熊天健　肖珍

摘要：智能水面搜救機(jī)器人堅(jiān)持以人為本的設(shè)計(jì)理念，采用人工手動(dòng)控制和智能自動(dòng)化控制為一體的控制方式，通過機(jī)器人底座皮劃艇上配備的三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)、全向壓力傳感器、電子羅盤傳感器、碰撞傳感器、回充傳感器等的驅(qū)動(dòng)裝置正常、快速運(yùn)行，利用機(jī)體內(nèi)的人體紅外感應(yīng)器、LDS 激光測距傳感器、超聲波傳感器和圖像成影防水?dāng)z像及視頻裝置進(jìn)行搜索并定位被搜救對象，借助可伸縮承重機(jī)器人長臂、360度旋轉(zhuǎn)腰部的伸縮調(diào)控以及具有輕柔微調(diào)性能的機(jī)器力量托抱起被救對象，采用光電編碼器、電動(dòng)船控制器、釣魚船速度控制器等配合實(shí)現(xiàn)水面靈活回轉(zhuǎn)快速靠站功能，第一時(shí)間把被搜救對象托放至水上救援艇上，實(shí)現(xiàn)省時(shí)、省力、精準(zhǔn)、安全的水面救援。

關(guān)鍵詞：水面搜救;智能;人體紅外感應(yīng);全向壓力傳感;光電編碼器

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.15.094

1方案概述

本方案產(chǎn)品堅(jiān)持以人為本的設(shè)計(jì)理念，采用人工手動(dòng)控制和全智能機(jī)器人自動(dòng)化為一體的合二為一的控制方式，通過機(jī)器人底座皮劃艇的驅(qū)動(dòng)裝置快速運(yùn)行于水面，利用機(jī)體內(nèi)的紅外線裝置和圖像成影或防水?dāng)z像頭視頻裝置進(jìn)行搜索并定位被搜救對象，使用機(jī)械臂靈活的伸縮調(diào)控性能和強(qiáng)大的又具有溫柔微調(diào)性能的機(jī)器力量托抱起被救對象，再加上水面靈活回轉(zhuǎn)快速靠站功能，快速高效安全第一時(shí)間把被搜救對象托放至水上救援艇上，實(shí)現(xiàn)省時(shí)、省力、精準(zhǔn)、安全的水面救援。

水面搜救機(jī)器人主要有兩部分構(gòu)成：智能驅(qū)動(dòng)皮劃艇底座和長手臂智能機(jī)器人。皮艇底座采用環(huán)保PVC材料，使用熱熔壓合技術(shù)工藝，保障船體不開膠、不脫膠、壽命長、耐用。配置船繩或牽引繩1條。機(jī)器人底座采用電動(dòng)推進(jìn)器，采用人工手動(dòng)控制和智能自動(dòng)化控制兩種受控方式為一體的控制方式。

智能控制程序在“中學(xué)生機(jī)器人投籃大賽”中機(jī)器人控制程序的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)出能識(shí)別人體、追蹤人體、抱住人的身體并把被救者準(zhǔn)確放入救生艇內(nèi)的一系列程序控制的智能搜救機(jī)器人程序，從而實(shí)現(xiàn)水面搜救機(jī)器人的全智能自動(dòng)控制模式和人工手動(dòng)控制模式。

一次搜救過程，可以只出動(dòng)一個(gè)水面搜救機(jī)器人，也可以出動(dòng)一個(gè)機(jī)器人裝備隊(duì)，如圖1。

2總體設(shè)計(jì)原理

2.1智能水面搜救機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

智能水面搜救機(jī)器人主要由機(jī)體機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、救援機(jī)構(gòu)組成。機(jī)體機(jī)構(gòu)由長手臂智能機(jī)器人主體和智能驅(qū)動(dòng)皮劃艇底座組成。控制機(jī)構(gòu)主要為聲音傳感器、主控電路板、伺服電機(jī)和中央處理主板等。運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要為智能方向速度控制主板、運(yùn)行電機(jī)和螺旋槳推進(jìn)器。救援機(jī)構(gòu)主要為可伸縮承重機(jī)器人長臂、360度旋轉(zhuǎn)支架機(jī)器人腰、人體紅外感應(yīng)機(jī)器人鼻子、長焦攝像頭機(jī)器人眼和目標(biāo)定位機(jī)器人頭等。

智能水面搜救機(jī)器人的機(jī)構(gòu)如圖2。

2.2智能水面搜救機(jī)器人的追蹤搜救控制程序（以“蘿卜太辣”機(jī)器人控制程序設(shè)計(jì)為例）

*****************************************************/

#include "ROBOTERRA.h"

/*--------------------- STEP 1 ---------------------*/

/************電子元器件的定義*****************/

RoboTerraRoboCore tom;

RoboTerraRedLight find;//紅外掃描（根據(jù)具體紅外掃描儀產(chǎn)品的參數(shù)再定）

RoboTerraServo catch1;

RoboTerraServo catch2;

/*--------------------- STEP 2 ---------------------*/

void attachRoboTerraElectronics（） {

/*************電子元器件的連接**************/

tom.attach（find，DIO_3）;

tom.attach（catch1，DIO_1）;

tom.attach（catch2，DIO_2）;

}

/*--------------------- STEP 3 ---------------------*/

if （EVENT.isType（ROBOCORE_LAUNCH）） { //激活

find.activate（）;

catch1.activate（180）;

catch2.activate（180）;

}

void catch（）{//抓住

catch1.rotate（60，5）;

catch2.rotate（60，5）;

}

void free（）{//放下

catch1.rotate（180，5）;

}

if（EVENT.isType（RedLight_ture））{

//測距（根據(jù)具體測距產(chǎn)品的參數(shù)再定）

tom.time（0.5）;

catch（）;

//返航（根據(jù)測距算出的具體位置）

tom.time（0.5）;

free（）;

}

2.3智能水面搜救機(jī)器人的工作機(jī)制

2.3.1支持機(jī)器人工作的核心部件

（1）配備三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)。

在機(jī)身上配備三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)。三軸陀螺儀可以檢測在 yaw / pitch / roll 方向的角度變化，從而判斷機(jī)器朝向，而三軸加速度計(jì)則可以判斷掃地機(jī)器人在 X / Y / Z 三個(gè)軸的加速度，用來判定機(jī)器是否傾斜或有無突然的碰撞等狀況。

（2）配備全向壓力傳感器。

機(jī)體船身的前、后、左、右、左前、右前、左后、右后共八個(gè)地方，以及機(jī)器人頭頂上蓋、船底螺旋槳周圍低于螺旋槳部位，各配備一個(gè)全向壓力傳感器，實(shí)行360度全方位靈敏感應(yīng)輕微碰撞，防止機(jī)器人被水面或水中物體卡住。

（3）配備電子羅盤傳感器。

通過電子羅盤傳感器的磁場感應(yīng)，準(zhǔn)確識(shí)別虛擬墻。當(dāng)遇到虛擬墻時(shí)，會(huì)主動(dòng)避開，不擅自進(jìn)入被虛擬墻隔離的區(qū)域。在非施救區(qū)域、無工作環(huán)境區(qū)域或其它危險(xiǎn)區(qū)域，使用虛擬墻進(jìn)行隔離，保障搜救工作順利完成。

（4）碰撞傳感器。

在智能驅(qū)動(dòng)皮劃艇底座距離水面上下各20cm處安裝一圈碰撞板，在碰撞板前后左右四個(gè)方向各裝有一個(gè)光電開關(guān)。光電開關(guān)由一對紅外發(fā)射對管組成，發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光線通過搜救機(jī)器人智能驅(qū)動(dòng)皮劃艇底座特制的小孔被光敏二極管接受，當(dāng)機(jī)身碰撞板受到碰撞時(shí)，碰撞板就會(huì)擋住皮劃艇底座特制小孔，阻礙紅外線的接受從而向控制系統(tǒng)傳達(dá)信息。此結(jié)構(gòu)可避免測量盲區(qū)帶來的誤差，以保證搜救機(jī)器人和附近物品的安全。

（5）配備回充傳感器。

有了回充傳感器，控制器會(huì)向紅外線發(fā)射器發(fā)送信號，紅外線發(fā)射器向四周發(fā)射紅外線。充電基座安裝有紅外線傳感器，感受到來搜救機(jī)器人發(fā)射來的紅外線后，會(huì)向搜救機(jī)器人發(fā)射紅外線。搜救機(jī)器人內(nèi)部的紅外線傳感器接收到后會(huì)向控制器發(fā)送信號，控制器就會(huì)控制搜救機(jī)器人按照接收到紅外線的方向找到充電基座，并在備用電量啟動(dòng)之時(shí)自動(dòng)返回進(jìn)行充電，以保證搜救工作繼續(xù)，直到全部完成。

（6）配備手動(dòng)遙控裝置。

本搜救機(jī)器人同時(shí)配備船模遙控器、機(jī)器人遙控器、監(jiān)控視頻遙控器等操控設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)人工手動(dòng)操作。在必要的時(shí)候，通過視頻傳輸，遠(yuǎn)程同步，采用人工手動(dòng)遙控操作，以確保達(dá)到營救安全系數(shù)最大化。

2.3.2水面搜救定位

（1）配備人體紅外感應(yīng)器。

在機(jī)身上配備被動(dòng)紅外探測器，當(dāng)被搜救人體進(jìn)入搜救感應(yīng)區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異信號，專用傳感器探測到人體紅外光譜的變化，開關(guān)自動(dòng)接通負(fù)載，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備靠近人體實(shí)施營救。當(dāng)人體離開搜救感應(yīng)區(qū)，開關(guān)及時(shí)自動(dòng)關(guān)閉并啟動(dòng)“目標(biāo)消失”報(bào)警。

（2）配備LDS 激光測距傳感器。

在機(jī)身上配備LDS 激光測距傳感器，獲取距離信息。當(dāng)激光投射到人體特征的物品上時(shí)，會(huì)在傳感器里形成光斑。同時(shí)，圖像傳感器會(huì)根據(jù)光斑的像素序號來計(jì)算到激光測距傳感器的中心距離。

（3）配備超聲波傳感器。

在機(jī)身上同時(shí)配備超聲波傳感器，傳感器由負(fù)責(zé)發(fā)射超聲和負(fù)責(zé)接收超聲兩部分組成，聲波在水中傳播的速度是1500m/s，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差可以計(jì)算并得到與被救物之間的距離，并根據(jù)直線距離和水域情況制定搜救路線。根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差還可以計(jì)算并得到與障礙物之間的距離，從而避免碰撞，透明物體也能正確感應(yīng)提前減速并采取繞道或清理措施。

2.3.3操控模式

（1）自動(dòng)模式工作狀態(tài)。

當(dāng)開關(guān)啟動(dòng)，工作模式激活，人體紅外感應(yīng)機(jī)器人鼻子、長焦攝像頭機(jī)器人眼和目標(biāo)定位機(jī)器人頭進(jìn)入工作狀態(tài)，搜救系統(tǒng)篩選出目標(biāo)信號，判斷出救人方位，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)開始驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，在運(yùn)行過程中規(guī)劃路線，并根據(jù)實(shí)際情況需要隨時(shí)修改重新規(guī)劃路線。

距被救人員9米時(shí)，360度旋轉(zhuǎn)支架機(jī)器人腰進(jìn)入工作狀態(tài)，隨即，可伸縮承重機(jī)器人長臂開始根據(jù)實(shí)際情況判斷并調(diào)節(jié)作業(yè)長度。

待運(yùn)行系統(tǒng)找到最佳營救位置的時(shí)候，360度旋轉(zhuǎn)支架機(jī)器人腰旋轉(zhuǎn)到正面朝施救方向，可伸縮承重機(jī)器人長臂往水中伸長，把機(jī)器手掌至于被救人身下，平托舉被救人出水面，然后360度旋轉(zhuǎn)支架機(jī)器人腰旋轉(zhuǎn)180度，把被救人投放在搜救機(jī)器人身后跟著的皮劃艇上。

若有第二個(gè)，第三個(gè)……被營救目標(biāo)，重復(fù)上面的工作。期間若電量消耗過大，啟用了備用電池，則中斷營救工作，尋找回充傳感器，返回充電，并通知其它機(jī)器人隊(duì)員接替工作。若施救工作完成，則勝利返航。

（2）手動(dòng)模式工作狀態(tài)。

啟用手動(dòng)模式，可由工作人員使用遙控器操作控制系統(tǒng)，激活工作模式，使人體紅外感應(yīng)機(jī)器人鼻子、長焦攝像頭機(jī)器人眼和目標(biāo)定位機(jī)器人頭進(jìn)入工作狀態(tài)，使搜救系統(tǒng)篩選出目標(biāo)信號，判斷出救人方位。

或者遙控調(diào)節(jié)監(jiān)控器，從視頻搜索判斷被救人方向和具體方位。然后手動(dòng)遙控船模遙控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)水面搜救機(jī)器人前行。

到達(dá)營救位置后，通過遙控機(jī)器人驅(qū)動(dòng)360度旋轉(zhuǎn)支架機(jī)器人腰旋轉(zhuǎn)到正面朝施救方向，驅(qū)動(dòng)伸縮承重機(jī)器人長臂往水中伸長，從視頻中判斷被救人的方位和狀況，驅(qū)動(dòng)機(jī)器手掌至于被救人身下，平托舉被救人到空中，驅(qū)動(dòng)360度旋轉(zhuǎn)支架機(jī)器人腰旋轉(zhuǎn)180度，把被救人投放在搜救機(jī)器人身后跟著的皮劃艇上。

施救工作完成，手動(dòng)遙控船模遙控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)水面搜救機(jī)器人勝利返航。遙控工作人員可以在岸邊遙控，也可以在皮劃艇上、機(jī)器人旁遙控操作搜救、施救過程。

（3）自動(dòng)模式和手動(dòng)模式的切換。

自動(dòng)模式和手動(dòng)模式的切換，由遙控器上的切換按鈕來完成。默認(rèn)模式為自動(dòng)模式，當(dāng)按下手動(dòng)模式的按鈕后，自動(dòng)模式停止運(yùn)行，手動(dòng)模式開始運(yùn)行;當(dāng)按下自動(dòng)模式的按鈕后，手動(dòng)模式停止運(yùn)行，自動(dòng)模式開始運(yùn)行。

當(dāng)水面搜救機(jī)器人處在充電狀態(tài)時(shí)，手動(dòng)模式、自動(dòng)模式都停止運(yùn)行。

智能水面搜救機(jī)器人運(yùn)行流程圖，如圖3所示。

3結(jié)語

本智能水面搜救機(jī)器人體積不大，靈活多用，可隨意單用或組合用，適應(yīng)于各種水域，比如海面、河面、湖面、水庫、小溪、水池、大型游泳館等，甚至適合極其惡劣環(huán)境中使用，如臺(tái)風(fēng)、海嘯等的水域，以及洪澇、水澇災(zāi)害發(fā)生地，高溫、低溫水域，有毒物質(zhì)滲入水域，有潛在危險(xiǎn)的水域等等。

本智能水面搜救機(jī)器人智能化強(qiáng)，可自我定位，及時(shí)實(shí)施搜救;可調(diào)節(jié)救援速度，應(yīng)對復(fù)雜水域;可自行充電，確保全面完成施救;可自動(dòng)操控和手動(dòng)操控自由切換，便于隨時(shí)更有效地保證救援效果;可自帶救生艇和救援醫(yī)療設(shè)備，以及操控工作人員、醫(yī)護(hù)救治人員，為更有效地實(shí)施搜救，進(jìn)行施救，完成護(hù)救提供了條件。

相信，這樣一款智能水面搜救機(jī)器人的研發(fā)，會(huì)為人類帶來福音，會(huì)為人類在自然災(zāi)害面前減少損失提供很大的幫助。

本機(jī)器人的不足之處是還沒有實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)中對皮劃艇底座的緊急搶修，一旦在施救過程出現(xiàn)底座損壞泄露影響機(jī)械操作情況，只能中斷救援工作返航維修。所以，每次救援最好準(zhǔn)備多臺(tái)機(jī)器人，以便緊急替換。

參考文獻(xiàn)

[1]劉思.未來機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探討[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2017，（13）.