林炳魁

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院,福建 漳州 363000)

如今,自然災(zāi)害、意外事故等突發(fā)事件發(fā)生得越來越頻繁,在災(zāi)難發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)使用機(jī)器人進(jìn)行探測(cè)與救援,可以大大提升救援的成功率,同時(shí)救援人員的安全也得到了保障[1]。救援機(jī)器人一般應(yīng)具有識(shí)別地形、主動(dòng)避障、感知外載、自主平衡等功能[2]。相比輪式和履帶式機(jī)器人,步行機(jī)器人可以更好地適應(yīng)崎嶇地形,實(shí)施有效救援[3],但步行機(jī)器人對(duì)于算法與結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置的要求極高,難以進(jìn)行大范圍推廣應(yīng)用[4]。輪式機(jī)器人因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝便利、性價(jià)比高等特點(diǎn)成為當(dāng)前搜救機(jī)器人的主流產(chǎn)品[5]。目前,災(zāi)難搜救機(jī)器人研究主要集中在運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、跟蹤算法、圖像處理、監(jiān)控系統(tǒng)、智能化開發(fā)等方面[6-9]。本研究設(shè)計(jì)的是一款集火源查探定位、溫濕度測(cè)量、可燃?xì)怏w檢測(cè)、超聲波測(cè)距、藍(lán)牙遙控驅(qū)動(dòng)為一體的綜合型災(zāi)難搜救機(jī)器人。首先,將小車與藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)部分相結(jié)合,做好機(jī)器人的整體框架,再按照3個(gè)功能模塊的工作要求分別進(jìn)行設(shè)計(jì);然后,選定各個(gè)功能所要求的元器件、車體材料、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、單片機(jī)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)模塊來制作搜救機(jī)器人樣機(jī),進(jìn)行機(jī)器人的設(shè)備安裝與調(diào)試;最后,驗(yàn)證機(jī)器人對(duì)于火源、危險(xiǎn)氣體、溫濕度上下限、超聲波測(cè)距的報(bào)警功能是否正常運(yùn)行。本研究結(jié)論可為量產(chǎn)災(zāi)難搜救機(jī)器人提供相關(guān)的理論依據(jù)。

1 災(zāi)難搜救機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求

本設(shè)計(jì)的這款災(zāi)難搜救機(jī)器人,應(yīng)能對(duì)災(zāi)難發(fā)生區(qū)域進(jìn)行探測(cè),起到輔助救援的作用,要求其具有火源查探定位、溫濕度測(cè)量、可燃?xì)怏w檢測(cè)、超聲波測(cè)距、藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)等功能,所以需要用到火焰檢測(cè)傳感器、溫濕度檢測(cè)傳感器、煙霧檢測(cè)傳感器、超聲波傳感器、藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)模塊、液晶屏顯示模塊和電源模塊等。災(zāi)難搜救機(jī)器人總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 災(zāi)難搜救機(jī)器人總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of the disaster search and rescue robot

1.2 硬件選型

本設(shè)計(jì)的災(zāi)難搜救機(jī)器人主要應(yīng)用于平坦區(qū)域,所以選用速度相對(duì)較快的輪式小車作為主體。

1.2.1驅(qū)動(dòng)馬達(dá)

本設(shè)計(jì)的機(jī)器人質(zhì)量為1 kg左右,受到約9.8 N的重力,4個(gè)輪胎與地面摩擦系數(shù)取0.3,阻力為5.88 N,平均速度為0.18 m/s,驅(qū)動(dòng)功率為1.06 W。因此,本設(shè)計(jì)選擇TT減速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)馬達(dá),其功率為1.477～2.200 W。

1.2.2電源

本設(shè)計(jì)選用的驅(qū)動(dòng)模塊需要12 V左右的電壓。綜合電池盒的規(guī)格,從環(huán)保角度出發(fā),選3節(jié)3.7 V的鋰電池更加合理。

1.2.3單片機(jī)

STM32F407型芯片是一種高性能Cortex-M4 32位微控制器[10]。本設(shè)計(jì)采用的程序語言是C語言,而STM32F407型芯片支持C語言。此單片機(jī)擁有114個(gè)雙向I/O接口,在一個(gè)系統(tǒng)中可以連接多個(gè)功能模塊,且功耗低、穩(wěn)定性好。

1.2.4顯示器模塊

與數(shù)碼管相比,液晶屏的體積更小,圖像顯示更加穩(wěn)定,可以更清晰地顯示出測(cè)得的具體數(shù)值。

1.2.5傳感器模塊

溫濕度傳感器:選用DHT11型傳感器,它集合了溫度與濕度兩個(gè)功能的測(cè)量模塊,濕度量程20%～90%、溫度量程0～50 ℃。火焰?zhèn)鞲衅?選用L型火焰?zhèn)鞲衅?通過比較器輸出,穩(wěn)定性較高,當(dāng)探測(cè)角達(dá)到60°時(shí),傳感器對(duì)光譜最靈敏。煙霧傳感器:在煙霧報(bào)警方面,可靠性是最重要的性能,半導(dǎo)體式煙霧傳感器的靈敏度、響應(yīng)速度都優(yōu)于接觸燃燒式傳感器,所以選擇MQ-2型煙霧傳感器。超聲波傳感器:選擇HC-SR04型超聲波傳感器,該傳感器價(jià)格低廉,品質(zhì)穩(wěn)定,使用簡(jiǎn)單方便,無須設(shè)計(jì)超聲波接收電路。藍(lán)牙模塊:選用CSR藍(lán)牙芯片,可適配手機(jī)和筆記本電腦。

1.2.6其他輔助硬件

采用發(fā)光二極管(LED)作為報(bào)警燈,利用8550型三極管(PNP型)的開/關(guān)功能控制蜂鳴器發(fā)音,通過L298N型芯片控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

各軟件模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 各軟件模塊流程Fig.2 Flow chart of each software module

1.3.1火焰與煙霧報(bào)警模塊

由圖2(a)可以看出,系統(tǒng)通電后液晶屏和報(bào)警限定值會(huì)被初始化,系統(tǒng)開始檢測(cè)3個(gè)主要工作模塊的功能,并將數(shù)值和判斷信號(hào)分別發(fā)送給單片機(jī),由液晶屏和報(bào)警燈光來反饋結(jié)果。當(dāng)煙霧濃度或溫度大于報(bào)警限定值時(shí),報(bào)警燈與蜂鳴器開始報(bào)警,按下設(shè)置的按鍵,程序回到初始狀態(tài),而火焰?zhèn)鞲衅鲃t無須改變。

1.3.2超聲波測(cè)距模塊

由圖2(b)可知,此系統(tǒng)通電后,液晶屏被初始化,隨后超聲波測(cè)距模塊發(fā)射超聲波并將接收到的測(cè)量結(jié)果顯示在液晶屏上。由于為可能障礙物設(shè)置了一定距離的限定值,所以一旦進(jìn)入報(bào)警范圍,機(jī)器人的報(bào)警系統(tǒng)便啟動(dòng),操作員停止操作。

1.3.3環(huán)境溫濕度測(cè)量模塊

由圖2(c)可知,系統(tǒng)初始化后開始正常進(jìn)行溫濕度的測(cè)量,在液晶屏上顯示出環(huán)境溫濕度的具體數(shù)值后,便進(jìn)入溫濕度上下限報(bào)警階段。只要溫濕度低于下限或高于上限,聲光報(bào)警系統(tǒng)便發(fā)出警報(bào)。

1.3.4藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

由圖2(d)可以看出,系統(tǒng)通電后,藍(lán)牙模塊被初始化,接著便發(fā)出信號(hào),如果手機(jī)端接收到信號(hào),則開始發(fā)送指令,驅(qū)動(dòng)模塊接收到指令后,液晶屏上顯示機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),隨后機(jī)器人開始根據(jù)指令移動(dòng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 災(zāi)難搜救機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)

依據(jù)硬件和軟件設(shè)計(jì)方案,以小車為主體,整合各個(gè)模塊,最終得到綜合型災(zāi)難搜救機(jī)器人,如圖3所示。本設(shè)計(jì)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上分為2層,上層是火焰與煙霧報(bào)警系統(tǒng)、超聲波測(cè)距系統(tǒng)、環(huán)境溫濕度測(cè)量系統(tǒng)這3個(gè)功能子模塊,下層則是藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖3 搜救機(jī)器人實(shí)物Fig.3 Search and rescue object

2.2 災(zāi)難搜救機(jī)器人性能測(cè)試結(jié)果

2.2.1火焰與煙霧報(bào)警系統(tǒng)功能

火焰與煙霧報(bào)警系統(tǒng)通電并開啟后,點(diǎn)燃打火機(jī),慢慢靠近火焰?zhèn)鞲衅?火焰?zhèn)鞲衅鲌?bào)警后熄滅打火機(jī)。將打火機(jī)與火焰?zhèn)鞲衅鞯木嚯x拉開至1 cm,再次點(diǎn)燃打火機(jī),觀測(cè)此時(shí)火焰?zhèn)鞲衅魇欠駡?bào)警,記錄距離,然后熄滅打火機(jī),將距離設(shè)置為2 cm,與之前的操作相同,觀測(cè)報(bào)警情況,記錄距離。此后逐漸拉大打火機(jī)火源與火焰?zhèn)鞲衅鞯木嚯x,直至火焰?zhèn)鞲衅鞑辉賵?bào)警,記錄此時(shí)的距離,此時(shí)所測(cè)距離為火焰?zhèn)鞲衅髯畲蟾袘?yīng)距離。測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 火焰?zhèn)鞲衅鳒y(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of flame sensor

由表1可知,當(dāng)檢測(cè)距離為1～15 cm時(shí),火焰?zhèn)鞲衅髂苷９ぷ?可以很好地檢測(cè)周圍環(huán)境是否有火源?；鹧?zhèn)鞲衅鳒y(cè)試結(jié)束后,將打火機(jī)靠近煙霧傳感器,微微按下打火機(jī),釋放丁烷氣體,并觀察報(bào)警系統(tǒng)是否正常工作,結(jié)果如表2所示。

表2 煙霧報(bào)警測(cè)試結(jié)果Tab.2 Smoke alarm test results

由表2可知,在自然環(huán)境下,沒有煙霧或其他危險(xiǎn)氣體接觸傳感器時(shí),聲光報(bào)警系統(tǒng)不會(huì)報(bào)警,而當(dāng)空氣中有煙霧或可燃?xì)怏w存在時(shí),聲光報(bào)警系統(tǒng)則開始報(bào)警。

2.2.2超聲波測(cè)距系統(tǒng)功能

首先,將障礙物放置在超聲波發(fā)射器前面,測(cè)出此時(shí)障礙物至超聲波模塊的距離。然后,給系統(tǒng)通電,使超聲波模塊開始工作,記錄液晶屏上的數(shù)值。接下來,逐漸拉大障礙物與超聲波模塊之間的距離,觀測(cè)顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的偏差,直到偏差數(shù)值較大時(shí)停止記錄。超聲波測(cè)距結(jié)果見表3。

表3 超聲波測(cè)距結(jié)果Tab.3 Ultrasonic ranging results

由表3可以看出,當(dāng)距離在100 cm以內(nèi)時(shí),超聲波測(cè)距較為精確,誤差可能來自障礙物設(shè)定的距離不精確,然而當(dāng)障礙物與超聲波發(fā)生器之間距離大于120 cm時(shí),所測(cè)得的距離就不太準(zhǔn)確了,顯示數(shù)據(jù)總是在112～113 cm變化。由此可以得出結(jié)論,超聲波測(cè)距的最大有效距離約為112 cm。但是,超聲波測(cè)距的最大距離遠(yuǎn)大于火源傳感器的最大探測(cè)距離,所以超聲波測(cè)距模塊可以較為精確地對(duì)火源進(jìn)行定位。

2.2.3環(huán)境溫濕度測(cè)量系統(tǒng)功能

分別在室內(nèi)、陽臺(tái)和樓道3個(gè)不同溫度與濕度的環(huán)境中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行測(cè)試,將測(cè)量結(jié)果與溫濕度計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,結(jié)果見表4。

表4 溫濕度測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.4 Comparison of temperature and humidity detection data

由表4可以看出,在不同溫濕度環(huán)境下,所測(cè)溫度與環(huán)境實(shí)際溫度相差不大,然而由于機(jī)器人與測(cè)試環(huán)境接觸時(shí)間過短,導(dǎo)致濕度測(cè)量數(shù)值不準(zhǔn)確。

2.2.4藍(lán)牙遙控驅(qū)動(dòng)功能

藍(lán)牙開啟后,用手機(jī)搜索小車藍(lán)牙信號(hào),連接完成后點(diǎn)擊“前進(jìn)”鍵,在小車移動(dòng)到一定距離自動(dòng)停下后關(guān)閉藍(lán)牙,記錄此時(shí)小車起始位置與當(dāng)前位置的距離,這個(gè)距離就是最遠(yuǎn)的控制距離,見表5。劃定一段6 m的路程,并將每1 m做好標(biāo)記,開啟小車使其移動(dòng),記錄小車每通過1 m的時(shí)間。將通過距離與通過時(shí)間相除得出此時(shí)的速度,測(cè)算速度平均值,得到小車的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),見表6。

表5 藍(lán)牙控制小車移動(dòng)距離與控制情況Tab.5 Moving distance and control of bluetooth control car

表6 小車移動(dòng)距離與速度的關(guān)系Tab.6 The relationship between mobile distance and speed of car

由表5可以發(fā)現(xiàn),藍(lán)牙控制信號(hào)最多能傳到30 m左右,到達(dá)29 m時(shí),對(duì)小車的控制已不太靈敏,但小車還能在這種不穩(wěn)定的狀態(tài)下繼續(xù)前進(jìn)5 m左右,之后就停止不動(dòng)。由此可以推測(cè),該小車的藍(lán)牙控制距離為0～30 m。

由表6可以看到,小車行駛到2 m后,由于地面不是完全平坦的,導(dǎo)致速度有所下降,但最終能維持在18 cm/s左右。

3 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了一款綜合型災(zāi)難搜救機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)了火源定位、溫濕度測(cè)量、可燃?xì)怏w檢測(cè)、超聲波測(cè)距、藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)等功能,可為災(zāi)難發(fā)生區(qū)域進(jìn)行探測(cè)起到輔助救援作用。測(cè)試表明,所設(shè)計(jì)的災(zāi)難搜救機(jī)器人,適用于較平坦空曠的環(huán)境,可準(zhǔn)確定位火源,檢測(cè)危險(xiǎn)氣體,用藍(lán)牙控制機(jī)器人移動(dòng)時(shí),無須救援人員直接進(jìn)入災(zāi)區(qū),而且可燃?xì)怏w檢測(cè)功能可以避免現(xiàn)場(chǎng)救援人員受到二次傷害。本設(shè)計(jì)中,許多元器件都具有雙重功能,這樣雖然能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作,但所測(cè)數(shù)值會(huì)不精確,所以下一步的工作要在保證功能完整的條件下,將各個(gè)檢測(cè)模塊分開,以單獨(dú)的元器件來檢測(cè)數(shù)據(jù)。