CN103399577B - 一种远程操作救援机器人的探测感知系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种远程操作救援机器人的探测感知系统，包括监控计算机、车载计算机、底层控制电路单元、图像采集与传输单元、激光测距雷达单元、惯性姿态参照系统单元和探测传感器单元，底层控制电路单元包括主控单元模块、云台摄像头驱动模块、电源模块和底层电路主板，图像采集与传输单元包括云台摄像头和视频传输模块，探测传感器单元包括温度传感器、声音传感器、气体传感器等，车载计算机与主控单元模块通过USB数据接口连接，主控单元模块与云台摄像头驱动电路模块通过插针式接口设计安装于底层控制电路主板上。本发明具有良好的通用性，较强的可移植性，可以作为救援机器人以及家庭服务机器人等多种不同类型的机器人的探测感知系统。

Description

一种远程操作救援机器人的探测感知系统

技术领域

本发明涉及的是一种机器人，具体地说是机器人的探测感知系统。

背景技术

全世界每年都会发生大量的自然灾害和人为灾害，如：火灾、地震、战争以及矿难，巨大的灾害会造成大面积的建筑物坍塌和人员伤亡，搜救那些困在废墟中的幸存者就成为了灾害发生之后最紧急的事情。研究表明，如果这些幸存者48小时之内能够得到有效的救助，那么死亡的可能性就会大大降低。然而，复杂危险的灾害现场给救援人员及幸存者的人身安全带来了巨大的威胁，也会阻碍救援工作快速有效地进行。使用救援机器人进行辅助搜救是解决这一难题的有效手段。

由于灾害地形复杂，救援人员不能及时进入坍塌建筑物中，这就需要救援机器人深入灾害现场及时发现幸存人员，并让让救援人员尽快了解现场信息，组织营救。所以尽快发现并有效识别幸存者，并将准确的灾难现场信息和地形图及时发送到救援人员操控端，是营救幸存者的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供通过无线网络将救援机器人周围的环境信息等信息发回到操控端监控计算机的一种远程操作救援机器人的探测感知系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种远程操作救援机器人的探测感知系统，其特征是：包括监控计算机、车载计算机、底层控制电路单元，监控计算机通过有线网络连接无线路由器，车载计算机安装有无线网卡，无线网卡通过无线网络与无线路由器相连，车载计算机、底层控制电路单元均安装在机器人本体上，机器人本体上还固定有电控转台支架，电控转台支架上安装第一舵机、第一舵机转架、第二舵机、第二舵机转架，第一舵机的输出端与第一舵机转架相连，第二舵机的输出端与第二舵机转架相连，第一舵机安装在第二舵机转架上，第二舵机安装在电控转台支架上，第一舵机转架上固定有安装平台，安装平台上固定惯性姿态参照系统单元和激光测距雷达单元，惯性姿态参照系统单元和激光测距雷达单元均连接车载计算机，底层控制电路单元包括底层电路主板以及安装在底层电路主板上的主控单元模块、云台摄像头驱动电路模块、电源模块，主控单元模块分别连接车载计算机、云台摄像头驱动电路模块、第一舵机、第二舵机，云台摄像头驱动电路模块连接云台摄像头，云台摄像头通过视频传输模块将采集的图像数据信息通过无线路由器建立的无线网络发送到监控计算机，惯性姿态参照系统检测机器人的姿态，将姿态数据传输给车载计算机，车载计算机将机器人的姿态及角度变化速率传给主控单元模块，主控单元模块然后控制第一舵机、第二舵机运动使安装平台与地面保持所需角度。

本发明还可以包括：

1、机器人本体上安装有温度传感器、声音传感器、气体传感器，温度传感器、声音传感器、气体传感器分别将各自测得的信息传送给车载计算机。

本发明的优势在于：

1.本探测感知系统具有良好的通用性，较强的可移植性等特点，可以作为救援机器人以及家庭服务机器人等多种不同类型的履带式机器人的探测感知系统解决方案。

2.可根据实际需要搭载各种信息传感器设备，可以迅速及时有效地发现目标，准确描绘出目标所在环境信息及所在位置。

3.本发明的通讯控制系统可以实现操控端人员与机器人的实时通讯，及时了解灾害救援现场信息。

附图说明

图1为本发明的方案框架图；

图2为本发明的底层控制电路主板框架示意图；

图3a为本发明的二自由度电控转台主视图，图3b为本发明的二自由度电控转台左视图；

图4为本发明二自由度电控转台控制系统框架示意图；

图5为本发明实施的场景示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，为了及时有效地发现幸存者，并将幸存者所处现场环境信息快速地发送到监控计算机1一端，让营救人员迅速准确地了解到幸存者的位置及所处环境的详细信息，本发明设计完成了一种救援机器人的探测感知系统，本发明采用主从式计算机控制设计，监控端计算机1为主计算机，车载端计算机4为从计算机。在本发明中，主计算机负责地图创建、人机交互等功能，从计算机主要负责传感器信息处理与发送、控制命令收发、底层控制命令解析生成等。主计算机与从计算机通过无线网络进行数据通讯。车载端主要包括：底层控制电路单元8111215、图像采集与传输单元910、激光测距雷达单元14、惯性姿态参照系统单元13、探测传感器单元22。底层控制电路单元主要包括：主控单元模块12、云台摄像头驱动模块11、电源模块8和底层电路主板15。图像采集与传输单元主要包括：视频传输模块9和云台摄像头10。探测传感器单元作为外部环境探测传感器，主要包括：温度传感器5、声音传感器6、气体传感器7等，传感器的种类和数量可根据实际使用情况进行扩展。激光测距雷达单元14作为救援机器人的外部空间探测传感器，对现场空间进行探测感知，并将所采集到的周围空间数据信息通过无线网络发送给操作端监控计算机1，由监控计算机1对救援机器人23周围空间进行环境建图。

车载计算机4负责接收各传感器所采集到的数据信息，并将接收到的数据信息通过无线网络发送给监控计算机1。为了避免由于信号数据过多而导致的传输延迟现象，故将云台摄像头10所采集的图像数据信息使用自身的视频传输模块9通过无线路由器2建立的无线网络发送到监控计算机1。云台摄像头10采集的图像数据信息不经过车载计算机4进行数据处理和传输，有利于监控计算机1对传感器信号的顺利接收，提高了传感器信息的可靠性和实时性。

激光测距雷达14在工作时需要与地面保持一定的水平角度，而救援机器人22在运行的过程中，无法保证自身姿态的稳定。为了保证激光测距雷达14的有效工作，将激光测距雷达单元14和惯性姿态参照系统单元13共同安装于一个二自由度电控转台的安装平台16上，二自由度电控转台安装在救援机器人23上部预留位置。二自由度电控转台使用两个舵机作为执行器件，惯性姿态参照系统单元13作为救援机器人23姿态的检测传感器，底层控制电路单元作为二自由度电控转台的控制核心。二自由度电控转台主要包括：惯性姿态参照系统单元13、安装平台16、舵机I17、舵机II20、舵机I转架18、舵机II转架19和电控转台支架21。舵机I17控制前后自由度，舵机II20控制左右自由度。当救援机器人23发生前后倾斜时，舵机I17负责进行前后自由度调整，使安装平台16保持与地面平行。当救援机器人23发生左右倾斜时，舵机II20负责进行左右自由度调整，使安装平台16继续保持水平状态。当救援机器人23前后、左右状态都发生变化时，舵机I17、舵机II20则同时进行调整，使安装平台16一直保持与地面水平状态，以保证激光测距雷达14的有效工作。

结合图1，对本探测感知系统方案进行总体说明。本发明是一种远程操作救援机器人的探测感知系统，通过无线网络将救援机器人23周围的环境信息以及是否存在幸存者等信息发回到操控端监控计算机，其特征在于：操控端监控计算机1、车载计算机4、底层控制电路单元、图像采集与传输单元、激光测距雷达单元14、惯性姿态参照系统单元13和探测传感器单元22。其中，底层控制电路单元主要包括：主控单元模块12、云台摄像头驱动模块11、电源模块8和底层电路主板15，图像采集与传输单元主要包括：云台摄像头10和视频传输模块9，探测传感器单元主要包括：温度传感器5、声音传感器6、气体传感器7等，传感器的种类和数量可根据实际使用情况进行扩展。其中，车载计算机4与主控单元模块12通过USB数据接口连接，主控单元模块12与云台摄像头驱动电路模块11通过插针式接口设计安装于底层控制电路主板15上，电源模块8与主控单元模块12连接并为主控单元模块12和云台摄像头驱动电路模块11等及其他芯片提供所需的电能。

操控端监控计算机1采用个人台式计算机，操作系统为windowsxp系统，无线路由器2采用TP-LINK740无线路由器，与监控计算机1通过有线网络相连，并建立无线网络。车载计算机4采用AcerAspireoneD270-26Ckk便携式笔记本，向下通过USB数据接口与底层控制电路单元的主控单元模块12相连，实现与底层控制电路单元的数据传输工作。向上用笔记本用自带的IEEE802.11g标准的无线网卡3通过无线网络与操控端无线路由器2相连，从而实现主计算机和从计算机的数据传输工作。探测传感器单元22安装于救援机器人23前端的预留位置，便于各传感器采集周围环境信息，温度传感器5、声音传感器6、气体传感器7分别通过USB数据接口与车载计算机4连接，激光测距雷达单元14安装于二自由度电控转台的安装平台16上，通过串口数据接口与车载计算机4连接，车载计算机4负责接收各传感器采集到的数据信息并将数据信息通过无线网络发送到监控计算机1，由监控计算机1将数据进行分析和处理。其中：激光测距雷达单元14采用HOKUYOURG-04LX型号的激光测距雷达，用于对救援机器人23周围空间环境进行建图。温度传感器5采用PT100温度传感器，用于检测救援机器人23周围环境的温度变化。声音传感器6采用普通动圈式麦克风，用于接收救援机器人23周围环境的声音信号，识别是否是求救声音，并与幸存人员建立语音通讯联系。气体传感器7采用MH-410红外二氧化碳气体传感器，用于检测救援机器人23周围环境中二氧化碳的浓度变化。云台摄像头10采用的是KaiCongsip1018型号云台摄像头，支持水平270度，上下120度范围转动，内置wifi模块，支持802.11b/g/n协议，与无线路由器2搭建的无线网络进行连接，通过无线网络将云台摄像头10拍摄到的图像数据传输给监控计算机1，由监控计算机1对图像数据信息进行处理，并将现场图像进行显示。

结合图2,对底层控制电路单元组成进行说明。底层控制电路单元主要包括：主控单元模块12、云台摄像头驱动电路模块11、电源模块8和底层电路主板15，各模块通过插针式设计安装于底层电路主板15上。主控单元模块12以飞思卡尔MC9S12XS128单片机为主控芯片，用于控制云台摄像头驱动电路模块11。云台摄像头驱动电路模块11是由MOSFETIRF3205芯片搭建的H桥电路、MC33883EG芯片作为驱动芯片共同组成的直流电机驱动电路，用于控制云台摄像头驱动电机的转向与转速。电源模块8为主控单元模块12和云台摄像头驱动电路模块11以及其他各芯片提供所需电能。

结合图3，对二自由度电控转台结构进行说明。二自由度电控转台主要包括：惯性姿态参照系统单元13、安装平台16、舵机I17、舵机II20、舵机I转架18、舵机II转架19、电控转台支架21。惯性姿态参照系统单元13采用XsensMTi型号的惯性姿态参照系统，通过串口数据接口与车载计算机4连接，并将惯性姿态参照系统单元13与激光测距雷达单元14共同固定安装于安装平台16上，保证惯性姿态参照系统单元13与激光测距雷达单元14姿态保持一致。安装平台16与舵机I转架18固连，电控转台支架21安装于救援机器人本体23的预留位置，与救援机器人本体23固定连接。舵机I17安装于舵机II转架19上，输出端与舵机I转架18连接，用于控制前后自由度调整。舵机II20安装于电控转台支架21上，输出端与舵机II转架19连接，用于控制左右自由度调整。当救援机器人23发生前后倾斜时，舵机I17负责进行前后自由度调整，使安装平台16保持与地面平行。当救援机器人23发生左右倾斜时，舵机II20负责进行左右自由度调整，使安装平台16继续保持水平状态。当救援机器人23前后、左右状态都发生变化时，舵机I17、舵机II20则同时进行调整，使安装平台16一直保持与地面水平状态，以保证激光测距雷达单元14的有效工作。

结合图4，对二自由度电控转台的控制系统进行说明。二自由度电控转台的控制系统是一个典型的闭环控制系统，MTi惯性姿态参照系统13检测一次机器人的姿态，将姿态数据通过串口传输给车载计算机4，车载计算机4通过解析通讯协议得到当前救援机器人23的姿态及姿态在X/Y轴的角度变化速率，再通过串口传给主控单元模块12，在主控单元模块12里执行PID控制器，然后控制舵机I17、舵机II20运动，驱动二自由度电控转台以保持水平。控制频率与MTi惯性姿态参照系统13的数据刷新频率相同，均为50Hz。

结合图5，对本探测感知系统的操作过程进行说明。将救援机器人23移动进入灾害救援现场，在救援机器人23行进过程中视频传输模块9将云台摄像头10拍摄的图像信息发送到监控计算机1，操控人员通过监控计算机1显示的现场图像了解救援机器人23的周围环境信息，并可以通过监控计算机1观察是否存在幸存人员。探测传感器单元22中的各个传感器同时配合工作，将采集到的救援机器人23周围的环境信息发送到车载计算机4，并经车载计算机4处理后将数据信息通过无线网络在发送给监控计算机1，最终由监控计算机1进行处理显示供救援人员及时查看。其中：温度传感器5负责检测救援机器人23周围的温度变化，当救援机器人周围环境出现高温或者等异常情况时，会在监控计算机1发出高温等异常警报。气体传感器7负责检测救援机器人23周围环境中二氧化碳的浓度变化，当救援机器人23周围出现二氧化碳浓度过高等异常情况时，会在监控计算机1发出二氧化碳浓度过高等异常警报。声音传感器6负责接收救援机器人23周围环境的声音信号，识别是否是求救声音，并与幸存人员建立语音通讯联系。激光测距雷达单元14同时工作，将救援机器人23经过的空间环境信息发送到监控计算机1，由监控计算机1进行环境建图，并对幸存人员的具体位置进行标记。最终，通过本系统救援机器人23可以及时有效发现幸存人员以及准确描绘出幸存人员所在具体位置，并与幸存人员建立语音通讯联系。

Claims (2)

1.一种远程操作救援机器人的探测感知系统，其特征是：包括监控计算机、车载计算机、底层控制电路单元，监控计算机通过有线网络连接无线路由器，车载计算机安装有无线网卡，无线网卡通过无线网络与无线路由器相连，车载计算机、底层控制电路单元均安装在机器人本体上，机器人本体上还固定有电控转台支架，电控转台支架上安装第一舵机、第一舵机转架、第二舵机、第二舵机转架，第一舵机的输出端与第一舵机转架相连，第二舵机的输出端与第二舵机转架相连，第一舵机安装在第二舵机转架上，第二舵机安装在电控转台支架上，第一舵机转架上固定有安装平台，安装平台上固定惯性姿态参照系统单元和激光测距雷达单元，惯性姿态参照系统单元和激光测距雷达单元均连接车载计算机，底层控制电路单元包括底层电路主板以及安装在底层电路主板上的主控单元模块、云台摄像头驱动电路模块、电源模块，主控单元模块分别连接车载计算机、云台摄像头驱动电路模块、第一舵机、第二舵机，云台摄像头驱动电路模块连接云台摄像头，云台摄像头通过视频传输模块将采集的图像数据信息通过无线路由器建立的无线网络发送到监控计算机，惯性姿态参照系统单元检测机器人的姿态，将姿态数据传输给车载计算机，车载计算机将机器人的姿态及角度变化速率传给主控单元模块，主控单元模块然后控制第一舵机、第二舵机运动使安装平台与地面保持所需角度。

2.根据权利要求1所述的一种远程操作救援机器人的探测感知系统，其特征是：机器人本体上安装有温度传感器、声音传感器、气体传感器，温度传感器、声音传感器、气体传感器分别将各自测得的信息传送给车载计算机。