分布式生命信號探測系統(tǒng)的設計

陳冬梅 馬 翔 施 健 馬少斌 安文宣

（寧夏大學物理電氣信息學院 寧夏 750021）

0 引言

我國是地震災害多發(fā)的國家，最大限度地減輕地震災害造成的損失,是我國防震減災工作的重要任務,而如何搜救被壓、被埋人員是地震救援的關鍵。根據相關研究報告，震后第一天內將壓埋人員救出救活率為81%，之后依次遞減，到第五天內救出救活率僅為7.4%，再往后救活的希望就更渺茫了。因此，各種生命探測技術、救援機器人的研究成為了熱門課題。本文提出了一種結合了生命探測技術、救援機器人、無線自組網等相關技術的分布式生命探測系統(tǒng)。

1 生命信號探測系統(tǒng)概述

生命體中存在許多種可被外界感知的生命信號，這些信號通常以特定能量形式出現在人體外部，如聲音信號、紅外信號、光信號以及電磁信號等。這些頻率不同的信號會以波的形式向外傳播，生命探測系統(tǒng)（或儀器）正是通過探測這些不同形式的波，進而判斷不同生命形式及其所在的具體位置。根據采集和處理信號的不同，生命探測方式可分為音頻、紅外和雷達三種探測方式。

音頻生命探測方式是應用聲波在介質中傳播的原理，采用振動傳感器和微電子處理器，對災害現場進行全方位振動信息收集，并排除周圍環(huán)境引起的噪音干擾波，快速判定被困人員位置。

正常情況下，物體都會產生紅外輻射，每種物體產生的紅外輻射具有自身的特點。人體產生的紅外輻射與周圍環(huán)境產生的紅外輻射是有明顯區(qū)別的，紅外生命探測方法就是利用這一點來探測生命體的存在。其探測方法是通過熱紅外探頭采集被困人員的身體熱輻射能量，然后利用光學系統(tǒng)將采集到的能量聚焦在紅外傳感器上，紅外信號轉變成電信號后進行數據分析處理，最后，處理結果經過圖像合成，再經顯示器輸出紅外熱像圖，進而給搜救隊員指出被困人員的大致位置。

2 系統(tǒng)總體設計

分布式生命信號探測系統(tǒng)是為災難救援而設計的機器人系統(tǒng)，其任務是在地震后的廢墟中搜索幸存者。為了實現災難現場的分布式救援，本系統(tǒng)采用物聯網技術在救援現場構建起一個分布式無線自組網絡，系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

2.1 遠程信息交互PC

本系統(tǒng)中自組網和無線網絡共同構成遠程信息交互系統(tǒng)，遠程PC主要功能是通過無線網絡訪問救援現場，如對救援現場傳回的圖像、數據進行共享及分析，方便救援人員做出及時準確的判斷；遠程PC也可實現對現場主載體機器人的指引和控制。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2.2 主載體機器人

主載體機器人（以下簡稱機器人）可以裝載分布探測小車節(jié)點進行移動，同時其自身還具有比分布式探測小車更強的救援功能。機器人主要安裝了如下設備或軟件： 底層控制子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)、環(huán)境信息采集子系統(tǒng)、無線收發(fā)子系統(tǒng)。

2.3 現場嵌入式計算機

現場嵌入式計算機的功能是在救援現場對現場主控節(jié)點匯總的數據進行整合運算處理，將數據壓縮并通過無線網絡傳輸給遠程的PC系統(tǒng)或其它終端，供遠方的人員進行分析。此平臺采用CORTEX A8DB開發(fā)板。

2.4 主控節(jié)點

主控節(jié)點主要用來實現節(jié)點數據的收集、主控節(jié)點數據的發(fā)送對子節(jié)點有最基本的控制，子節(jié)點通過主控節(jié)點實現分布式自組網的建立，并在此基礎上，進行更大面積的互聯。2.5分布式探測小車節(jié)點

分布式探測小車，是一個體積小，功能較為全面的分布式探測節(jié)點，其主體加裝攝像頭、紅外線探測儀、傳感器、無線射頻模塊和定位模塊等。因其體積小重量輕，可以到達人工無法到達的縫隙及危險地帶，能較為準確地定位受困人員的位置，并將采集到的信息傳送至主控節(jié)點。

3 主載體機器人主要功能設計

3.1 控制系統(tǒng)設計

機器人控制系統(tǒng)總體設計如圖2所示。機器人上安裝凌動N270處理器，用于傳感器信息采集處理、發(fā)送傳感器數據、接收控制信號、給底層控制板發(fā)送控制信號、繪制環(huán)境地圖、接收轉發(fā)攝像頭圖像等。

遠程操控PC機與車載凌動N270平臺通過無線網卡和無線路由器組成局域網，控制信號和傳感器數據通過該無線網絡進行傳輸。

圖2 機器人控制系統(tǒng)總體設計圖

3.2 運動控制系統(tǒng)設計

根據機器人機械結構設計，其運動控制系統(tǒng)要求：

(1)控制機器人行進的兩個電機正反轉和調速；

(2)控制推桿電機的伸展和收縮；

(3)機械臂第一自由度的電機正反轉和調速；

(4)機械臂上其他三個自由度上的舵機轉角。

電機控制由凌動N270處理器、AVR單片機和電機驅動電路完成；舵機控制由凌動N270處理器、AVR單片機和接口電路完成，運動控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 運動控制系統(tǒng)框圖

3.3 機器人信息獲取及傳輸

（1）云臺攝像頭

救援機器人需要搜尋被困者,因此,機器人上需要裝備高分辨率可光學變焦的云臺攝像機,可以由操作人員遠程控制云臺攝像機的運動。

（2）普通攝像頭

本系統(tǒng)加裝兩個普通攝像頭，用于反饋機器人狀態(tài)。其中一個安裝在機械臂前端，以獲取機械臂操作狀況；另一個安裝在機器人尾部，觀測機器人后部信息，用于機器人倒退避障。

由于這兩個攝像頭固定在機器人上，固定觀測圖像，不需要云臺操控，所以采用USB接口的普通攝像頭,通過USB與凌動N270平臺連接。

（3）超聲波測距

機器人為獲得環(huán)境地圖，首先需要獲得其與周圍障礙物的距離，鑒于激光測距儀價格昂貴，本系統(tǒng)采用超聲波測距模塊URF04。

本模塊性能穩(wěn)定，測量距離準確，能與國外的SRF05,SRF02等超聲波測距模塊相媲美。模塊精度高，盲區(qū)（2cm）超近。

（4）信息傳輸

3個攝像頭獲取的圖像、測距模塊信息、電子羅盤信息通過凌動N270平臺處理后，遠程計算機通過無線網絡查看凌動N270平臺上獲取的圖像及信息，并通過無線網絡發(fā)送控制指令給凌動N270平臺。

遠程計算機和機器人上的凌動N270平臺各安裝一塊TLWN322G+ 54M無線USB網卡，它們之間通過TP-LINK公司生產的TL-WR741N150M無線寬帶路由器組成無線局域網。該網絡采用IEEE 802.11g協(xié)議，傳輸距離室內最遠100米，室外最遠300米。把無線路由器置于操控臺和機器人之間的高處,使無線路由器和兩塊無線網卡之間的障礙物盡可能少,充分利用了無線網絡的覆蓋區(qū)域,并且盡量減小了無線信號的衰減,使傳感器信息和控制信號能夠傳輸得更遠。

3.4 上位機控制軟件設計

3.4.1 控制軟件設計

控制軟件安裝在機器人上的凌動N270平臺中，遠程計算機通過訪問凌動N270平臺來控制機器人的運動及信息處理。軟件功能包括攝像頭圖像獲取、運動控制、攝像頭云臺控制、傳感器數據處理、繪制環(huán)境地圖等功能。機器人控制軟件界面如圖4所示。

圖4 機器人控制軟件界面

3.4.2 地圖繪制的實現

機器人進入救援現場后需要繪制現場地圖，地圖內的信息主要包括幸存者、障礙物、通道等。本系統(tǒng)引入了GeoTiff格式進行地圖存儲，這是一種標準的地圖格式，在地理信息系統(tǒng)和遙感影像的處理和應用中，柵格影像都包含有各種地理信息，而一般的BMP、JPG、TIFF等圖像存儲格式都不能對各種地理信息進行有效的存儲，因此GeoTiff作為TIFF的一種擴展得到了廣泛應用。

由于 Viusal c#.Net語言支持對TIFF文件的存取，因此，我們對GeoTiff文件的讀取和寫入都是建立在TIFF文件的基礎上，這樣就簡化了代碼，提高了開發(fā)效率。

4 結語

生命探測系統(tǒng)在災害救援中發(fā)揮著至關重要的作用，它可以為救援人員探測人力無法到達的區(qū)域是否還有人員被困，從而幫助搜救人員迅速、準確、安全地發(fā)現幸存者，為營救工作爭取寶貴的時間。本文提出的分布式生命信號探測系統(tǒng)，為救援機器人平臺技術提出了一種新的思路，具有較好的應用前景。

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