周 軍

（九江職業(yè)大學(xué)，江西 九江 332000）

引言

無(wú)論是在游泳館、海邊等公眾場(chǎng)所還是河邊池塘等有水的地方，發(fā)生溺水死亡事件數(shù)不勝數(shù)，經(jīng)專(zhuān)業(yè)人士分析，一般人在溺水后2-3分鐘左右就會(huì)停止呼吸，且在缺氧情況下5分鐘左右就會(huì)導(dǎo)致腦細(xì)胞的死亡。如能在剛停止呼吸的4-6分鐘之內(nèi)進(jìn)行心肺復(fù)蘇等急救措施，其成活率比較高。

目前很多公眾場(chǎng)合還是采取救生員或者水中放入救生圈的方法進(jìn)行安全管理，其缺點(diǎn)是人工可能會(huì)錯(cuò)漏救援信息，且其救援速度慢，易錯(cuò)過(guò)最佳救援時(shí)間。如遇惡劣天氣還會(huì)加大救生員的危險(xiǎn)系數(shù)。而水上救援智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)救援功能。

現(xiàn)在的水上救援機(jī)器人只能遙控運(yùn)行到目標(biāo)點(diǎn)，如果超過(guò)目標(biāo)點(diǎn)則需要繞一個(gè)圈掉頭重新進(jìn)行定位，浪費(fèi)了救援時(shí)間，故在現(xiàn)有水上救援機(jī)器人系統(tǒng)中加入倒車(chē)系統(tǒng)，可以為應(yīng)急救援贏得更多的時(shí)間。

一、控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

帶倒車(chē)功能的水上救援機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件主要由主控電路板、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和視覺(jué)相機(jī)檢測(cè)裝置組成。主控電路板包括：電源整流裝置、控制器檢測(cè)信號(hào)和輸出信號(hào)接線；主控制器采用樹(shù)莓派Raspberry Pi 4B；執(zhí)行機(jī)構(gòu)有直流無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力電機(jī)，三相混合式步進(jìn)電機(jī)作為方向控制電機(jī)；視覺(jué)相機(jī)檢測(cè)裝置主要采用Raspberry Pi Camera Module 2 NoIR視覺(jué)相機(jī)和通訊模塊，視覺(jué)相機(jī)安裝在救援機(jī)器人前端，通過(guò)視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控水面情況的功能，再通過(guò)通訊模塊將信號(hào)反饋。

二、控制流程圖設(shè)計(jì)

采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控水面情況，將是否有溺水事件進(jìn)行反饋，信號(hào)反饋到控制中心和遙控裝置兩處。遙控裝置方便操作人員手動(dòng)確認(rèn)目標(biāo)點(diǎn)是否正確，若確認(rèn)錯(cuò)誤則取消救援行動(dòng)，若確認(rèn)正確或規(guī)定時(shí)間未確認(rèn)則控制中心默認(rèn)正確，機(jī)器人立即規(guī)劃達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的多段直線子路徑。機(jī)器人打開(kāi)方向電機(jī)，按照第一個(gè)子路徑調(diào)整運(yùn)行方向，啟動(dòng)動(dòng)力電機(jī)控制螺旋槳運(yùn)行至第一個(gè)方向。在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)判斷是否出現(xiàn)新的障礙物，關(guān)閉動(dòng)力電機(jī)，重新規(guī)劃路線，調(diào)整方向運(yùn)行至新路線。完成當(dāng)前子路徑后判斷是否有下一段子路徑，如有則調(diào)整方向繼續(xù)前進(jìn)，直到完成所有子路徑路線到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。在運(yùn)行過(guò)程中由于速度過(guò)快發(fā)現(xiàn)超出目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，調(diào)整方向電機(jī)，開(kāi)啟動(dòng)力電機(jī)控制螺旋槳進(jìn)行倒車(chē)，快速到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。檢測(cè)到溺水者攀附在救援機(jī)器人上，等待一段時(shí)間后救援機(jī)器人規(guī)劃返航到指定安全位置的路線，與前面救援流程類(lèi)似，同樣調(diào)整方向電機(jī)，啟動(dòng)動(dòng)力電機(jī)按照子路線返航。返回過(guò)程中遇到新障礙物則重新規(guī)劃路線調(diào)整方向電機(jī)，直到完成所有子路徑達(dá)到安全位置。控制流程圖如圖1所示。

圖1 控制流程圖

三、電路原理圖設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用樹(shù)莓派Raspberry Pi 4B 作為主控制器，電源整流裝置經(jīng)過(guò)濾波整流后將直流5V電源供給主控制器，將直流24V電源供給直流無(wú)刷電機(jī)（動(dòng)力電機(jī)）和三相混合式步進(jìn)電機(jī)（方向控制電機(jī)），利用Raspberry Pi Camera Module 2 NoIR 作為視覺(jué)相機(jī)，通過(guò)視覺(jué)技術(shù)判斷是否有待救援人員。2.4GHZ的射頻模塊作為通信模塊，是一種遠(yuǎn)程的控制方式，可以實(shí)現(xiàn)2400M-2483MHZ范圍內(nèi)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)近距離無(wú)線傳輸通信，其使用方便，可以短距離傳輸。電路原理圖如圖2所示。

圖2 電路原理圖

四、樹(shù)莓派和PWM的控制

（一）PWM控制

直流無(wú)刷電機(jī)具有不易磨損、出故障概率低、性能可靠、壽命長(zhǎng)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高和機(jī)械特性好等優(yōu)點(diǎn)，作為水上救援機(jī)器人的輸出電機(jī)，性能穩(wěn)定且調(diào)速方便。脈沖寬度調(diào)制（PWM，Pulse Width Modulation）用于直流無(wú)刷電機(jī)的調(diào)速控制是一種簡(jiǎn)單高效的方式。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）利用控制器的數(shù)字輸出信號(hào)對(duì)直流電源開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行控制，從而改變直流無(wú)刷電機(jī)負(fù)載兩端的電壓，以此來(lái)達(dá)到調(diào)速的效果。

（二）樹(shù)莓派對(duì)PWM的控制

本系統(tǒng)利用樹(shù)莓派的ARM Cortex-A72嵌入式芯片作為CPU 單元。樹(shù)莓派自身的庫(kù)里提供了PWM功能，因此利用GPIO的編程就可實(shí)現(xiàn)PWM控制?；A(chǔ)代碼詳解如下：

五、機(jī)器視覺(jué)控制

機(jī)器視覺(jué)相機(jī)與樹(shù)莓派控制器相連，通過(guò)LBPH局部二進(jìn)制模式直方圖算法來(lái)提取人的身體特征，使用以下4個(gè)特征參數(shù)：

特征參數(shù)1：像素半徑，用來(lái)創(chuàng)建圓形局部二值模式并表示中心像素區(qū)域的半徑。

特征參數(shù)2：Neighbors，用來(lái)創(chuàng)建圓形局部二進(jìn)制模式的樣本數(shù)。

特征參數(shù)3 和4：Grid X 和Grid Y，水平和垂直方向的單元格數(shù)。

用各種人體姿態(tài)進(jìn)行帶標(biāo)簽訓(xùn)練，后獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，確定哪些標(biāo)簽為正常姿態(tài)標(biāo)簽，再對(duì)水面所有人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)應(yīng)帶正常標(biāo)簽數(shù)據(jù)的則確定為正常，否則確定為異常。

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該系統(tǒng)研制出一款新型的充氣式高效救援設(shè)備，對(duì)落水人員快速施救時(shí)，救援人員可以直接手持遙控器駕駛或者在岸上通過(guò)手持遙控器控制救援機(jī)器人下水施救，該設(shè)備攜帶輕便，氣囊可儲(chǔ)存在拉桿箱中，展開(kāi)時(shí)間僅為20 秒，純電驅(qū)動(dòng)，8KW 功率，25KG推力，最快速度可達(dá)30公里/小時(shí)，可在波浪中穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎，抗風(fēng)浪行進(jìn)，急速倒車(chē)，最大載重量為160KG，機(jī)器人可同時(shí)救起7名落水者。

帶有倒車(chē)功能的水上救援機(jī)器人能夠通過(guò)機(jī)器視覺(jué)控制識(shí)別救援信號(hào)，準(zhǔn)確快速到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，節(jié)約了人力資源，同時(shí)提高了水上救援成功率。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和后期不斷改進(jìn)機(jī)器視覺(jué)的算法，以期提高識(shí)別率，從而提高救援的準(zhǔn)確性。