基于Make Block的全地形生命探測機器人驗證模型設計

劉涵茜

摘? ?要：近幾年自然災害、恐怖活動和化工等突發(fā)性事件時有發(fā)生，它們都具有突發(fā)性、緊迫性和危害性。在地震、礦難和化工事故等事件發(fā)生時在第一時間掌握環(huán)境信息，對于營救被困人員具有重要意義。然而在災害發(fā)生后現(xiàn)場變得十分復雜，救援人員對災害現(xiàn)場無法做出全面的勘察。本設計利用Make Block 搭建了全地形生命探測機器人驗證模型，該模型通過太陽能板和蓄電池進行供電，由紅外線遙控器控制機器人的運動方向和速度，利用機器人前方攝像頭和人體紅外傳感器幫助救援人員進行實時監(jiān)控和探測周圍是否存在生命體，機器人后方的超聲波傳感器幫助機器人躲避后方未知障礙。另外操作者可通過視頻模塊連接到電腦或手機終端來對機器人進行實時的監(jiān)控。

關鍵詞：Make Block? 全地形生命探測機器人? 驗證模型

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（a）-0077-06

1? 概述

從近幾年來頻繁發(fā)生的自然災害和工廠設施發(fā)生的意外事故調查來看，災后現(xiàn)場通常十分復雜，營救人員對災害現(xiàn)場無法做出全面的勘察，容易使被困群眾錯過“黃金救援時間”，并且救援現(xiàn)場可能還會出現(xiàn)二次傷害。面對這種情況，本文設計了一款由Make Block 搭建的全地形生命探測機器人驗證模型。該模型能在復雜環(huán)境中能靈活移，通過履帶式結構能輕松跨越障礙;機器人前端配備了人體紅外傳感器和二氧化碳氣體傳感器對生命體進行檢測;該機器人模型還裝有無線攝像頭且支持遠距離監(jiān)控，可以幫助營救人員在安全區(qū)域了解災害現(xiàn)場的實際情況;機器人后端安裝了超聲波模塊，可以有效躲避障礙物;此外考慮到災害現(xiàn)場的惡劣環(huán)境無法提供充電，該機器人還搭載了一塊太陽能電池板進行供電和儲備電源。

2? 系統(tǒng)方案設計

該機器人驗證模型系統(tǒng)主要由Make Block主控板、太陽能板、蓄電池、無線攝像頭、紅外接收器、超聲波傳感器、人體紅外傳感器和電機組成，如圖2所示。

首先由太陽能電池板將光子收集，由光子將太陽能電池板內的P型硅與N型硅將電子激發(fā)出來，再通過電路將電子輸入進太陽能控制器，太陽能控制器即可以將電流輸入進蓄電池為機器人存儲足夠的電能，也可以防止電流回流保護電路。當開關打開，電路線路接通，主控板可控制紅外接收器、超聲波傳感器、人體紅外傳感器和無線攝像頭。操控人員通過遙控器向紅外接收器發(fā)送信號，接收器將信號傳遞到主控板，再由主控板控制電機的正轉與反轉。此外，當機器人后方的超聲波傳感器檢測到障礙物時，發(fā)出信號至主控板，主控板控制電機將轉速降至為零使機器人停止運動;而當人體紅外傳感器、二氧化碳傳感器探測到有生命體也將發(fā)出信號至主控板，主控板立即發(fā)出報警信息。同時操作人員也可通過無線攝像頭視頻模塊連接至手機或電腦終端勘探周圍受災環(huán)境。

3? 系統(tǒng)硬件設計

3.1 Make Block Orion主控板

本設計選用的是Make Block Orion的主控板，其技術規(guī)格為輸出電壓5V DC，工作電壓6V-12V DC，最大輸入電流為3A，通訊模式為UART口，主控芯片為Atmega 328p：主控板3、6接口接超聲波感應器，4接口接紅外接受模塊。VIN、GND接口分別接電池的正負極兩端。M1、M2分別接電機兩段。主要控制機器人的運動模塊，實現(xiàn)機器人的運動、停止和加速，如圖3所示。

3.2 太陽能控制器及太陽能板

本設計采用的太陽能控制器系統(tǒng)電壓為12V，額定充電和放電電流為30A。在機器人線路連接中太陽能控制器以保護電路的形式將太陽能電池板、蓄電池和主控板通過電線連接的形式連接。其中太陽能控制器在機器人的總控制系統(tǒng)中起到保護電路的作用，即當電路中蓄電池電壓高于或低于電路的保護電壓時，控制器將自動關閉以保護蓄電池和其他用電器不受損壞，同時也防止蓄電池不會反向對太陽能電池板進行充電，對太陽能電池板造成損壞;在無線遙控偵探報警機器人長時間運行時對蓄電池的溫度進行監(jiān)控，對蓄電池的充放電壓進行修正，使蓄電池在安全、理想的狀態(tài)下工作運行。

太陽能電池板能輸出的最大電壓為12V，最大功率為1.5W，工作原理是將太陽的輻射能轉化為電能，再通過導線將電能存儲進蓄電池中，或在蓄電池欠壓狀態(tài)時直接帶動機器人進行運動，如圖4所示。

3.3 二氧化碳傳感器

由于考慮到受困者被困于狹窄的空間內，空氣較為渾濁，結合在氣體渾濁狀態(tài)下，二氧化碳的濃度測量值為2000～5000ppm，而人體在呼吸順暢的狀態(tài)下，二氧化碳的濃度值為1000～2000ppm。所以結合兩組數(shù)據設置二氧化碳氣體傳感器濃度檢測范圍為1500～5000ppm。

3.4 超聲波傳感器

超聲波傳感器利用的是縱向震蕩，其工作原理是根據氣體、液體和固體之間不同介質中傳播頻率和反射時間對信號進行反饋，該類型超聲波傳感器的檢測距離為5cm，使機器人在檢測到后方障礙物時能及時停止運動以保護機器人的安全運行。

3.5 人體紅外傳感器

在此模塊上有電位器，可以通過其來調節(jié)靈敏度。同時可以通過控制Mode引腳的電平來選擇工作模式，當Mode引腳為高電平時，允許重復觸發(fā)，即時感應。當Mode引腳為低電平時，為不可重復觸發(fā)模式，當有人在量程內移動時，模塊被觸發(fā)并保持一段時間，期間有無人在量程內移動，狀態(tài)都不會被干擾。

3.6 無線攝像頭

該無線攝像頭可通過藍牙與手機獲電腦相連接，方便現(xiàn)場營救人員在遠程環(huán)境下進行探測及監(jiān)視。

3.7 紅外線模塊接收模塊與遙控器

最大接收距離為10m，默認波特率為9600，在本項目中的作用是控制機器人的基本運動，使機器人進行基本的前進倒退的動作和原地旋轉。

4? 系統(tǒng)軟件部分設計

4.1 控制流程圖

當操作者按下遙控器的前進按鈕時，無線遙控偵探報警機器人的紅外接收模塊接受到前進信號后，機器人將高速前進;同理，當操作者按下后退按鈕時，機器人將高速后退。當操作者按下遙控器中的左轉按鈕時，機器人左側電機轉速保持不變、右側電機將增大轉速，使機器人做出左轉動作;而當操作者按下右轉按鈕時，機器人右側電機轉速保持不變，左側電機將增大轉速，使機器人做出右轉動作。當機器人倒退時，超聲波傳感器探測到后方5cm處有障礙物時，機器人將自動停止運行以保護機器人的安全運行。當機器人前方設置的人體紅外探測模塊探測到前方有生命體時，機器人主控板向操作者發(fā)出報警信號，等待操作者進行下一步指令動作。其系統(tǒng)動作流程圖如圖10所示。

4.2 系統(tǒng)程序設計

4.2.1 變速模塊程序設計

圖11為變速模塊程序設計，實現(xiàn)控制電機的加速與減速控制。開始時設置機器人的速度變量speed為150，若當機器人當前速度小于255時，操作人員按下遙控器編碼為68的前進加速鍵機器人速度變量speed的值將逐漸增加10。當機器人當前速度大于100時，操作人員按下遙控器編碼為67的后退加速鍵機器人速度變量speed的值將逐漸減少10（注：作為機器人的安全保護，若機器人的當前速度低于150時，則電機將無法擁有足夠的動力驅動偵探機器人進行運動）。

4.2.2 超聲波控制模塊程序設計

圖12為超聲波模塊程序設計，其超聲波傳感器連接至機器人主控板6號信號口，當偵探機器人后方遇到障礙物時，機器人車體電機速度變?yōu)榱悖瑱C器人立即停止，當操作人員再按下遙控器編碼為64的前進鍵時，偵探機器人將繼續(xù)前進。

4.2.3 運動模塊程序設計

圖13為運動控制模塊，當操作人員按下遙控器編碼為69的開始/結束鍵時，機器人中的主控板進入待機或關機模式。按下遙控器編碼為64的前進鍵，機器人車體兩側電機按初設定轉速值正轉使機器人向前運動，同理按下遙控器編碼為25的后退鍵，機器人車體兩側電機按原設定轉速值開始反轉使機器人向后倒退。當按下遙控器編碼為7的左轉按鈕時，機器人車體中左側電機轉速保持不變，右側電機轉速將增加100使機器人向左運動，同理當按下遙控器編碼為9的右轉按鈕時，機器人車體中右側電機轉速保持不變，左側電機轉速將增加100使機器人向右運動。按下編碼為21的自轉按鍵時，機器人車體左側電機保持正轉轉速、右側電機將按原轉速開始倒轉使機器人做原地旋轉動作。按下編碼為12的左后轉按鍵時，機器人車體中左側電機將在原轉速基礎上開始倒轉、右側電機在原轉速上增加100開始倒轉，使機器人實現(xiàn)左后倒轉的運動;反之按下編碼為24的右后轉按鍵時，機器人車體中右側電機將在原轉速基礎上開始倒轉、左側電機在原轉速上增加100開始倒轉，使機器人實現(xiàn)右后倒轉的運動。

4.2.4 人體紅外探測模塊程序

圖14為偵探機器人人體紅外探測模塊程程序，其人體紅外傳感器連接至機器人主控板3號信號口，當機器人前方探測出有受困者時，傳感器將信息傳送至主控板，主控板接收后再將信息發(fā)送至遠程操控人員的控制終端。

5? 結語

通過運行測試證明，該生命探測機器人驗證模型結構靈活，可通過遠程控制機器人驗證模型進行多方向的運動，利用多種傳感器對事故現(xiàn)場的生命體進行探測，利用無線攝像頭獲得事故現(xiàn)場的環(huán)境情況并實時傳輸?shù)绞謾C或電腦屏幕，有利于營救人員直觀、準確的做出判斷。

參考文獻

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