基于WiFi技術(shù)的多功能小型搜救機(jī)器人

李章俊 沈天怡 華嬌嬌 王婉雪

【摘要】災(zāi)害發(fā)生后廢墟空間環(huán)境復(fù)雜，通信中斷，大型搜救設(shè)備難以快速到達(dá)，搜救工作面臨諸多困難。本文介紹了一種基于WiFi技術(shù)的小型無(wú)線搜救機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)由具有WiFi功能的移動(dòng)機(jī)器人和位于遠(yuǎn)程的操作終端構(gòu)成，可以在沒(méi)有WiFi網(wǎng)絡(luò)或者3G網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，進(jìn)行移動(dòng)搜救，環(huán)境參數(shù)探測(cè)，視頻傳輸，數(shù)據(jù)傳輸和多機(jī)協(xié)同作業(yè)等多種功能。本文介紹了系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)方案。移動(dòng)機(jī)器人部分由微處理器控制模塊、底盤(pán)及設(shè)備運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭及云臺(tái)控制模塊、無(wú)線模塊、環(huán)境參數(shù)感知模塊和電源模塊等組成。操作終端通過(guò)WiFi與機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)器人在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)下的移動(dòng)控制，數(shù)據(jù)及視頻傳輸有效。

【關(guān)鍵詞】搜救機(jī)器人;WiFi;數(shù)據(jù)采集;視頻傳輸;數(shù)據(jù)傳輸

引言

我國(guó)是世界上自然災(zāi)害最為嚴(yán)重的少數(shù)國(guó)家之一[1]，災(zāi)后救援中尤以地震救援最為復(fù)雜和危險(xiǎn)。根據(jù)近幾年地震救援情況不難看出，由于地震發(fā)生后廢墟結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定，很容易對(duì)廢墟中的救援隊(duì)員造成危險(xiǎn)。伴隨地震的還有爆炸，火災(zāi)，山體滑坡等等突發(fā)情況，救援工作困難重重。一部分傷亡在主震瞬間即刻發(fā)生，拯救生命，分秒必爭(zhēng)[2]。災(zāi)后的救援工作往往遇到廢墟極易坍塌，大型搜救設(shè)備無(wú)法快速到達(dá)，廢墟空間狹小且穩(wěn)定性差，存在有毒有害氣體等困難[3]。因此在危險(xiǎn)及復(fù)雜環(huán)境下使用具有感知環(huán)境有害氣體、溫濕度等環(huán)境參數(shù)、感知生命信息，實(shí)現(xiàn)視頻回傳等功能，且行動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可遠(yuǎn)程控制的搜救機(jī)器人具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?？紤]受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)往往通信出現(xiàn)中斷等故障，搜救機(jī)器人盡量避免需要依靠外界通信設(shè)備，其本身就應(yīng)該具有通信功能。WiFi是目前廣泛采用的一種短距離無(wú)線通信協(xié)議[4]，具有成本低、使用方便等優(yōu)勢(shì)，可以接入因特網(wǎng)與各種終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

本文根據(jù)災(zāi)后救援中的各種問(wèn)題，提出一種基于WiFi技術(shù)的小型無(wú)線搜救機(jī)器人設(shè)計(jì)方案。這種機(jī)器人體積較小，可以在狹小空間中自由移動(dòng)，自帶無(wú)線通信設(shè)備，可以與遠(yuǎn)在幾百米以外的搜救隊(duì)員進(jìn)行視頻和數(shù)據(jù)交互，幫助搜救隊(duì)員掌握被困者位置和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況。搜救人員通過(guò)具有WiFi功能的操作終端（手持設(shè)備或PC機(jī)）連接和操縱機(jī)器人，根據(jù)回傳的視頻和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的位置和行動(dòng)情況，對(duì)搜救做出判斷。本文研究了搜救機(jī)器人的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，從硬件和軟件兩方面介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并給出了系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。

1.系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由具有WiFi功能的移動(dòng)機(jī)器人和位于遠(yuǎn)程的操作終端構(gòu)成。移動(dòng)機(jī)器人通過(guò)攝像裝置采集的現(xiàn)場(chǎng)視頻信息，搭載于機(jī)器人上的各種傳感器檢測(cè)到的環(huán)境參數(shù)，視頻和各種數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)傳送到操作終端。同時(shí)移動(dòng)機(jī)器人接收操作終端發(fā)出的控制命令，調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和攝像頭的位置，完成指定的任務(wù)。操作終端顯示當(dāng)前的視頻和數(shù)據(jù)信息，通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)圖像和各類(lèi)參數(shù)數(shù)據(jù)的分析，向機(jī)器人發(fā)出控制信號(hào)。移動(dòng)機(jī)器人與操作終端之間應(yīng)用mipg、streamer，socket等技術(shù)，通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信，完成探測(cè)、搜救等任務(wù)。圖1為搜救機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

移動(dòng)式機(jī)器人硬件主要包括處微理器模塊、底盤(pán)及設(shè)備運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像頭及云臺(tái)控制模塊、無(wú)線模塊、環(huán)境參數(shù)感知模塊和電源模塊等幾部分構(gòu)成。

2.1 底盤(pán)及運(yùn)動(dòng)控制模塊

機(jī)器人底盤(pán)采用雙履帶式驅(qū)移動(dòng)平臺(tái)，可以較好地適應(yīng)災(zāi)后復(fù)雜的地形變化，以提高機(jī)器人在非平坦地面上的越障能力和靈活性[5]。2個(gè)獨(dú)立的電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)車(chē)輪和履帶。為保證電源供電，采用雙電源供電形式。電源模塊1為可重復(fù)充電的移動(dòng)電源，為微控器、攝像頭、WiFi模塊及傳感器提供DC5V電源。電源模塊2采用航模鋰電池，經(jīng)過(guò)LM2596穩(wěn)壓，將12V電壓降至9V電壓，為移動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊提供DC9V電源。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片L298N，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。L298N接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接4.5～7V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為+2.5～46V。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。微控器產(chǎn)生PMW信號(hào)可由微控器或操作終端根據(jù)機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況調(diào)節(jié)和更改，當(dāng)電機(jī)需要調(diào)速行駛時(shí)，就可以通過(guò)調(diào)用中斷函數(shù)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和左右差速轉(zhuǎn)彎的動(dòng)態(tài)調(diào)速。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路如圖2所示。

圖1 搜救機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 攝像頭模塊及云臺(tái)控制模塊

視頻采集部分由高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭和紅外攝像頭構(gòu)成?？紤]到災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)灰塵，煙霧，采光不好等干擾因素，光學(xué)攝像頭和紅外攝像頭同時(shí)捕捉現(xiàn)場(chǎng)圖像，增強(qiáng)黑暗情況下的圖像捕捉能力，提高對(duì)人體等生命信息的識(shí)別能力，幫助搜救隊(duì)員了解機(jī)器人前方路面情況，判別生命跡象。當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)到特定位置時(shí)，云臺(tái)控制模塊工作，云臺(tái)由三自由度平臺(tái)和高度控制裝置構(gòu)成，通過(guò)PWM脈沖控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向來(lái)調(diào)節(jié)攝像頭的上下高度位置，可以在360°內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)，也可以小范圍調(diào)節(jié)攝像頭的仰角，控制攝像頭的攝像角度，實(shí)現(xiàn)多方位多角度的觀察。攝像頭如圖3所示。

圖3 攝像頭模塊

2.3 環(huán)境參數(shù)感知模塊

環(huán)境參數(shù)感知模塊主要包括溫濕度采集、煙霧探測(cè)和熱釋電紅外感應(yīng)等模塊。

溫濕度參數(shù)采集采用SH11溫濕度傳感器，它內(nèi)部將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口集成于一個(gè)芯片內(nèi)，輸出為數(shù)字信號(hào)，傳送給微控器。

熱釋電紅外感應(yīng)模塊可以感知人體紅外信息，由熱釋電紅外傳感器P2288實(shí)現(xiàn)。P2288是一種能檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。當(dāng)感測(cè)到人體熱釋紅外線的時(shí)候，P2288輸出端輸出一個(gè)很小的交流電流信號(hào)（約1.17毫安，0.3～10Hz的交流電流信號(hào)），經(jīng)放大、I/V變換和電壓比較后，輸入到微控器。

煙霧探測(cè)模塊由QM2實(shí)現(xiàn)，用于檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)是否還存在煙霧，判別結(jié)構(gòu)傳送到微控器。

微控器將感知模塊檢測(cè)到的環(huán)境參數(shù)通過(guò)WiFi傳送給操作終端并在終端上顯示，提供給搜救隊(duì)員以實(shí)時(shí)做出決策。

2.4 無(wú)線模塊

無(wú)線模塊負(fù)責(zé)構(gòu)建一個(gè)可以運(yùn)行底層協(xié)議的局域網(wǎng)。處于局域網(wǎng)中的各種終端，通過(guò)WiFi聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)機(jī)器人、通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議連網(wǎng)的上位機(jī)，都可在TCP/IP協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)層及其之上各層進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

本系統(tǒng)中WiFi無(wú)線模塊為GL.inet無(wú)線路由器，它具有150M無(wú)線速率，內(nèi)置DDNS，具有獨(dú)立訪問(wèn)域名，經(jīng)Openwrt刷機(jī)后相當(dāng)于一個(gè)Linux系統(tǒng)，支持連接USB攝像頭，應(yīng)用mipg.streamer，socket等可以很方便的實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的控制。

WiFi模塊與微控器之間通過(guò)串口方式進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，將攝像頭采集的視頻圖像以及檢測(cè)到的各種環(huán)境參數(shù)通過(guò)WiFi模塊傳送至控制終端。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的無(wú)線數(shù)據(jù)通信功能，上位機(jī)的操作界面，下位機(jī)與WiFi模塊之間的通信協(xié)議以及下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)控制。

3.1 WiFi模塊部分

WiFi模塊實(shí)現(xiàn)構(gòu)建一個(gè)可以運(yùn)行TCP/IP協(xié)議的局域網(wǎng)。移動(dòng)機(jī)器人與操作終端通過(guò)WiFi進(jìn)行視頻和各種檢測(cè)數(shù)據(jù)以及控制命令的互相傳送。本系統(tǒng)中無(wú)線通信采用TCP協(xié)議的Socket線程循環(huán)傳輸數(shù)據(jù)，具體過(guò)程如下：

機(jī)器人（服務(wù)器端）啟動(dòng)守護(hù)進(jìn)程創(chuàng)建套接字Socket，建立IP地址，監(jiān)聽(tīng)有效Socket端口，調(diào)用accept函數(shù)從連接請(qǐng)求隊(duì)列中獲得連接信息，等待與操作終端（客戶端）建立連接。一旦連接成功，服務(wù)器端線程與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，服務(wù)器根據(jù)不同的請(qǐng)求，做出相應(yīng)的處理，包括發(fā)送圖像及環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)或接受控制命令?？蛻舳私邮軘?shù)據(jù)后，根據(jù)需要發(fā)送控制信號(hào)用來(lái)設(shè)置移動(dòng)驅(qū)動(dòng)信息給服務(wù)器端。數(shù)據(jù)通信完后關(guān)閉該線程，重新進(jìn)入主線程循環(huán)建立發(fā)送線程。流程圖如圖5所示。

3.2 通訊協(xié)議包定義

由于單字符通信方式干擾較大，本系統(tǒng)下位機(jī)與上位機(jī)之間采用數(shù)據(jù)包格式傳送指令，包頭用0XFF，包尾用0XFF，無(wú)校驗(yàn)位，以不同的類(lèi)型位表示不同的控制或操作命令。上位機(jī)利用無(wú)線網(wǎng)卡通過(guò)Socket發(fā)送數(shù)據(jù)包到路由器，路由器通過(guò)解包機(jī)制把數(shù)據(jù)包解開(kāi)，通過(guò)串口發(fā)送到單片機(jī)并通過(guò)控制模塊執(zhí)行相關(guān)操作。上位機(jī)和下位機(jī)接受到數(shù)據(jù)包后只需去掉包頭和包尾即可獲得相應(yīng)的指令信息。數(shù)據(jù)接收也是類(lèi)似的方式。其協(xié)議規(guī)定如表1所示。

圖5 WITF通信流程圖

表1 通信協(xié)議包定義

圖6 視頻傳輸流程圖

3.3 視頻及環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳送程序

當(dāng)下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送的需要傳送視頻或環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)命令時(shí)，打開(kāi)視頻設(shè)備，讀取設(shè)備信息，進(jìn)行視頻采集，圖像傳送至上位機(jī)，流程如圖6所示。

3.4 上位機(jī)

上位機(jī)部分基于windows CE.net技術(shù)，采用Visual Studio 2010編寫(xiě)C#上位機(jī)客戶端，首先利用編程器自帶的控件設(shè)置主視頻界面、按鈕和滾動(dòng)條區(qū)域，再通過(guò)TCP/IP協(xié)議，創(chuàng)建Socket套接字的實(shí)例，對(duì)按鈕設(shè)置相應(yīng)的指令代碼。為保證數(shù)據(jù)發(fā)送的安全性和準(zhǔn)確性，我們?cè)诿總€(gè)數(shù)據(jù)包中設(shè)置0XFF的包頭和包尾，中間以6位16進(jìn)制的數(shù)據(jù)位作為真實(shí)指令的內(nèi)容，分別控制機(jī)器人前后左右移動(dòng)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)和各類(lèi)傳感器的數(shù)據(jù)采集等。再通過(guò)connect的連接到路由器，以Send的方式向路由器發(fā)送Byte格式指令，當(dāng)發(fā)送結(jié)束時(shí)，使用Close的方式釋放占用的資源。

3.5 下位機(jī)與WiFi的通信協(xié)議

WiFi模塊與微控器模塊之間通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，軟件部分主要設(shè)置串口通信的波特率、通信協(xié)議等，這里不再詳細(xì)論述。

4.系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

經(jīng)試驗(yàn)證明本搜救機(jī)器人的無(wú)線數(shù)據(jù)通信可達(dá)到50米，采用履帶式運(yùn)z行機(jī)構(gòu)在復(fù)雜情況下具有較好的越障功能，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了視頻回傳、環(huán)境參數(shù)檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能，運(yùn)行情況如圖7所示。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的一個(gè)WiFi小型搜救機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了無(wú)線視頻傳輸，環(huán)境監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸和多機(jī)協(xié)同作業(yè)等多種功能。采集的視頻、環(huán)境參數(shù)等信號(hào)可傳輸至任意可連接WiFi的上位機(jī)終端。因?yàn)閃iFi無(wú)線模塊本身就是一個(gè)無(wú)線信號(hào)的發(fā)射源，所以即使在沒(méi)有WiFi網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域仍可使用。當(dāng)機(jī)器人與控制終端距離較遠(yuǎn)或WiFi信號(hào)不足時(shí)，通過(guò)增加中繼節(jié)點(diǎn)，可以提高WiFi功率，提高傳輸距離。經(jīng)試驗(yàn)證明，本系統(tǒng)可用于狹小空間內(nèi)的探測(cè)和搜救任務(wù)，完成環(huán)境參數(shù)檢測(cè)，地形勘測(cè)等任務(wù)，可以極大的減輕救援人員的負(fù)擔(dān)。

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基金項(xiàng)目：本項(xiàng)目受河海大學(xué)常州校區(qū)2013年學(xué)生科技基金資助。

作者簡(jiǎn)介：李章?。?992—），男，貴州貴陽(yáng)人，大學(xué)本科，研究方向：自動(dòng)控制。