整,方便上部傳感器的安裝;④考慮經(jīng)濟性,在保證使用要求的前提下,盡量選用較為常見易得的材料。

        通常機器人的底盤是由鋁板折彎或者是用高強度的塑料板制作。鋁合金材料熔點為550~700℃,可以抵抗火災(zāi)現(xiàn)場的高溫環(huán)境,并且物理性質(zhì)優(yōu)秀,塑性高,易彎曲,經(jīng)折邊后強度有很大提高,且便于其他零部件的安裝。因此,機器人的整體結(jié)構(gòu)選用高強度鋁合金材料制作,用于適應(yīng)火災(zāi)現(xiàn)場高溫的惡劣環(huán)境。

        3 動力模塊

        機器人的移動方式主要分為三種:輪式、履帶式、足式。輪式其結(jié)構(gòu)組成簡單,摩擦阻力小,機械效率高,但是輪式行進方式具有不穩(wěn)定的缺點,且輪胎材料不耐高溫,無法適應(yīng)火災(zāi)的高溫環(huán)境。

        足式機器人可以適應(yīng)復(fù)雜的地形,能耗較低且速度較快,但是實現(xiàn)難度大,行走狀態(tài)不穩(wěn)定。履帶式行走機器人的行走機構(gòu)支撐面積大,接地比壓小,對不同的路況都具有較強的適應(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)場所。

        因此,本項目選用履帶式移動方式。對火場高溫環(huán)境特點,消防機器人輪胎選用耐高溫橡膠材料,同時車身配有自噴淋系統(tǒng)對機器人附近環(huán)境進行降溫,防止輪胎出現(xiàn)高溫損壞而發(fā)生故障。其兩側(cè)履帶通過電機驅(qū)動使小車移動,依靠其速度差實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)向。

        4 避障模塊

        機器人避障模塊的主要作用是在機器人的行走路徑過程中,識別障礙物并發(fā)出警報避免碰觸。避障模塊主要由紅外檢測傳感器和超聲波測距傳感器構(gòu)成。

        紅外避障傳感器采用目前較為先進的由夏普公司生產(chǎn)的GP2Y0A02YK0F紅外測距傳感器。它由PSD(位置敏感探測器)、紅外發(fā)光二極管和信號處理電路組成。該元件采用三角測量法,使輸出電壓與探測距離成反比。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,光束會反射回來。反射回來的紅外光線通過濾鏡被CCD檢測器檢測到,得到一個偏移值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)計算出傳感器到物體的距離y:

        超聲波測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)射超聲波的時候,將電能轉(zhuǎn)換,發(fā)射超聲波,而在收到回波的時候,則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。該項目采用性能較為穩(wěn)定且應(yīng)用廣泛的HC-SR04型號傳感器。

        超聲波測距的原理采用TOF方法(渡越時間法)。通過計時器測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間t,根據(jù)式(2)計算得到傳感器與障礙物的距離y:

        式(2)中:c為機械波在介質(zhì)中的傳輸速率。

        5 視覺感應(yīng)模塊

        視覺感應(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,還能獲取檢測物體的位置信息。該傳感器獲取的信息量豐富,結(jié)構(gòu)簡單,實時性強卻穩(wěn)定性較高,因此可以成為消防機器人環(huán)境感知的有效工具。

        Kinect機身上有三種攝像頭,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,深度圖像中每個像素點的值均表示該點到攝像頭的距離。在Kinect的下方還有一個帶內(nèi)置馬達的底座,通過調(diào)整底座的上下高度來調(diào)整Kinect的俯仰角,用于保證機器人可以獲得完整的室內(nèi)環(huán)境信息。Kinect可以通過輸出一個RGB圖像和深度數(shù)據(jù)來確定環(huán)境中每一個點的顏色信息和深度信息,并整合為一個圖像輸出。

        6 通訊模塊

        通訊模塊由信息發(fā)射電路和接收電路組成。將機器人在室內(nèi)獲得的信息通過無線傳輸發(fā)送給外圍人員。數(shù)據(jù)無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)了指揮站和機器人的雙向數(shù)據(jù)交換。通訊訊模塊采用的是ESP8266無線WiFi模塊,主控制芯片是32位單片機ESP8266EX,內(nèi)置了WiFi射頻單元,可以控制WiFi射頻的開關(guān)。本設(shè)計中通訊模塊的功能是接發(fā)UDP數(shù)據(jù)、收集機器人獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)、實現(xiàn)電機驅(qū)動。

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