林炳魁

(漳州職業(yè)技術學院 智能制造學院,福建 漳州 363000)

如今,自然災害、意外事故等突發(fā)事件發(fā)生得越來越頻繁,在災難發(fā)生現(xiàn)場使用機器人進行探測與救援,可以大大提升救援的成功率,同時救援人員的安全也得到了保障[1]。救援機器人一般應具有識別地形、主動避障、感知外載、自主平衡等功能[2]。相比輪式和履帶式機器人,步行機器人可以更好地適應崎嶇地形,實施有效救援[3],但步行機器人對于算法與結構參數(shù)設置的要求極高,難以進行大范圍推廣應用[4]。輪式機器人因結構簡單、組裝便利、性價比高等特點成為當前搜救機器人的主流產品[5]。目前,災難搜救機器人研究主要集中在運動結構、跟蹤算法、圖像處理、監(jiān)控系統(tǒng)、智能化開發(fā)等方面[6-9]。本研究設計的是一款集火源查探定位、溫濕度測量、可燃氣體檢測、超聲波測距、藍牙遙控驅動為一體的綜合型災難搜救機器人。首先,將小車與藍牙驅動部分相結合,做好機器人的整體框架,再按照3個功能模塊的工作要求分別進行設計;然后,選定各個功能所要求的元器件、車體材料、驅動電機、單片機系統(tǒng)和驅動模塊來制作搜救機器人樣機,進行機器人的設備安裝與調試;最后,驗證機器人對于火源、危險氣體、溫濕度上下限、超聲波測距的報警功能是否正常運行。本研究結論可為量產災難搜救機器人提供相關的理論依據(jù)。

1 災難搜救機器人總體方案設計

1.1 設計目標和要求

本設計的這款災難搜救機器人,應能對災難發(fā)生區(qū)域進行探測,起到輔助救援的作用,要求其具有火源查探定位、溫濕度測量、可燃氣體檢測、超聲波測距、藍牙驅動等功能,所以需要用到火焰檢測傳感器、溫濕度檢測傳感器、煙霧檢測傳感器、超聲波傳感器、藍牙驅動模塊、單片機模塊、液晶屏顯示模塊和電源模塊等。災難搜救機器人總體設計如圖1所示。

圖1 災難搜救機器人總體設計Fig.1 Overall design of the disaster search and rescue robot

1.2 硬件選型

本設計的災難搜救機器人主要應用于平坦區(qū)域,所以選用速度相對較快的輪式小車作為主體。

1.2.1驅動馬達

本設計的機器人質量為1 kg左右,受到約9.8 N的重力,4個輪胎與地面摩擦系數(shù)取0.3,阻力為5.88 N,平均速度為0.18 m/s,驅動功率為1.06 W。因此,本設計選擇TT減速電機作為驅動馬達,其功率為1.477～2.200 W。

1.2.2電源

本設計選用的驅動模塊需要12 V左右的電壓。綜合電池盒的規(guī)格,從環(huán)保角度出發(fā),選3節(jié)3.7 V的鋰電池更加合理。

1.2.3單片機

STM32F407型芯片是一種高性能Cortex-M4 32位微控制器[10]。本設計采用的程序語言是C語言,而STM32F407型芯片支持C語言。此單片機擁有114個雙向I/O接口,在一個系統(tǒng)中可以連接多個功能模塊,且功耗低、穩(wěn)定性好。

1.2.4顯示器模塊

與數(shù)碼管相比,液晶屏的體積更小,圖像顯示更加穩(wěn)定,可以更清晰地顯示出測得的具體數(shù)值。

1.2.5傳感器模塊

溫濕度傳感器:選用DHT11型傳感器,它集合了溫度與濕度兩個功能的測量模塊,濕度量程20%～90%、溫度量程0～50 ℃?；鹧?zhèn)鞲衅?選用L型火焰?zhèn)鞲衅?通過比較器輸出,穩(wěn)定性較高,當探測角達到60°時,傳感器對光譜最靈敏。煙霧傳感器:在煙霧報警方面,可靠性是最重要的性能,半導體式煙霧傳感器的靈敏度、響應速度都優(yōu)于接觸燃燒式傳感器,所以選擇MQ-2型煙霧傳感器。超聲波傳感器:選擇HC-SR04型超聲波傳感器,該傳感器價格低廉,品質穩(wěn)定,使用簡單方便,無須設計超聲波接收電路。藍牙模塊:選用CSR藍牙芯片,可適配手機和筆記本電腦。

1.2.6其他輔助硬件

采用發(fā)光二極管(LED)作為報警燈,利用8550型三極管(PNP型)的開/關功能控制蜂鳴器發(fā)音,通過L298N型芯片控制電機驅動。

1.3 軟件設計

各軟件模塊設計如圖2所示。

圖2 各軟件模塊流程Fig.2 Flow chart of each software module

1.3.1火焰與煙霧報警模塊

由圖2(a)可以看出,系統(tǒng)通電后液晶屏和報警限定值會被初始化,系統(tǒng)開始檢測3個主要工作模塊的功能,并將數(shù)值和判斷信號分別發(fā)送給單片機,由液晶屏和報警燈光來反饋結果。當煙霧濃度或溫度大于報警限定值時,報警燈與蜂鳴器開始報警,按下設置的按鍵,程序回到初始狀態(tài),而火焰?zhèn)鞲衅鲃t無須改變。

1.3.2超聲波測距模塊

由圖2(b)可知,此系統(tǒng)通電后,液晶屏被初始化,隨后超聲波測距模塊發(fā)射超聲波并將接收到的測量結果顯示在液晶屏上。由于為可能障礙物設置了一定距離的限定值,所以一旦進入報警范圍,機器人的報警系統(tǒng)便啟動,操作員停止操作。

1.3.3環(huán)境溫濕度測量模塊

由圖2(c)可知,系統(tǒng)初始化后開始正常進行溫濕度的測量,在液晶屏上顯示出環(huán)境溫濕度的具體數(shù)值后,便進入溫濕度上下限報警階段。只要溫濕度低于下限或高于上限,聲光報警系統(tǒng)便發(fā)出警報。

1.3.4藍牙驅動系統(tǒng)

由圖2(d)可以看出,系統(tǒng)通電后,藍牙模塊被初始化,接著便發(fā)出信號,如果手機端接收到信號,則開始發(fā)送指令,驅動模塊接收到指令后,液晶屏上顯示機器人當前的運動狀態(tài),隨后機器人開始根據(jù)指令移動。

2 結果與分析

2.1 災難搜救機器人的總體結構

依據(jù)硬件和軟件設計方案,以小車為主體,整合各個模塊,最終得到綜合型災難搜救機器人,如圖3所示。本設計機器人在結構上分為2層,上層是火焰與煙霧報警系統(tǒng)、超聲波測距系統(tǒng)、環(huán)境溫濕度測量系統(tǒng)這3個功能子模塊,下層則是藍牙驅動系統(tǒng)。

圖3 搜救機器人實物Fig.3 Search and rescue object

2.2 災難搜救機器人性能測試結果

2.2.1火焰與煙霧報警系統(tǒng)功能

火焰與煙霧報警系統(tǒng)通電并開啟后,點燃打火機,慢慢靠近火焰?zhèn)鞲衅?火焰?zhèn)鞲衅鲌缶笙绱蚧饳C。將打火機與火焰?zhèn)鞲衅鞯木嚯x拉開至1 cm,再次點燃打火機,觀測此時火焰?zhèn)鞲衅魇欠駡缶?記錄距離,然后熄滅打火機,將距離設置為2 cm,與之前的操作相同,觀測報警情況,記錄距離。此后逐漸拉大打火機火源與火焰?zhèn)鞲衅鞯木嚯x,直至火焰?zhèn)鞲衅鞑辉賵缶?記錄此時的距離,此時所測距離為火焰?zhèn)鞲衅髯畲蟾袘嚯x。測試結果見表1。

表1 火焰?zhèn)鞲衅鳒y試結果Tab.1 Test results of flame sensor

由表1可知,當檢測距離為1～15 cm時,火焰?zhèn)鞲衅髂苷９ぷ?可以很好地檢測周圍環(huán)境是否有火源?；鹧?zhèn)鞲衅鳒y試結束后,將打火機靠近煙霧傳感器,微微按下打火機,釋放丁烷氣體,并觀察報警系統(tǒng)是否正常工作,結果如表2所示。

表2 煙霧報警測試結果Tab.2 Smoke alarm test results

由表2可知,在自然環(huán)境下,沒有煙霧或其他危險氣體接觸傳感器時,聲光報警系統(tǒng)不會報警,而當空氣中有煙霧或可燃氣體存在時,聲光報警系統(tǒng)則開始報警。

2.2.2超聲波測距系統(tǒng)功能

首先,將障礙物放置在超聲波發(fā)射器前面,測出此時障礙物至超聲波模塊的距離。然后,給系統(tǒng)通電,使超聲波模塊開始工作,記錄液晶屏上的數(shù)值。接下來,逐漸拉大障礙物與超聲波模塊之間的距離,觀測顯示數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)的偏差,直到偏差數(shù)值較大時停止記錄。超聲波測距結果見表3。

表3 超聲波測距結果Tab.3 Ultrasonic ranging results

由表3可以看出,當距離在100 cm以內時,超聲波測距較為精確,誤差可能來自障礙物設定的距離不精確,然而當障礙物與超聲波發(fā)生器之間距離大于120 cm時,所測得的距離就不太準確了,顯示數(shù)據(jù)總是在112～113 cm變化。由此可以得出結論,超聲波測距的最大有效距離約為112 cm。但是,超聲波測距的最大距離遠大于火源傳感器的最大探測距離,所以超聲波測距模塊可以較為精確地對火源進行定位。

2.2.3環(huán)境溫濕度測量系統(tǒng)功能

分別在室內、陽臺和樓道3個不同溫度與濕度的環(huán)境中對機器人進行測試,將測量結果與溫濕度計所測數(shù)據(jù)進行比較,結果見表4。

表4 溫濕度測量數(shù)據(jù)對比Tab.4 Comparison of temperature and humidity detection data

由表4可以看出,在不同溫濕度環(huán)境下,所測溫度與環(huán)境實際溫度相差不大,然而由于機器人與測試環(huán)境接觸時間過短,導致濕度測量數(shù)值不準確。

2.2.4藍牙遙控驅動功能

藍牙開啟后,用手機搜索小車藍牙信號,連接完成后點擊“前進”鍵,在小車移動到一定距離自動停下后關閉藍牙,記錄此時小車起始位置與當前位置的距離,這個距離就是最遠的控制距離,見表5。劃定一段6 m的路程,并將每1 m做好標記,開啟小車使其移動,記錄小車每通過1 m的時間。將通過距離與通過時間相除得出此時的速度,測算速度平均值,得到小車的運動數(shù)據(jù),見表6。

表5 藍牙控制小車移動距離與控制情況Tab.5 Moving distance and control of bluetooth control car

表6 小車移動距離與速度的關系Tab.6 The relationship between mobile distance and speed of car

由表5可以發(fā)現(xiàn),藍牙控制信號最多能傳到30 m左右,到達29 m時,對小車的控制已不太靈敏,但小車還能在這種不穩(wěn)定的狀態(tài)下繼續(xù)前進5 m左右,之后就停止不動。由此可以推測,該小車的藍牙控制距離為0～30 m。

由表6可以看到,小車行駛到2 m后,由于地面不是完全平坦的,導致速度有所下降,但最終能維持在18 cm/s左右。

3 結語

本研究設計了一款綜合型災難搜救機器人,實現(xiàn)了火源定位、溫濕度測量、可燃氣體檢測、超聲波測距、藍牙驅動等功能,可為災難發(fā)生區(qū)域進行探測起到輔助救援作用。測試表明,所設計的災難搜救機器人,適用于較平坦空曠的環(huán)境,可準確定位火源,檢測危險氣體,用藍牙控制機器人移動時,無須救援人員直接進入災區(qū),而且可燃氣體檢測功能可以避免現(xiàn)場救援人員受到二次傷害。本設計中,許多元器件都具有雙重功能,這樣雖然能簡化設計工作,但所測數(shù)值會不精確,所以下一步的工作要在保證功能完整的條件下,將各個檢測模塊分開,以單獨的元器件來檢測數(shù)據(jù)。