智能水面搜救機器人設(shè)計方案研究

熊天健　肖珍

摘要：智能水面搜救機器人堅持以人為本的設(shè)計理念，采用人工手動控制和智能自動化控制為一體的控制方式，通過機器人底座皮劃艇上配備的三軸陀螺儀、三軸加速度計、全向壓力傳感器、電子羅盤傳感器、碰撞傳感器、回充傳感器等的驅(qū)動裝置正常、快速運行，利用機體內(nèi)的人體紅外感應(yīng)器、LDS 激光測距傳感器、超聲波傳感器和圖像成影防水?dāng)z像及視頻裝置進行搜索并定位被搜救對象，借助可伸縮承重機器人長臂、360度旋轉(zhuǎn)腰部的伸縮調(diào)控以及具有輕柔微調(diào)性能的機器力量托抱起被救對象，采用光電編碼器、電動船控制器、釣魚船速度控制器等配合實現(xiàn)水面靈活回轉(zhuǎn)快速靠站功能，第一時間把被搜救對象托放至水上救援艇上，實現(xiàn)省時、省力、精準(zhǔn)、安全的水面救援。

關(guān)鍵詞：水面搜救;智能;人體紅外感應(yīng);全向壓力傳感;光電編碼器

中圖分類號：TB文獻標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.15.094

1方案概述

本方案產(chǎn)品堅持以人為本的設(shè)計理念，采用人工手動控制和全智能機器人自動化為一體的合二為一的控制方式，通過機器人底座皮劃艇的驅(qū)動裝置快速運行于水面，利用機體內(nèi)的紅外線裝置和圖像成影或防水?dāng)z像頭視頻裝置進行搜索并定位被搜救對象，使用機械臂靈活的伸縮調(diào)控性能和強大的又具有溫柔微調(diào)性能的機器力量托抱起被救對象，再加上水面靈活回轉(zhuǎn)快速靠站功能，快速高效安全第一時間把被搜救對象托放至水上救援艇上，實現(xiàn)省時、省力、精準(zhǔn)、安全的水面救援。

水面搜救機器人主要有兩部分構(gòu)成：智能驅(qū)動皮劃艇底座和長手臂智能機器人。皮艇底座采用環(huán)保PVC材料，使用熱熔壓合技術(shù)工藝，保障船體不開膠、不脫膠、壽命長、耐用。配置船繩或牽引繩1條。機器人底座采用電動推進器，采用人工手動控制和智能自動化控制兩種受控方式為一體的控制方式。

智能控制程序在“中學(xué)生機器人投籃大賽”中機器人控制程序的基礎(chǔ)上進行修改，設(shè)計出能識別人體、追蹤人體、抱住人的身體并把被救者準(zhǔn)確放入救生艇內(nèi)的一系列程序控制的智能搜救機器人程序，從而實現(xiàn)水面搜救機器人的全智能自動控制模式和人工手動控制模式。

一次搜救過程，可以只出動一個水面搜救機器人，也可以出動一個機器人裝備隊，如圖1。

2總體設(shè)計原理

2.1智能水面搜救機器人的機械結(jié)構(gòu)

智能水面搜救機器人主要由機體機構(gòu)、控制機構(gòu)、運行機構(gòu)、救援機構(gòu)組成。機體機構(gòu)由長手臂智能機器人主體和智能驅(qū)動皮劃艇底座組成?？刂茩C構(gòu)主要為聲音傳感器、主控電路板、伺服電機和中央處理主板等。運行機構(gòu)主要為智能方向速度控制主板、運行電機和螺旋槳推進器。救援機構(gòu)主要為可伸縮承重機器人長臂、360度旋轉(zhuǎn)支架機器人腰、人體紅外感應(yīng)機器人鼻子、長焦攝像頭機器人眼和目標(biāo)定位機器人頭等。

智能水面搜救機器人的機構(gòu)如圖2。

2.2智能水面搜救機器人的追蹤搜救控制程序（以“蘿卜太辣”機器人控制程序設(shè)計為例）

*****************************************************/

#include "ROBOTERRA.h"

/*--------------------- STEP 1 ---------------------*/

/************電子元器件的定義*****************/

RoboTerraRoboCore tom;

RoboTerraRedLight find;//紅外掃描（根據(jù)具體紅外掃描儀產(chǎn)品的參數(shù)再定）

RoboTerraServo catch1;

RoboTerraServo catch2;

/*--------------------- STEP 2 ---------------------*/

void attachRoboTerraElectronics（） {

/*************電子元器件的連接**************/

tom.attach（find，DIO_3）;

tom.attach（catch1，DIO_1）;

tom.attach（catch2，DIO_2）;

}

/*--------------------- STEP 3 ---------------------*/

if （EVENT.isType（ROBOCORE_LAUNCH）） { //激活

find.activate（）;

catch1.activate（180）;

catch2.activate（180）;

}

void catch（）{//抓住

catch1.rotate（60，5）;

catch2.rotate（60，5）;

}

void free（）{//放下

catch1.rotate（180，5）;

}

if（EVENT.isType（RedLight_ture））{

//測距（根據(jù)具體測距產(chǎn)品的參數(shù)再定）

tom.time（0.5）;

catch（）;

//返航（根據(jù)測距算出的具體位置）

tom.time（0.5）;

free（）;

}

2.3智能水面搜救機器人的工作機制

2.3.1支持機器人工作的核心部件

（1）配備三軸陀螺儀和三軸加速度計。

在機身上配備三軸陀螺儀和三軸加速度計。三軸陀螺儀可以檢測在 yaw / pitch / roll 方向的角度變化，從而判斷機器朝向，而三軸加速度計則可以判斷掃地機器人在 X / Y / Z 三個軸的加速度，用來判定機器是否傾斜或有無突然的碰撞等狀況。

（2）配備全向壓力傳感器。

機體船身的前、后、左、右、左前、右前、左后、右后共八個地方，以及機器人頭頂上蓋、船底螺旋槳周圍低于螺旋槳部位，各配備一個全向壓力傳感器，實行360度全方位靈敏感應(yīng)輕微碰撞，防止機器人被水面或水中物體卡住。

（3）配備電子羅盤傳感器。

通過電子羅盤傳感器的磁場感應(yīng)，準(zhǔn)確識別虛擬墻。當(dāng)遇到虛擬墻時，會主動避開，不擅自進入被虛擬墻隔離的區(qū)域。在非施救區(qū)域、無工作環(huán)境區(qū)域或其它危險區(qū)域，使用虛擬墻進行隔離，保障搜救工作順利完成。

（4）碰撞傳感器。

在智能驅(qū)動皮劃艇底座距離水面上下各20cm處安裝一圈碰撞板，在碰撞板前后左右四個方向各裝有一個光電開關(guān)。光電開關(guān)由一對紅外發(fā)射對管組成，發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光線通過搜救機器人智能驅(qū)動皮劃艇底座特制的小孔被光敏二極管接受，當(dāng)機身碰撞板受到碰撞時，碰撞板就會擋住皮劃艇底座特制小孔，阻礙紅外線的接受從而向控制系統(tǒng)傳達信息。此結(jié)構(gòu)可避免測量盲區(qū)帶來的誤差，以保證搜救機器人和附近物品的安全。

（5）配備回充傳感器。

有了回充傳感器，控制器會向紅外線發(fā)射器發(fā)送信號，紅外線發(fā)射器向四周發(fā)射紅外線。充電基座安裝有紅外線傳感器，感受到來搜救機器人發(fā)射來的紅外線后，會向搜救機器人發(fā)射紅外線。搜救機器人內(nèi)部的紅外線傳感器接收到后會向控制器發(fā)送信號，控制器就會控制搜救機器人按照接收到紅外線的方向找到充電基座，并在備用電量啟動之時自動返回進行充電，以保證搜救工作繼續(xù)，直到全部完成。

（6）配備手動遙控裝置。

本搜救機器人同時配備船模遙控器、機器人遙控器、監(jiān)控視頻遙控器等操控設(shè)備，可以實現(xiàn)人工手動操作。在必要的時候，通過視頻傳輸，遠(yuǎn)程同步，采用人工手動遙控操作，以確保達到營救安全系數(shù)最大化。

2.3.2水面搜救定位

（1）配備人體紅外感應(yīng)器。

在機身上配備被動紅外探測器，當(dāng)被搜救人體進入搜救感應(yīng)區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異信號，專用傳感器探測到人體紅外光譜的變化，開關(guān)自動接通負(fù)載，啟動驅(qū)動設(shè)備靠近人體實施營救。當(dāng)人體離開搜救感應(yīng)區(qū)，開關(guān)及時自動關(guān)閉并啟動“目標(biāo)消失”報警。

（2）配備LDS 激光測距傳感器。

在機身上配備LDS 激光測距傳感器，獲取距離信息。當(dāng)激光投射到人體特征的物品上時，會在傳感器里形成光斑。同時，圖像傳感器會根據(jù)光斑的像素序號來計算到激光測距傳感器的中心距離。

（3）配備超聲波傳感器。

在機身上同時配備超聲波傳感器，傳感器由負(fù)責(zé)發(fā)射超聲和負(fù)責(zé)接收超聲兩部分組成，聲波在水中傳播的速度是1500m/s，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差可以計算并得到與被救物之間的距離，并根據(jù)直線距離和水域情況制定搜救路線。根據(jù)發(fā)射和接收的時間差還可以計算并得到與障礙物之間的距離，從而避免碰撞，透明物體也能正確感應(yīng)提前減速并采取繞道或清理措施。

2.3.3操控模式

（1）自動模式工作狀態(tài)。

當(dāng)開關(guān)啟動，工作模式激活，人體紅外感應(yīng)機器人鼻子、長焦攝像頭機器人眼和目標(biāo)定位機器人頭進入工作狀態(tài)，搜救系統(tǒng)篩選出目標(biāo)信號，判斷出救人方位，運動系統(tǒng)開始驅(qū)動運行，在運行過程中規(guī)劃路線，并根據(jù)實際情況需要隨時修改重新規(guī)劃路線。

距被救人員9米時，360度旋轉(zhuǎn)支架機器人腰進入工作狀態(tài)，隨即，可伸縮承重機器人長臂開始根據(jù)實際情況判斷并調(diào)節(jié)作業(yè)長度。

待運行系統(tǒng)找到最佳營救位置的時候，360度旋轉(zhuǎn)支架機器人腰旋轉(zhuǎn)到正面朝施救方向，可伸縮承重機器人長臂往水中伸長，把機器手掌至于被救人身下，平托舉被救人出水面，然后360度旋轉(zhuǎn)支架機器人腰旋轉(zhuǎn)180度，把被救人投放在搜救機器人身后跟著的皮劃艇上。

若有第二個，第三個……被營救目標(biāo)，重復(fù)上面的工作。期間若電量消耗過大，啟用了備用電池，則中斷營救工作，尋找回充傳感器，返回充電，并通知其它機器人隊員接替工作。若施救工作完成，則勝利返航。

（2）手動模式工作狀態(tài)。

啟用手動模式，可由工作人員使用遙控器操作控制系統(tǒng)，激活工作模式，使人體紅外感應(yīng)機器人鼻子、長焦攝像頭機器人眼和目標(biāo)定位機器人頭進入工作狀態(tài)，使搜救系統(tǒng)篩選出目標(biāo)信號，判斷出救人方位。

或者遙控調(diào)節(jié)監(jiān)控器，從視頻搜索判斷被救人方向和具體方位。然后手動遙控船模遙控系統(tǒng)驅(qū)動水面搜救機器人前行。

到達營救位置后，通過遙控機器人驅(qū)動360度旋轉(zhuǎn)支架機器人腰旋轉(zhuǎn)到正面朝施救方向，驅(qū)動伸縮承重機器人長臂往水中伸長，從視頻中判斷被救人的方位和狀況，驅(qū)動機器手掌至于被救人身下，平托舉被救人到空中，驅(qū)動360度旋轉(zhuǎn)支架機器人腰旋轉(zhuǎn)180度，把被救人投放在搜救機器人身后跟著的皮劃艇上。

施救工作完成，手動遙控船模遙控系統(tǒng)驅(qū)動水面搜救機器人勝利返航。遙控工作人員可以在岸邊遙控，也可以在皮劃艇上、機器人旁遙控操作搜救、施救過程。

（3）自動模式和手動模式的切換。

自動模式和手動模式的切換，由遙控器上的切換按鈕來完成。默認(rèn)模式為自動模式，當(dāng)按下手動模式的按鈕后，自動模式停止運行，手動模式開始運行;當(dāng)按下自動模式的按鈕后，手動模式停止運行，自動模式開始運行。

當(dāng)水面搜救機器人處在充電狀態(tài)時，手動模式、自動模式都停止運行。

智能水面搜救機器人運行流程圖，如圖3所示。

3結(jié)語

本智能水面搜救機器人體積不大，靈活多用，可隨意單用或組合用，適應(yīng)于各種水域，比如海面、河面、湖面、水庫、小溪、水池、大型游泳館等，甚至適合極其惡劣環(huán)境中使用，如臺風(fēng)、海嘯等的水域，以及洪澇、水澇災(zāi)害發(fā)生地，高溫、低溫水域，有毒物質(zhì)滲入水域，有潛在危險的水域等等。

本智能水面搜救機器人智能化強，可自我定位，及時實施搜救;可調(diào)節(jié)救援速度，應(yīng)對復(fù)雜水域;可自行充電，確保全面完成施救;可自動操控和手動操控自由切換，便于隨時更有效地保證救援效果;可自帶救生艇和救援醫(yī)療設(shè)備，以及操控工作人員、醫(yī)護救治人員，為更有效地實施搜救，進行施救，完成護救提供了條件。

相信，這樣一款智能水面搜救機器人的研發(fā)，會為人類帶來福音，會為人類在自然災(zāi)害面前減少損失提供很大的幫助。

本機器人的不足之處是還沒有實現(xiàn)工作狀態(tài)中對皮劃艇底座的緊急搶修，一旦在施救過程出現(xiàn)底座損壞泄露影響機械操作情況，只能中斷救援工作返航維修。所以，每次救援最好準(zhǔn)備多臺機器人，以便緊急替換。

參考文獻

[1]劉思.未來機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探討[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2017，（13）.