基于WLAN的動(dòng)態(tài)監(jiān)控及應(yīng)急處理機(jī)器人

趙方昕 沈陽(yáng)理工大學(xué)

基于WLAN的動(dòng)態(tài)監(jiān)控及應(yīng)急處理機(jī)器人

趙方昕 沈陽(yáng)理工大學(xué)

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，WLAN技術(shù)在動(dòng)態(tài)監(jiān)控和應(yīng)急處理方面也得到廣泛應(yīng)用。本文將對(duì)基于WLAN的動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析，包括系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)和定位原理。在此基礎(chǔ)上，探討基于WLAN的應(yīng)急處理機(jī)器人設(shè)計(jì)，包括機(jī)器人性能需求分析、總體設(shè)計(jì)方案、機(jī)器人懸架設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等。

WLAN無線通信技術(shù) 動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) 應(yīng)急處理及其人

前言：近年來，地震、火災(zāi)、海嘯等事件頻發(fā)，造成了大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。在災(zāi)害救援過程中，由于災(zāi)難事故發(fā)生突然，救援難度較高，難以對(duì)事態(tài)發(fā)展進(jìn)行有效控制，而且救援工作也具有較高的危險(xiǎn)性。在此情況下，基于WLAN的動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)以及應(yīng)急處理機(jī)器人在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和救援工作中發(fā)揮出重要作用，可以提高救援效率以及救援安全性。

1 基于WLAN的動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)

1.1 基于WLAN的動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)組成

WLAN技術(shù)采用IEEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，能夠在部分熱點(diǎn)區(qū)域提供無線聯(lián)網(wǎng)功能。系統(tǒng)主要由無線網(wǎng)卡、無線接入設(shè)備、接入控制設(shè)備、和計(jì)算機(jī)設(shè)備等部分組成。WLAN的端口訪問方式支持兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別是P2P模式和無線AP覆蓋模式。其中，P2P模式不需要使用無線中間設(shè)備，是一種對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以將具有無線網(wǎng)卡的多個(gè)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，只有其中一個(gè)設(shè)備連接Internet，就可以實(shí)現(xiàn)寬帶共享。無線AP覆蓋模式是一種基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由無線AP承擔(dān)聯(lián)網(wǎng)和無線通信管理工作，允許不同AP之間的漫游，與傳統(tǒng)局域網(wǎng)原理相似，但覆蓋范圍更廣，通信質(zhì)量更強(qiáng)?；赪LAN技術(shù)構(gòu)建動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線通信和監(jiān)控畫面?zhèn)鬏?，并以WLAN定位原理為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 基于WLAN的定位原理

WLAN定位算法有多種實(shí)現(xiàn)方式，根據(jù)定位原理進(jìn)行劃分，可以分為場(chǎng)景分析方法和基于距離的定位方法。其中，基于距離的定位方法包括到達(dá)時(shí)間算法、時(shí)間差算法、達(dá)到角算法和RSSI傳輸模型算法等。其具體差別在于：（1）到達(dá)時(shí)間算法利用無線信號(hào)在統(tǒng)一介質(zhì)中傳播速度不變的原理，通過測(cè)定基站與移動(dòng)端的信號(hào)時(shí)間差，與傳播速度相乘，可以算出信號(hào)傳播距離，進(jìn)而確定位置坐標(biāo)。但在實(shí)踐差測(cè)算上難以確保基站與移動(dòng)端的精確同步，容易出現(xiàn)誤差；（2）時(shí)間差法在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，利用信號(hào)與兩個(gè)基站的到達(dá)時(shí)間差來測(cè)定移動(dòng)端位置，可以解決時(shí)間差計(jì)算精度的問題；（3）前兩種算法均屬于三角形測(cè)量法，還有一種基于圓形測(cè)量方法，以三個(gè)無線AP為圓心，如果三個(gè)圓存在位移交點(diǎn)，則該點(diǎn)為測(cè)定點(diǎn)，如果三個(gè)圓兩兩相交，出現(xiàn)三個(gè)交點(diǎn)，則結(jié)合其他信息進(jìn)行推測(cè)。

3 基于WLAN的應(yīng)急處理機(jī)器人設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)急處理機(jī)器人的性能需求

在應(yīng)急處理及其人的設(shè)計(jì)過程中，首先要確定機(jī)器人的機(jī)械性能指標(biāo)。機(jī)器人性能指標(biāo)由工作平臺(tái)環(huán)境決定，同時(shí)也影響著機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。用于災(zāi)難救援的應(yīng)激處理機(jī)器人要在較為惡劣的環(huán)境下工作，比如穿越井下坑道等，因此機(jī)器人必須具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，能夠穿越障礙，在各種環(huán)境的地面移動(dòng)。在本次設(shè)計(jì)中，要求應(yīng)急處理機(jī)器人的持續(xù)時(shí)間要達(dá)到2h以上，續(xù)航能力大于2km，最高運(yùn)行速度可以達(dá)到1.5km/h，最大爬坡角度為25°。能夠跨越的臺(tái)階高度大于150mm，能快過300mm以內(nèi)的溝道。工作環(huán)境溫度為-10℃～60℃之間。

4 基于WLAN的應(yīng)急處理機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

應(yīng)急處理機(jī)器人采用輪式行動(dòng)模式，主要由車體、懸架和輪系部分組成。其中懸架包含三個(gè)搖臂，前搖臂位于車體前側(cè)，采取橫向設(shè)計(jì)方式，左右搖臂分別位于車體兩側(cè)，關(guān)于車體對(duì)稱。在應(yīng)急處理機(jī)器人穿越障礙時(shí)，搖臂可以幫助其降低重心變化幅度。應(yīng)急處理機(jī)器人采用輪系獨(dú)立讀懂方式，內(nèi)部安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)，能夠滿足機(jī)器人平臺(tái)動(dòng)力和傳動(dòng)需求。應(yīng)急處理機(jī)器人的控制系統(tǒng)由嵌入式核心控制器、底層微控制器組成，具體包括嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、語音接口、揚(yáng)聲器、USB接口、無線網(wǎng)卡、微控制器、USB供電裝置、通用IO接口、A/D轉(zhuǎn)換器和定時(shí)器等?；赪LAN技術(shù)進(jìn)行通信傳輸和動(dòng)態(tài)定位，能夠確保數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)募皶r(shí)性和機(jī)器人控制的靈敏性。

5 應(yīng)急機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)急機(jī)器人的軟件系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，由客戶端和服務(wù)器兩部分組成，具有可視化操作功能和顯示功能，能夠與服務(wù)器進(jìn)行連接，接受指令，傳遞反饋數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)部分：（1）人機(jī)交互界面，主要用于向機(jī)器人平臺(tái)核心控制器傳送控制平陵，并將傳感器采集到的數(shù)據(jù)和圖像呈現(xiàn)給操作人員，交互界面應(yīng)以簡(jiǎn)潔、操作方便為設(shè)計(jì)原則，便于操作處理；（2）通信模塊，采用WLAN無線通信技術(shù)和Socket接口，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)傳輸；（3）決策系統(tǒng)，具體包括任務(wù)處理模塊、命令協(xié)議與串口通信模塊等，用于對(duì)操作命令進(jìn)行分解和執(zhí)行，控制應(yīng)急處理機(jī)器人進(jìn)行執(zhí)行、轉(zhuǎn)彎、原地轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。此外，還能控制視頻采集，包括攝像頭的開關(guān)和照明開關(guān)等。

6 結(jié)束語

綜上所述，WLAN動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)以及應(yīng)急處理機(jī)器人在災(zāi)難救援等方面的應(yīng)用，可以取代人工進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域的數(shù)據(jù)采集等工作。以WLAN無線通信技術(shù)和定位技術(shù)為基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急處理機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，并將采集到的數(shù)據(jù)圖像返回給操作人員，為災(zāi)難救援提供依據(jù)。此外，應(yīng)急處理機(jī)器人還具有良好的機(jī)械性能，能夠應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜工況的運(yùn)行需求，是一種先進(jìn)的應(yīng)急處理工具。

[1]張秀華. 基于WLAN/RFID信息融合的移動(dòng)機(jī)器人自主定位算法研究[D].哈爾濱理工大學(xué),2013.

[2]陳淼. 基于信號(hào)強(qiáng)度的WLAN室內(nèi)定位跟蹤系統(tǒng)研究[D].武漢大學(xué),2012.