多信息融合感知搜救機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

宮玉琳，朱德鵬，陳宏博，景治新，文垠錁

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

多信息融合感知搜救機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

宮玉琳，朱德鵬，陳宏博，景治新，文垠錁

（長春理工大學 電子信息工程學院，長春 130022）

針對地震、戰(zhàn)爭等災難環(huán)境設(shè)計了一種多信息融合感知搜救機器人，機器人通過圖像、火焰、溫度等多種傳感器實現(xiàn)信息融合，感知災難現(xiàn)場環(huán)境。通過無線傳輸，搜救機器人將各種信息傳送到監(jiān)控端，使搜救人員實時了解災難現(xiàn)場環(huán)境，并且機器人特有的聲源定位系統(tǒng)可以輔助搜尋受困人員。同時搜救人員可以通過遠程操控控制機器人狀態(tài)，為搜救人員提供幫助。

搜救機器人；聲源定位；信息融合感知

世界各地的災難時有發(fā)生，無論是人為的災難還是自然災難，通常都會產(chǎn)生巨大的破壞作用，災難發(fā)生后，最緊迫的任務就是救出被困者。但由于災害現(xiàn)場的危險性和復雜性，施救人員無法及時深入現(xiàn)場進行偵察和施救，在這種情形下，凸顯了搜救機器人對救援的重要價值。

當前對搜救機器人研究主要集中在存活能力、運動能力和作業(yè)能力三個方面，通信能力和感知能力的研究相對較弱。搜救機器人的智能化程度很大程度上依賴其對外部世界的感知能力及理解能力。將多種傳感器得到的多種信息融合，可以大大提高系統(tǒng)的容錯能力和完整描述環(huán)境的能力，把多信息融合技術(shù)與搜救機器人技術(shù)結(jié)合起來就可以顯著地提高機器人的智能化水平，完成更加復雜的任務，提高搜救效率，避免搜救人員傷亡，挽救更多生命。

1 搜救機器人硬件系統(tǒng)設(shè)計

搜救機器人硬件系統(tǒng)由運動控制系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控分析系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。機器人基于履帶式運動平臺，利用視頻采集、聲音采集和多種傳感器構(gòu)成信息采集系統(tǒng)，多種信息經(jīng)過數(shù)據(jù)融合并通過無線輸至計算機終端，計算機終端對機器人狀態(tài)及其周圍環(huán)境進行綜合分析，對災害現(xiàn)場的環(huán)境進行還原和綜合分析，為搜救提供多種信息，同時計算機終端可以實現(xiàn)搜救機器人的遠程控制。

圖1 搜救機器人硬件系統(tǒng)框圖

1.1 運動控制子系統(tǒng)

為了提高搜救機器人的復雜地形適應能力，運動系統(tǒng)采用履帶式驅(qū)動平臺，控制平臺采用意法半導體公司生產(chǎn)的32位高性能、低功耗、低成本的增強型系列單片機K60作為控制器，通過4路PWM信號控制兩個減速直流電機，驅(qū)動電路如圖2所示，PWM信號通過光耦合器HCPL2630實現(xiàn)電機驅(qū)動和控制器信號隔離，驅(qū)動模塊采用MOS管IR4427。

圖2 運動控制驅(qū)動電路

1.2 信息采集子系統(tǒng)

1.2.1 視頻采集模塊

視頻采集模塊采用CMOS800線模擬攝像頭，模擬攝像頭輸出制式為N制/P制，可通過開關(guān)進行選擇，攝像頭搭配5.8G，功率2W無線圖傳模塊，模塊傳輸距離可達5000米。通過視頻采集模塊，可以將搜救機器人所在環(huán)境的視頻信息，遠程傳輸至監(jiān)控端，便于搜救人員了解災難現(xiàn)場情況。

1.2.2 聲源定位模塊

聲源定位模塊采用基于四元平面?zhèn)髀暺麝嚵械穆曉炊ㄎ环椒?，定位原理如圖3所示。傳聲器陣列由四個傳聲器M1、M2、M3、M4構(gòu)成，坐標分別為：M1（L/2，L/2，0）、M2（-L/2，L/2，0）、M3（-L/2，-L/2，0）、M4（L/2，-L/2，0），各個傳聲器間距為L，陣列的中心設(shè)為坐標原點。以原點O建立如圖所示的直角坐標系，當聲源位置在S處時，便可根據(jù)S與O的距離R，水平角度φ以及俯仰角度θ，確定S的位置。

圖3 四元平面?zhèn)髀暺麝嚵?/p>

由幾何關(guān)系可知，只需要計算出延時τ12，τ13，τ14，其中τ12，τ13，τ14為傳聲器M1分別與M2、M3、M4的延時，即可求得聲源P的坐標x,y,z及聲源與傳聲器M1的距離R1，進一步即可求得方位角φ和俯仰角θ，如式（1）和式（2）所示。

本文采用基于廣義互相關(guān)的時延估計方法對時延進行估計計算，由互相關(guān)函數(shù)與互功率譜可得：

式中，X1(ω) 和X2(ω)分別是傳聲器接收到的信號x1(t)和x2(t)的傅立葉變換，G12(ω) 是傳聲器接收到的信號x1(t)和x2(t)的互功率譜。進一步可得傳聲器信號的廣義互相關(guān)函數(shù)，如式（4）所示。

1.2.3 環(huán)境感知模塊

環(huán)境感知模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，模塊由超聲波傳感器模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K、熱釋電傳感器模塊、有害氣體傳感器模塊、溫度傳感器模塊和超聲波傳感器模塊組成，各子模塊傳感器將采集到的信號經(jīng)過處理電路處理后發(fā)送給控制器。信息通過環(huán)境感知模塊，搜救人員能夠?qū)崿F(xiàn)對周圍環(huán)境的感知，了解救援現(xiàn)場的實時環(huán)境信息，為搜救行動提供參考。

圖4 環(huán)境感知模塊結(jié)構(gòu)

（1）火焰?zhèn)鞲衅髂K：采用5路火焰?zhèn)鞲衅髂K，如圖5所示，其探測波長為700nm-1100nm的短波近紅外線，探測距離大于1.5m，探測范圍大于150°，傳感器采集到的信號經(jīng)過LM393運放放大后的模擬信號輸入給控制器的A/D端口，控制器根據(jù)A/D值實現(xiàn)對火焰位置的檢測。

圖5 火焰?zhèn)鞲衅髂K

（2）熱釋電傳感器模塊：采用HC-SR501高靈敏度人體紅外感應模塊，如圖6所示，該模塊采用LHI778探頭，具有靈敏度高、可靠性強的特點。當有人進入其感應范圍則輸入高電平，人離開感應范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。

圖6 熱釋電傳感器模塊

（3）可燃氣體傳感器模塊：采用MQ-9氣體傳感器模塊，如圖7所示，該模塊可以實現(xiàn)對一氧化碳、甲烷和液化氣等可燃氣體的檢測。傳感器的輸出信號經(jīng)過LM393運放放大后，輸入給控制器的A/D端口，控制器將接收到的數(shù)據(jù)在傳感器數(shù)據(jù)標定表中查詢即可獲得可燃氣體的濃度信息。

圖7 可燃氣體傳感器模塊

（4）溫濕度傳感器模塊：采用DHT11溫濕度傳感器模塊，如圖8所示，該模塊可以實現(xiàn)對周圍環(huán)境溫度和濕度的檢測，濕度測量范圍：20%-95%，誤差±5%，溫度測量范圍0-50℃，誤差±2℃。采用單線制串行接口，可與控制器方便連接。

圖8 溫度傳感器模塊

（5）超聲波傳感器模塊：采用US-100超聲波傳感器模塊，如圖9所示，其測距范圍可達2cm～4.5m，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進行校正，同時具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。

圖9 超聲波傳感器模塊

1.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

傳統(tǒng)的ZigBee和NRF傳輸距離較近，長時間工作容易丟包。為了實現(xiàn)搜救機器人的遠程數(shù)據(jù)傳輸，本文采用大功率無線通信模塊E31-TTL-2W，其工作頻段為425-450.5MHz，功率可達2W，傳輸距離最大可達8000m，通過串行接口即可實現(xiàn)接收模塊與控制器的連接，數(shù)據(jù)波特率可達115200bps，可以滿足搜救機器人的設(shè)計要求，無線通信模塊及其與控制器連接方式如圖10所示。

圖10 無線通信模塊及其與控制器連接圖

2 搜救機器人軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 多信息融合技術(shù)

受到人的交叉模式感知及朝向注意機制的啟發(fā)，本文提出一種融合聽覺、視覺信息的目標感知策略，在單一模式下機器人可實現(xiàn)對目標對應模態(tài)下的感知，即實現(xiàn)對目標的檢測，比如視覺感知、聽覺感知等；在多模式下，主要表現(xiàn)為視覺和聽覺信息的融合，機器人首先由聽覺感知引起初步注意，視覺迅速鎖定初步定位的空間方位，然后由視覺感知進一步確認。

圖11 多模式融合感知過程

本文給出一種多信息融合的目標感知策略，使機器人能夠快速準確地感知到環(huán)境目標，通過機器人的聽覺感知系統(tǒng)定位聲源粗方向，視覺感知系統(tǒng)進行目標確認及精確定位。機器人通過視覺感知模塊、聽覺感知模塊及其他環(huán)境感知模塊對環(huán)境信息進行采集，對每一路信號采用并行處理的方式，具體實現(xiàn)流程圖如圖11所示。

2.2 監(jiān)控分析系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由機器人控制模塊、視頻實時采集模塊、聲源定位模塊和環(huán)境感知模塊組成。機器人控制模塊用于實現(xiàn)對機器人的遠程無線控制，實現(xiàn)機器人的移動、旋轉(zhuǎn)等操作并顯示機器人的當前狀態(tài)。視頻采集模塊用于實時顯示搜救機器人傳輸回來的現(xiàn)場視頻信息。聲源定位模塊用于對機器人感知到的聲源信號進行定位，指示聲源位置。環(huán)境感知模塊將多傳感器得到的環(huán)境信息匯總顯示在監(jiān)控系統(tǒng)上，并對危險信息進行報警，提醒搜救人員注意。

3 系統(tǒng)測試

為了驗證本文所設(shè)計的搜救機器人在實際搜救中的性能，進行了搜救仿真實驗，搭建了模擬災難現(xiàn)場?，F(xiàn)場中設(shè)置了模擬障礙物。圖12和圖13為模擬災難現(xiàn)場和監(jiān)控計算機顯示的搜救機器人實時回傳的信息。

圖12 模擬災難現(xiàn)場

圖13 實驗監(jiān)控界面

4 結(jié)論

本文針對搜救機器人存在的感知方面的問題，設(shè)計并實現(xiàn)了多信息融合搜救機器人，并在人為構(gòu)造的災難環(huán)境中進行了測試，實驗結(jié)果表明，搜救機器人在視頻采集、聲源定位、環(huán)境感知及遠程控制方面具有較好效果，能夠滿足一般搜救環(huán)境的需要。但是機器人體積較大且復雜地形運動能力受限，這也為進一步改進指明了方向。

［1］ 陳少華.基于STM32的災難現(xiàn)場搜救機器人研制［J］.大連交通大學學報，2016，37（5）：113-115.

［2］ 劉冠群.救援機器人仿生感知技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

［3］ 劉婷婷.基于仿生感知系統(tǒng)的安防機器人開發(fā)與研究［D］.天津：天津理工大學，2014.

［4］ 王森.MATLAB加窗濾波在廣義互相關(guān)時延估計中的應用［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2016，39（6）：48-52.

［5］ 陳思豪.多功能搜救機器人設(shè)計［J］.技術(shù)應用，2016（2）：27-31.

Design and Implementation of Multi Information Fusion Perception Search and Rescue Robot

GONG Yulin，ZHU Depeng，CHEN Hongbo，JING Zhixin，WEN Yinke
（School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In this paper，a multi information fusion perceptual search and rescue robot is designed for earthquake，war and other disaster environments.The robot realizes the information fusion through the image，the flame，the temperature and so on many sensors，and feels the disaster scene environment.The search and rescue robot transmits various information to the monitoring ter?minal，enable search and rescue personnel to understand the disaster scene environment in real time and the robot's unique sound source localization system can help search for trapped people.At the same time，search and rescue personnel can control the state of the robot by remote manipulation，providing assistance for search and rescue personnel.

search and rescue robot；sound source localization；information fusion perception

TP242.3

A

1672-9870（2017）03-0085-04

2017-03-20

宮玉琳（1983-），男，博士，講師，E-mail：garrygong1983@126.com