引入人體紅外釋熱探測的救援機(jī)器人感知系統(tǒng)*

陸興華　陳銳俊　池坤丹

(廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院　廣州　511325)

?

引入人體紅外釋熱探測的救援機(jī)器人感知系統(tǒng)*

陸興華陳銳俊池坤丹

(廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院廣州511325)

摘要救援機(jī)器人通過對人體釋放的熱量進(jìn)行智能采集和信息感知,執(zhí)行救援任務(wù)。采用嵌入式架構(gòu)下的人體紅外釋熱探測方法進(jìn)行智能救援機(jī)器人設(shè)計(jì),在前期的功能模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)救援機(jī)器人的人體紅外釋熱探測感知系統(tǒng)。進(jìn)行了救援機(jī)器人對人體的紅外釋熱感知原理分析和系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),基于波束陣列形成算法進(jìn)行人體紅外釋熱探測算法改進(jìn),采用VXI總線模塊技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)測試結(jié)果表明,采用該系統(tǒng)進(jìn)行救援機(jī)器人的信息感知,能有效探測到人體紅外釋熱信息,對熱源的感知靈敏度和準(zhǔn)確度較高,波束主瓣聚集性能較好,提高機(jī)器人準(zhǔn)確探測救援目標(biāo)的能力,將在海上救援等任務(wù)中具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞機(jī)器人; 救援; 紅外探測; 感知系統(tǒng)

A Rescue Robot Perception System with Introduction of Infrared Heat Release Detection in Human Body

LU XinghuaCHEN RuijunCHI Kundan

(Huali College Guangdong University of Technology, Guangzhou511325)

AbstractThe rescue robot implements rescue misson through the collection and information awareness of heat released by human body. In the embedded system, the infrared thermal release detection method of human body is designed, which is based on the functional modular design of the early stage. The infrared thermal sensing principle analysis and system design of the rescue robot are carried out, and the infrared thermal detection algorithm based on beamforming algorithm is improved. The hardware design of the system is carried out by using VXI bus module. System test results show that the system can effectively detect the infrared heat release information of human body, and can improve the accuracy of the beam, and the robot.

Key Wordsrobot, rescue, infrared detection, perception system

Class NumberTP242

1引言

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,機(jī)器人廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)程探測、目標(biāo)識別、野外作業(yè)、極地探險(xiǎn)、礦物勘探以及搶險(xiǎn)救援等領(lǐng)域中,機(jī)器人是通過植入人工智能控制算法,結(jié)合應(yīng)用需求,模擬人類實(shí)現(xiàn)智能作業(yè)的機(jī)器智能體。救援機(jī)器人作為機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)重要方向,在遠(yuǎn)海救援和野外搜救等領(lǐng)域中具有較好的應(yīng)用價(jià)值,救援機(jī)器人通過發(fā)射紅外探測信號,采集人體輻射的人臉等機(jī)能信息實(shí)現(xiàn)搶險(xiǎn)搜救,救援機(jī)器人將在地震救災(zāi)和戰(zhàn)場救護(hù)等領(lǐng)域中都有重要的應(yīng)用前景。由于救援機(jī)器人是通過對人體釋放的熱量進(jìn)行智能采集和信息感知,執(zhí)行救援任務(wù)。因此,對救援機(jī)器人的信息感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的核心。研究優(yōu)化的救援機(jī)器人的信息感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,在提高救援機(jī)器人的信息采集靈敏度,提高搜救能力方面具有重要意義[1~3]。

本文在前期的救援機(jī)器人總體設(shè)計(jì)和功能模塊集成構(gòu)建的基礎(chǔ)上,采用人體紅外釋熱探測方法,進(jìn)行救援機(jī)器人的信息感知系統(tǒng)設(shè)計(jì),信息感知系統(tǒng)相當(dāng)于機(jī)器人的耳眼口鼻,對信息感知的失靈,將嚴(yán)重影響機(jī)器人的救援效率[4~6],傳統(tǒng)方法中,對救援機(jī)器人的信息感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法采用視覺特征檢測方法,采用機(jī)器視覺分析方法進(jìn)行救援對象的圖像視覺重構(gòu),實(shí)現(xiàn)信息采集和感知,該方法在夜間施救或者有障礙物的情況下,救援效果不好[7]。針對這一問題,本文提出一種基于人體紅外釋熱探測的救援機(jī)器人感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,首先構(gòu)建救援機(jī)器人感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型,分析設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和功能模型,然后基于波束陣列形成算法進(jìn)行人體紅外釋熱探測算法設(shè)計(jì),以此為基礎(chǔ)進(jìn)行感知系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì),最后通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能驗(yàn)證,展示了本文設(shè)計(jì)的救援機(jī)器人感知系統(tǒng)在提高救援目標(biāo)信息采集能力方面的優(yōu)越性能,得出有效性結(jié)論。

2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與紅外釋熱探測算法

2.1救援機(jī)器人感知原理和系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)救援機(jī)器人的信息采集和感知,采用紅外熱輻射傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,紅外熱輻射傳感器為一個(gè)電感式傳感器,電感式傳感器數(shù)字信號正交解調(diào)包括輸入調(diào)諧回路、高頻方法、混頻處理、PWM整流、鑒頻和低頻功放等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,采用射頻識別技術(shù)獲取救援機(jī)器人感知系統(tǒng)的傳感節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的傳感器板的主要作用是采集ZigBee傳感器的原始數(shù)據(jù),電感傳感器需要外部3.8V的電源,通過VXI系統(tǒng)總線高速傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行熱輻射數(shù)據(jù)采集,調(diào)理箱可接入電壓信號、綜合壓電傳感器信號進(jìn)行信號調(diào)理。人體熱輻射檢測是采用連續(xù)的γ能譜對人體熱輻射進(jìn)行信號特征提取,實(shí)現(xiàn)對人體熱輻射的二維或者三維熱輻射數(shù)據(jù)識別,各個(gè)釋熱射傳感信號采集系統(tǒng)采用四臺計(jì)算機(jī),三臺顯示器連接到救援機(jī)器人的主控中心,人體熱輻射特征采集中,由于人體熱輻射是DNA結(jié)構(gòu),在質(zhì)譜圖中生成的自然伽馬放射性特征序列,在人體熱輻射檢測中,救援機(jī)器人通過γ能譜的測定,描述救援機(jī)器人的衰變方式為α、β、γ。微觀地講,γ射線是一種高頻電磁輻射,單個(gè)人體熱輻射信號通過釋熱傳感器放射出β粒子,通過人體熱輻射檢測,形成自由電子和正離子所組成的離子對,救援機(jī)器人的熱量傳感器通過釋放能量為hγ的光量子束縛電脈沖,進(jìn)行區(qū)域搜索,通過區(qū)域內(nèi)人體紅外釋熱探測信息分類,實(shí)現(xiàn)人體熱輻射檢測[8~10],救援機(jī)器人進(jìn)行人體紅外人輻射探測實(shí)現(xiàn)信息感知的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1　救援機(jī)器人熱輻射感知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

通過對人體紅外釋熱探測,在機(jī)器人的信息采集終端形成一個(gè)γ能譜圖,典型的人體熱輻射檢測能譜圖如圖2所示。

圖2　典型的人體紅外熱輻射檢測能譜圖

結(jié)合圖2,本文采用閃爍計(jì)數(shù)器進(jìn)行人體紅外釋熱的能量統(tǒng)計(jì),陽極收集了電離電子后,基于蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管統(tǒng)計(jì)人體紅外釋熱輻射檢測系統(tǒng)的脈沖響應(yīng),蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管價(jià)格便宜,附屬設(shè)備簡單,通過對人體紅外熱輻射過程中的電位變化值進(jìn)行脈沖探測,蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管脈沖探測器工作原理如圖3所示,其中,人體紅外釋熱輻射的在蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管的陽極收集到的電荷數(shù)A的電位是U0,在A點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖,引起計(jì)數(shù)管放電,形成一個(gè)伽馬光子,通過兩個(gè)端子與外電路相聯(lián),進(jìn)行圖譜序列的脈沖檢測,為救援機(jī)器人提高信息源。

圖3　蓋革-彌勒計(jì)數(shù)管脈沖探測器工作原理

在上述系統(tǒng)構(gòu)建和原理分析的基礎(chǔ)上,得到本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人感知系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)描述如下:

電路終端輸出范圍為0V~5V的雙路電壓信號;世人紅外釋放的熱輻射的采樣頻率為100kHz~102.4kHz,采用4通道尋址逐步對人體熱輻射檢測序列進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù);時(shí)鐘電路的混疊頻率信號采樣精度為98.%以上。

2.2紅外釋熱探測算法設(shè)計(jì)

在上述救援機(jī)器人的信息感知系統(tǒng)紅外釋熱探測總體結(jié)構(gòu)和原理分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行紅外釋熱探測算法設(shè)計(jì),基于波束陣列形成算法進(jìn)行人體紅外釋熱探測算法改進(jìn),假設(shè)救援機(jī)器人安裝有M個(gè)換能器陣元進(jìn)行人體紅外釋熱探測,對每個(gè)陣元輸出xi(t)分別加權(quán)ωi(θ),相鄰陣元間的熱量信息采樣輸出ν(t,θ),即:

(1)

式中,“*”表示復(fù)共軛算子。采用角度分辨率進(jìn)行人體熱量強(qiáng)度辨別,在波束的旁瓣之間進(jìn)行特征分類,得到第一旁瓣級-13dB,熱輻射探測的主瓣輸出為

ν(t,θ)=ωH(θ)x(t)=xH(t)ω(θ)

(2)

式中,“H”表示復(fù)共軛轉(zhuǎn)置;x(t)和ω(θ)分別為紅外熱輻射的原始向量和加權(quán)系數(shù)向量,可以表示為

x(t)=[x1(t)x2(t)…xM(t)]T

(3)

ω(θ)=[ω1(θ)ω2(θ)…ωM(θ)]T

(4)

當(dāng)救援對象的熱源主瓣寬度相對較寬時(shí),人體紅外釋熱探測陣列輸出的功率譜即為需要探測的釋熱信號,可表示為

P(θ)=E[‖ν(t,θ)‖2]=E[ν(t,θ)ν*(t,θ)]

=E[ωH(θ)x(t)xH(t)ω(θ)]

=ωH(θ)E[x(t)xH(t)]ω(θ)=ωH(θ)Rω(θ)

(5)

式中,R為救援機(jī)器人進(jìn)行人體釋熱探測的熱量強(qiáng)度的協(xié)方差矩陣,選用不同的加權(quán)向量,結(jié)合分類脈沖計(jì)數(shù)器,輸入電流和電壓的脈沖向量,選擇輸入阻抗Za作為人體熱輻射檢測的參數(shù),得到阻抗值Za=Va/Ia,其中,Va和Ia分別是沖擊響應(yīng)與輸入的探測脈沖信號在光電倍增管內(nèi)的相位電壓和電流。

3救援機(jī)器人感知系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在上述進(jìn)行救援機(jī)器人感知系統(tǒng)的探測算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),基VXI總線模塊技術(shù),采用模塊化集成設(shè)計(jì)方法,調(diào)用函數(shù)hpe1432_setTriggerExt,使用外部觸發(fā)上升沿觸發(fā)進(jìn)行人體紅外釋熱信息感知系統(tǒng)設(shè)計(jì),人體熱輻射檢測的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中,主要包括:RISC式微處理器、人體紅外熱輻射的像素分類設(shè)計(jì)、波束形成序列恢復(fù)模塊設(shè)計(jì)、A/D模塊設(shè)計(jì)、D/A模塊設(shè)計(jì)、人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)回放模塊。由機(jī)器人感知系統(tǒng)對人體紅外熱輻射檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo),得到AD最低采樣率為14MHz,采用ADSP21160處理器采樣救援機(jī)器人對救援區(qū)域的256道數(shù)據(jù),即使用8位A/D芯片,設(shè)定輸入觸發(fā)通道的觸發(fā)方式。感知系統(tǒng)的主控模塊設(shè)計(jì)中,DSP的最低速度應(yīng)大于25×20=500MHz,數(shù)據(jù)采集經(jīng)過濾波后被送到環(huán)形RAM緩沖區(qū),將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給485網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng),用DC 5V作為電路板總體供電電源,得到機(jī)器人感知系統(tǒng)的主控電路如圖4所示。

圖4　救援機(jī)器人感知系統(tǒng)主控電路

主控制器S3C2440與人體熱輻射檢測傳感器網(wǎng)絡(luò)連接,基于雙16位MAC和雙40位ALU進(jìn)行熱量采集,當(dāng)釋熱量低于閾值時(shí),采用低速A/D將峰值電壓進(jìn)行量化處理,由于ARM系統(tǒng)模塊的核心是ARM嵌入式微處理器,ARM嵌入式微處理器通過電路板的外端接口電路向AD發(fā)送控制指令。采用DAVICOM公司的DM9000進(jìn)行串口通信,人體熱輻射檢測ARM嵌入式微處理器中的L1指令存儲器包括64KBSRAM,兩個(gè)16KB的SRAM組成,在救援機(jī)器人的感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,傳感器板還必須進(jìn)行電源輸送。當(dāng)紅外熱輻射源的輻射計(jì)接收到階躍毫米波噪聲信號時(shí),若輻射計(jì)輸出的兩個(gè)穩(wěn)態(tài)值之間差值為ΔV,輻射計(jì)從初始穩(wěn)態(tài)開始變化到86%ΔV所需要的時(shí)間。S3C2410內(nèi)部集成有LCD控制器,人體熱輻射檢測DSP控制電路設(shè)計(jì)中,要求溫漂小于3ppm/c,最大輸出電流10mA,可以實(shí)現(xiàn)600MHz的持續(xù)工作。在進(jìn)行人體紅外釋熱數(shù)據(jù)采集時(shí),每個(gè)采用4通道尋址逐步對人體熱輻射檢測序列進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù),通過循環(huán)計(jì)數(shù),避免數(shù)據(jù)采集失真和溫度漂移,從而避免了漏檢。綜上描述,得到本文設(shè)計(jì)的救援機(jī)器人感知系統(tǒng)硬件電路如圖5所示。

圖5　救援機(jī)器人感知系統(tǒng)硬件電路

4系統(tǒng)測試與實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于人體紅外釋熱探測的救援機(jī)器人感知系統(tǒng)的性能,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中采用8Gbytes SCSI硬盤進(jìn)行人體紅外釋熱數(shù)據(jù)的信息存儲,使用4通道任意波形發(fā)生器作信號源,測試本文設(shè)計(jì)的救援機(jī)器人的感知系統(tǒng)在進(jìn)行人體紅外釋熱數(shù)據(jù)的信息同步采集、觸發(fā)測試、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄方面的性能,進(jìn)行,首先進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和感知系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)置,得到系統(tǒng)設(shè)置界面如圖6所示。

圖6　救援機(jī)器人感知系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)定

圖7　救援機(jī)器人感知系統(tǒng)接收到人體熱信號的輸出波束圖

參數(shù)設(shè)定中,采用4通道數(shù)據(jù)采集形式,人體紅外釋熱探測信號采用線性調(diào)頻信號,采樣率為50kHz,救援機(jī)器人接收到紅外探測信息的觸發(fā)電平為3V,基于上述參數(shù)設(shè)定結(jié)果,實(shí)現(xiàn)救援機(jī)器人對探測目標(biāo)區(qū)域人體紅外釋熱信號的信息感知,得到輸出的波束圖如圖7所示。

從圖7可見,采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行救援機(jī)器人的信息感知,能有效探測到人體紅外釋熱信息,對熱源的感知靈敏度較高,波束主瓣聚集性能較好,提高機(jī)器人準(zhǔn)確探測救援目標(biāo)的能力。

5結(jié)語

救援機(jī)器人是通過對人體釋放的熱量進(jìn)行智能采集和信息感知,執(zhí)行救援任務(wù)。對救援機(jī)器人的信息感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)的核心。研究優(yōu)化的救援機(jī)器人的信息感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,在提高救援機(jī)器人的信息采集靈敏度,提高搜救能力方面具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了基于人體紅外釋熱探測的救援機(jī)器人感知系統(tǒng),基于波束陣列形成算法進(jìn)行人體紅外釋熱探測算法設(shè)計(jì),進(jìn)行感知系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用本文系統(tǒng)進(jìn)行救援機(jī)器人的目標(biāo)探測,對探測目標(biāo)區(qū)域人體紅外釋熱信號的信息感知準(zhǔn)確度較高,提高機(jī)器人準(zhǔn)確探測救援目標(biāo)的能力,具有較好的實(shí)用價(jià)值,在開展海上救援等救援任務(wù)中具有較好的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張毅,周丙寅.井下直線電機(jī)泵故障檢測儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2012,40(11):162-166.

[2] 王建華,張方華,龔春英,等.基于發(fā)展的PWM Switch模型的Buck/Boost雙向直直變換器建模及分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2014,46(1):92-100.

[3] 葛立志.基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真[J].艦船電子工程,2015,35(3):137-141.

[4] 李春龍,劉瑩.一種高斯色噪聲混響背景的寬帶信號檢測算法[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011,11(3):480-483.

[5] 程艷合,楊文革.壓縮域直擴(kuò)測控通信信號偽碼跟蹤方法研究[J].電子與信息學(xué)報(bào),2015,37(8):2028-2032.

[6] 王瑞,馬艷.基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的線性調(diào)頻脈沖信號波達(dá)方向估計(jì)[J].兵工學(xué)報(bào),2014,35(3):421-427.

[7] 趙輝,方高峰,王琴.基于優(yōu)化LT碼的深空數(shù)據(jù)傳輸策略[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2015,35(4):925-928,949.

[8] 鄒勝宇,劉振,高海波,等.基于干擾力時(shí)間積分的懸吊漂浮物隨動(dòng)控制方法[J].機(jī)器人,2015,37(1):1-8,16.

[9] 劉永春,王廣學(xué),栗蘋,等.基于二維概率密度函數(shù)比較的SAR圖像變化檢測方法[J].電子與信息學(xué)報(bào),2015,37(5):1122-1127.

[10] 孟健,李貽斌,李彬.四足機(jī)器人對角小跑步態(tài)全方位移動(dòng)控制方法及其實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)器人,2015,37(1):74-84.

中圖分類號TP242

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.039

作者簡介:陸興華,男,碩士,講師,研究方向:計(jì)算機(jī)控制算法、人工智能。陳銳俊,男,研究方向:人工智能。池坤丹,男,研究方向:計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

基金項(xiàng)目:2012廣東省質(zhì)量工程人才培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)區(qū)項(xiàng)目(編號:粵教高函[2012]204號);2015年廣東省大學(xué)生科技創(chuàng)新培育項(xiàng)目(編號:pdjh2015b0942);2012廣東省質(zhì)量工程項(xiàng)目“機(jī)電綜合技能實(shí)訓(xùn)中心”(編號:粵教高函[2012]204號)資助。

收稿日期:2015年9月12日,修回日期:2015年10月22日