一種基于遠(yuǎn)程控制的搜救機(jī)器人

徐文偉，毛麗民，彭偉偉，吳余生，謝新明

（常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

一種基于遠(yuǎn)程控制的搜救機(jī)器人

徐文偉，毛麗民，彭偉偉，吳余生，謝新明

（常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

針對(duì)災(zāi)難現(xiàn)場情況復(fù)雜，且救援人員在存在煙霧、灰塵和一氧化碳等有害物的情況下很難進(jìn)入現(xiàn)場開展救援工作的問題，設(shè)計(jì)了以STC89C516RD+單片機(jī)為控制核心的遠(yuǎn)程控制搜救機(jī)器人，通過熱釋電紅外傳感器和高清攝像頭配合工作.實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)器人體積小，能快速、準(zhǔn)確地搜索到目標(biāo).

遠(yuǎn)程控制；搜救；STC89C516RD+單片機(jī)

地震、礦難、火災(zāi)等災(zāi)難發(fā)生后，在廢墟中搜尋幸存者，給予必要的醫(yī)療救助，是救援人員面臨的緊迫任務(wù).超過48小時(shí)后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來越低[1].由于災(zāi)難現(xiàn)場情況復(fù)雜，救援人員在存在煙霧、灰塵和一氧化碳等有害物的情況下很難進(jìn)入現(xiàn)場開展救援工作，救援人員可以遠(yuǎn)程控制搜救機(jī)器人進(jìn)入現(xiàn)場，機(jī)器人通過無線局域網(wǎng)將攝像頭的視頻信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，救援人員根據(jù)傳回的信息了解現(xiàn)場情況，及時(shí)做出準(zhǔn)確的判斷，為搜救工作帶來方便[2].

1 設(shè)計(jì)原理

搜救機(jī)器人在搜索過程中通過熱釋電紅外傳感器和高清攝像頭的配合，判別是否尋找到幸存者.通過藍(lán)牙透傳模塊傳輸控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制搜救機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人通過無線局域網(wǎng)將攝像頭的視頻信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，使搜救人員可以掌握搜救現(xiàn)場的情況.當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)過程中遇到障礙，救援人員可以操作機(jī)器手進(jìn)行搬運(yùn)或者繞開行駛.一旦熱釋電紅外傳感器感測到幸存者，蜂鳴器開始報(bào)警，并將報(bào)警信息傳輸回上位機(jī).救援人員可以適時(shí)使用車載機(jī)械手搬運(yùn)覆蓋在幸存者身上的物體，同時(shí)向被困者輸送營養(yǎng)液，維持其生命[3].在常態(tài)運(yùn)行過程中，機(jī)器人還會(huì)采集現(xiàn)場的溫度及煙霧濃度信號(hào)傳回控制平臺(tái)，使救援人員能夠了解現(xiàn)場的環(huán)境信息，對(duì)救援工作及人員安全起到幫助作用.

機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)采用履帶式結(jié)構(gòu)，與輪式結(jié)構(gòu)相比，該驅(qū)動(dòng)方式具備更低的接地比，具有更好的穩(wěn)定性、牽引力和推動(dòng)力，爬坡能力、通行性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于輪式，尤其是在泥地、崎嶇的野外等松軟地面上進(jìn)行作業(yè).

2 搜救機(jī)器人上位機(jī)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)程序采用全圖形化的操作界面（見圖1），視頻輸入和控制輸出都是在該界面上進(jìn)行的，程序設(shè)計(jì)采用Visual Basic.上位機(jī)接收傳回的圖像，經(jīng)過操作人員判斷后控制搜救機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，包括搜救機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，機(jī)械手各自由度的調(diào)整及營養(yǎng)液輸送等，同時(shí)機(jī)器人將采集的現(xiàn)場信息（如溫度、煙霧、熱釋紅外信號(hào)等）實(shí)時(shí)返回給上位機(jī).

圖1 攝像頭圖像采集界面和主控界面

圖2 搜救機(jī)器人示意圖

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于STC89C516RD+微處理器，構(gòu)建了具有目標(biāo)搜索與遠(yuǎn)程控制功能的搜救機(jī)器人.機(jī)器人系統(tǒng)的組成主要包括微處理器部分、電源供電部分、電機(jī)控制部分、目標(biāo)搜尋與檢測部分、通訊部分等，如圖2所示.

3.1 微處理器

本設(shè)計(jì)采用STC89C516RD+單片機(jī)，STC89C516RD+是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有64 K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，1280字節(jié)RAM，全雙工串行口，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器.使得STC89C516RD+為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案.

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

如圖3所示，單片機(jī)的四個(gè)引腳分別與電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制端口相連.當(dāng)輸入信號(hào)端IN1接高電平，IN2接低電平，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)；信號(hào)端IN1接低電平，IN2接高電平，電機(jī)M1反轉(zhuǎn).當(dāng)輸入信號(hào)端IN3接高電平，IN4接低電平，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)；信號(hào)端IN3接低電平，IN4接高電平，電機(jī)M2反轉(zhuǎn).LED1和LED2作為電機(jī)M1正反轉(zhuǎn)的指示，LED3和LED4作為電機(jī)M2正反轉(zhuǎn)的指示.由于電機(jī)是線圈式的，從運(yùn)行狀態(tài)到突然停止和轉(zhuǎn)向的切換，電感性負(fù)載的電機(jī)電流不能突變，將產(chǎn)生無限高的感生電動(dòng)勢，使得驅(qū)動(dòng)芯片擊穿，為了防止產(chǎn)生這種影響，所以電路上加入的二極管D1～D8就是在產(chǎn)生感生電流時(shí)作泄流作用的，將電能回送給電源，此時(shí)電源電壓反向加在負(fù)載的電感上，迫使電流按照一定的變化率減小至零.

3.3 人體紅外檢測設(shè)計(jì)

圖4為熱釋電人體紅外檢測電路圖，該搜救機(jī)器人所用的熱釋電紅外傳感器采用雙探測元的結(jié)構(gòu)，紅外傳感信號(hào)處理器為BISS0001.紅外探測器采用熱釋電元件，對(duì)人體輻射出的10 μm左右波長的紅外輻射非常敏感.當(dāng)人體發(fā)出的微量紅外線引起熱釋電紅外傳感的內(nèi)部敏感元件溫度變化時(shí)，傳感器將在它的外接電阻R4兩端產(chǎn)生一種微弱的電壓信號(hào)，將信號(hào)接至BISS0001的前置運(yùn)算放大器同相輸入端1IN+進(jìn)行放大濾波.經(jīng)第一級(jí)放大處理后從1OUT引腳輸出，由電容C3耦合至芯片內(nèi)部二級(jí)運(yùn)放器的反相輸入端2IN-進(jìn)行第二級(jí)放大，在BISS0001內(nèi)部電路作雙向鑒幅處理后有效地觸發(fā)延時(shí)定時(shí)器.

圖4 熱釋電人體紅外檢測電路

圖5 煙霧檢測電路

圖6 報(bào)警電路

3.4 煙霧檢測

煙霧檢測電路如圖5，該設(shè)計(jì)采用旁熱式煙霧傳感器MQ1，在沒有煙霧的情況下，傳感器的阻值為20 K左右，煙霧進(jìn)入時(shí)其阻值急劇下降，使其壓降降低.從傳感器上端出來的信號(hào)Vi經(jīng)過運(yùn)算放大器的同相輸入端，但是為了保證引入的是負(fù)反饋，輸出電壓Vo通過電阻R15接到反相輸入端，同時(shí)，反相輸入端通過電阻R14接到參考電壓Vref，由于引入深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，因此電路的輸入阻抗很高，輸出阻抗很低.高輸入阻抗就可以減少放大電路對(duì)前端電路的影響，同時(shí)低輸出阻抗也可以提高自身的抗干擾性.該放大電路還加入了參考電壓，引入了零點(diǎn)調(diào)節(jié)功能，產(chǎn)生一個(gè)參考電壓Vref，再利用電壓跟隨器把電壓輸入到運(yùn)算放大電路的電壓參考端.調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，可以直接改變放大電路的參考電壓，電壓跟隨器用來匹配阻抗，防止R14和R15對(duì)滑動(dòng)變阻器輸出電壓的影響.煙霧探頭在工作情況下會(huì)有一定的發(fā)熱，這是由于其電阻特性導(dǎo)致的，屬正?，F(xiàn)象.

3.5 報(bào)警電路

圖6為報(bào)警電路圖，當(dāng)熱釋電傳感器檢測到幸存者時(shí)，程序控制報(bào)警器將端口置低電平，PNP三極管導(dǎo)通，蜂鳴器得電開始報(bào)警，可以幫助搜救人員更快到達(dá)目的地.

3.6 電源模塊

如圖7所示，系統(tǒng)使用7.4V 5000 mAh 20C的航模鋰電池作為主電源，該電池采用聚合物鋰電芯，能提供超長的續(xù)航能力，且放電倍率大，適合大功率負(fù)載.5 V電源由7805提供，7805是三端穩(wěn)壓芯片，所需外圍器件極少，芯片內(nèi)部有過熱、過流的保護(hù)電路，使用方便，能提供1.5 A的輸出電流，能可靠地為單片機(jī)及外接模塊供電，輸出端口并聯(lián)10 μF電容是為了減少輸出紋波，使控制器不受電源質(zhì)量干擾.

3.7 串口通訊電路

圖8為串口通信電路圖，采用了專用芯片MAX232進(jìn)行RS232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換，采用三線制連接串口，9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD.

3.8 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

圖9是單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖，機(jī)器人選用宏晶科技生產(chǎn)的高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的STC89C516RD+單片機(jī)為控制核心，該單片機(jī)同屬于51系列，使用上電復(fù)位設(shè)計(jì).時(shí)鐘電路外接11.0592M晶體振蕩器，XTAL1與XTAL2分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出，并且根據(jù)推薦使用兩個(gè)22 pF的瓷片電容接地來削減諧波對(duì)電路穩(wěn)定性的影響.

3.9 藍(lán)牙串口模塊

圖10為藍(lán)牙HC-06模塊電路圖，該模塊主從一體，密鑰相同則自動(dòng)配對(duì).模塊符合TTL電平規(guī)范，UART_TXD與UART_RXD可以與單片機(jī)的P30與P31直接相連.LED顯示模塊是否配對(duì)成功，未配對(duì)時(shí)閃爍頻率較高，配對(duì)后作0.5 Hz閃爍.藍(lán)牙主機(jī)上有個(gè)KEY端口，當(dāng)該端口與電源相連，然后就能觸發(fā)主機(jī)重新搜索周圍從機(jī)設(shè)備并進(jìn)行配對(duì).當(dāng)模塊作從機(jī)時(shí)只能被動(dòng)連接，KEY功能被屏蔽.

圖7 電源模塊電路

圖8 串口通信電路

4 遠(yuǎn)程搜救機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制搜救機(jī)器人通過熱釋電紅外傳感器和高清攝像頭配合工作，判別是否找到幸存者.打開搜救機(jī)器人的電源，藍(lán)牙主機(jī)與從機(jī)進(jìn)行配對(duì)連接，無線攝像頭建立數(shù)據(jù)鏈路.然后打開上位機(jī)應(yīng)用程序，選擇相應(yīng)的串口號(hào)及波特率，此刻機(jī)器人會(huì)與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以防出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂碼.通過電腦鍵盤或者鼠標(biāo)可以執(zhí)行多項(xiàng)預(yù)定命令，單片機(jī)根據(jù)接收到的信號(hào)，從而控制搜救機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)或者調(diào)整機(jī)械手的各個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物品.控制信號(hào)還包括營養(yǎng)液控制，營養(yǎng)液導(dǎo)管固定在機(jī)械手上，可以調(diào)整機(jī)械手的角度向被困者輸送營養(yǎng)液.搜救車行進(jìn)的同時(shí)熱釋電紅外傳感器通過探測人體發(fā)射的10 μm左右的紅外線尋找幸存者[4].如果熱釋電紅外傳感器感測到幸存者，開啟蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)將報(bào)警信號(hào)傳回上位機(jī)并顯示.否則將現(xiàn)場的溫度值及煙霧濃度信息傳回至上位機(jī)，供救援人員參考[6].

圖9 單片機(jī)電路圖

圖10 藍(lán)牙串口模塊

5 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的搜救機(jī)器人的可行性，在完成相關(guān)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，圖12（a）-（d）顯示了搜救機(jī)器人的搜索過程.

圖12 搜救機(jī)器人的搜索過程

圖11 程序流程圖

[1]董曉坡，王緒本.救援機(jī)器人的發(fā)展及其在災(zāi)害救援中的應(yīng)用[J].防震減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2007，27（1）：112-117.

[2]王忠民.災(zāi)難搜救機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].測控技術(shù)，2007（17）：152-155.

[3]呂常智，姚志科.基于無線通信的移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械，2012，33（3）：239-241.

[4]趙杰，崔崇信.基于無線傳感的井下搜救機(jī)器人監(jiān)測系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34（2）：15-17.

[5]吳繁，張偉軍.排爆機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].機(jī)械與電子，2010（5）：55-58.

[6]Xueshan Gao,Kejie Li,Junyao Gao.A Mobile Robot Platform with Double Angle-Changeable Tracks[J].Advanced Robotics,2009, 23:1085-1102.

The Search and Rescue Robot Based on the Remote Control

XU Wen-wei,MAO Li-min,PENG Wei-wei,WU Yu-sheng,XIE Xin-ming
（School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China）

In view of the complex situation of the disaster scene,and the fact that it is difficult for rescue work?ers to enter the site to carry out rescue work on account of smoke,dust and carbon monoxide,this paper puts for?ward a STC89C516RD+MCU as the core to control the remote control search and rescue robot design scheme, by using Pyroelectric infrared sensor and a high-definition camera.Experiments show that the robot is small, and can quickly and accurately find the target.

remote control;search and rescue;STC89C516RD+MCU

TP368.1

B

1008-2794（2013）04-0109-05

2012-12-09

江蘇省大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2012JSSPITP2310）

毛麗民，講師，碩士，研究方向：機(jī)器人與目標(biāo)跟蹤研究，E-mail：maolimin_1981@163.com.