周 軍

（九江職業(yè)大學(xué)，江西 九江 332000）

引言

無論是在游泳館、海邊等公眾場所還是河邊池塘等有水的地方，發(fā)生溺水死亡事件數(shù)不勝數(shù)，經(jīng)專業(yè)人士分析，一般人在溺水后2-3分鐘左右就會(huì)停止呼吸，且在缺氧情況下5分鐘左右就會(huì)導(dǎo)致腦細(xì)胞的死亡。如能在剛停止呼吸的4-6分鐘之內(nèi)進(jìn)行心肺復(fù)蘇等急救措施，其成活率比較高。

目前很多公眾場合還是采取救生員或者水中放入救生圈的方法進(jìn)行安全管理，其缺點(diǎn)是人工可能會(huì)錯(cuò)漏救援信息，且其救援速度慢，易錯(cuò)過最佳救援時(shí)間。如遇惡劣天氣還會(huì)加大救生員的危險(xiǎn)系數(shù)。而水上救援智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)救援功能。

現(xiàn)在的水上救援機(jī)器人只能遙控運(yùn)行到目標(biāo)點(diǎn)，如果超過目標(biāo)點(diǎn)則需要繞一個(gè)圈掉頭重新進(jìn)行定位，浪費(fèi)了救援時(shí)間，故在現(xiàn)有水上救援機(jī)器人系統(tǒng)中加入倒車系統(tǒng)，可以為應(yīng)急救援贏得更多的時(shí)間。

一、控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

帶倒車功能的水上救援機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件主要由主控電路板、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和視覺相機(jī)檢測裝置組成。主控電路板包括：電源整流裝置、控制器檢測信號(hào)和輸出信號(hào)接線；主控制器采用樹莓派Raspberry Pi 4B；執(zhí)行機(jī)構(gòu)有直流無刷電機(jī)作為動(dòng)力電機(jī)，三相混合式步進(jìn)電機(jī)作為方向控制電機(jī)；視覺相機(jī)檢測裝置主要采用Raspberry Pi Camera Module 2 NoIR視覺相機(jī)和通訊模塊，視覺相機(jī)安裝在救援機(jī)器人前端，通過視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控水面情況的功能，再通過通訊模塊將信號(hào)反饋。

二、控制流程圖設(shè)計(jì)

采用機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控水面情況，將是否有溺水事件進(jìn)行反饋，信號(hào)反饋到控制中心和遙控裝置兩處。遙控裝置方便操作人員手動(dòng)確認(rèn)目標(biāo)點(diǎn)是否正確，若確認(rèn)錯(cuò)誤則取消救援行動(dòng)，若確認(rèn)正確或規(guī)定時(shí)間未確認(rèn)則控制中心默認(rèn)正確，機(jī)器人立即規(guī)劃達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的多段直線子路徑。機(jī)器人打開方向電機(jī)，按照第一個(gè)子路徑調(diào)整運(yùn)行方向，啟動(dòng)動(dòng)力電機(jī)控制螺旋槳運(yùn)行至第一個(gè)方向。在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)判斷是否出現(xiàn)新的障礙物，關(guān)閉動(dòng)力電機(jī)，重新規(guī)劃路線，調(diào)整方向運(yùn)行至新路線。完成當(dāng)前子路徑后判斷是否有下一段子路徑，如有則調(diào)整方向繼續(xù)前進(jìn)，直到完成所有子路徑路線到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。在運(yùn)行過程中由于速度過快發(fā)現(xiàn)超出目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，調(diào)整方向電機(jī)，開啟動(dòng)力電機(jī)控制螺旋槳進(jìn)行倒車，快速到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。檢測到溺水者攀附在救援機(jī)器人上，等待一段時(shí)間后救援機(jī)器人規(guī)劃返航到指定安全位置的路線，與前面救援流程類似，同樣調(diào)整方向電機(jī)，啟動(dòng)動(dòng)力電機(jī)按照子路線返航。返回過程中遇到新障礙物則重新規(guī)劃路線調(diào)整方向電機(jī)，直到完成所有子路徑達(dá)到安全位置?？刂屏鞒虉D如圖1所示。

圖1 控制流程圖

三、電路原理圖設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用樹莓派Raspberry Pi 4B 作為主控制器，電源整流裝置經(jīng)過濾波整流后將直流5V電源供給主控制器，將直流24V電源供給直流無刷電機(jī)（動(dòng)力電機(jī)）和三相混合式步進(jìn)電機(jī)（方向控制電機(jī)），利用Raspberry Pi Camera Module 2 NoIR 作為視覺相機(jī)，通過視覺技術(shù)判斷是否有待救援人員。2.4GHZ的射頻模塊作為通信模塊，是一種遠(yuǎn)程的控制方式，可以實(shí)現(xiàn)2400M-2483MHZ范圍內(nèi)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)近距離無線傳輸通信，其使用方便，可以短距離傳輸。電路原理圖如圖2所示。

圖2 電路原理圖

四、樹莓派和PWM的控制

（一）PWM控制

直流無刷電機(jī)具有不易磨損、出故障概率低、性能可靠、壽命長、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高和機(jī)械特性好等優(yōu)點(diǎn)，作為水上救援機(jī)器人的輸出電機(jī)，性能穩(wěn)定且調(diào)速方便。脈沖寬度調(diào)制（PWM，Pulse Width Modulation）用于直流無刷電機(jī)的調(diào)速控制是一種簡單高效的方式。

脈沖寬度調(diào)制（PWM）利用控制器的數(shù)字輸出信號(hào)對(duì)直流電源開關(guān)頻率進(jìn)行控制，從而改變直流無刷電機(jī)負(fù)載兩端的電壓，以此來達(dá)到調(diào)速的效果。

（二）樹莓派對(duì)PWM的控制

本系統(tǒng)利用樹莓派的ARM Cortex-A72嵌入式芯片作為CPU 單元。樹莓派自身的庫里提供了PWM功能，因此利用GPIO的編程就可實(shí)現(xiàn)PWM控制?；A(chǔ)代碼詳解如下：

五、機(jī)器視覺控制

機(jī)器視覺相機(jī)與樹莓派控制器相連，通過LBPH局部二進(jìn)制模式直方圖算法來提取人的身體特征，使用以下4個(gè)特征參數(shù)：

特征參數(shù)1：像素半徑，用來創(chuàng)建圓形局部二值模式并表示中心像素區(qū)域的半徑。

特征參數(shù)2：Neighbors，用來創(chuàng)建圓形局部二進(jìn)制模式的樣本數(shù)。

特征參數(shù)3 和4：Grid X 和Grid Y，水平和垂直方向的單元格數(shù)。

用各種人體姿態(tài)進(jìn)行帶標(biāo)簽訓(xùn)練，后獲取測試數(shù)據(jù)，確定哪些標(biāo)簽為正常姿態(tài)標(biāo)簽，再對(duì)水面所有人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)應(yīng)帶正常標(biāo)簽數(shù)據(jù)的則確定為正常，否則確定為異常。

六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該系統(tǒng)研制出一款新型的充氣式高效救援設(shè)備，對(duì)落水人員快速施救時(shí)，救援人員可以直接手持遙控器駕駛或者在岸上通過手持遙控器控制救援機(jī)器人下水施救，該設(shè)備攜帶輕便，氣囊可儲(chǔ)存在拉桿箱中，展開時(shí)間僅為20 秒，純電驅(qū)動(dòng)，8KW 功率，25KG推力，最快速度可達(dá)30公里/小時(shí)，可在波浪中穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎，抗風(fēng)浪行進(jìn)，急速倒車，最大載重量為160KG，機(jī)器人可同時(shí)救起7名落水者。

帶有倒車功能的水上救援機(jī)器人能夠通過機(jī)器視覺控制識(shí)別救援信號(hào)，準(zhǔn)確快速到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，節(jié)約了人力資源，同時(shí)提高了水上救援成功率。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)和后期不斷改進(jìn)機(jī)器視覺的算法，以期提高識(shí)別率，從而提高救援的準(zhǔn)確性。