基本信息
- 項目名稱：
- 基于GPS定位系統(tǒng)的搜救機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本機器人集全球定位系統(tǒng)、ARM控制平臺、人體紅外感應、超聲波測距、攝像頭等功能模塊于一身。機器人可以利用全球定位系統(tǒng)通過谷歌地圖，結合超聲波蔽障功能順利到達指定坐標點，同時可進行數(shù)據(jù)采集、偵測傷者、攝像頭照相等搜救工作。并根據(jù)需要將各種環(huán)境信息及圖像信息及機器人各部分工作狀態(tài)（如車速，超聲波工作狀態(tài)，電源電壓等）傳回ARM或PC控制平臺，以確保高效、高質量的完成救援任務。
- 詳細介紹：
- 一、制作背景: 我國是一個自然災害頻發(fā)的國家，地震、洪澇等災害波及面積廣，嚴重影響著我們的生活。如何在大范圍內合理分配搜救工作，精準定位幸存者位置，提供受困者所處環(huán)境信息，提高搜救效率就顯得尤為重要?；贕PS定位系統(tǒng)的智能搜救機器人，具有自檢和搜救功能，可方便協(xié)助搜救人員高效的完成搜救工作。 二、車體機器人系統(tǒng)說明： 1、直流電機驅動電路 這里使用雙路全橋式電機驅動L298，由于其具有： ? 工作電壓高達46V； ? 總DC電流達4A； ? 低飽和電壓； ? 具有過溫保護功能 ? 邏輯“0”輸入電壓高達1.5V(高抗噪性)等特性優(yōu)點。 并且電路中采用光耦隔離，大大提高了單片機對直流電機的抗干擾能力。其次L298還提供一個額外的電壓輸入，所以其邏輯電路可以工作在更低的電壓。系統(tǒng)供電部分，將驅動電路與單片機等其他模塊分開供電，進一步降低直流電機的工作對其他部分的影響。 2、霍爾元件車速檢測 由于霍爾元件對磁場的感應比較明顯，所以把霍爾元件集成的開關安裝在車輪附近上，當裝在車輪上均勻分布的永磁體經過它時，將產生脈沖信號。單片機利用定時器可以測量脈沖信號列的時間間隔長短，計算出該運動物體的位移速度并返回給操控端。 3、語音系統(tǒng) 慮到該作品只是搜救機器人系統(tǒng)的模型，用51單片機處理語音速度有點慢，而且用簡單的無線模塊處理語音相對復雜且不實用，所以暫時用語音模塊模擬代替該部分功能。 該部分采用ISD1700語音芯片，主要因為其： ? 可處理多達255段信息； ? 多種采樣頻率對應多種錄放時間； ? 音質好，電壓范圍寬，應用靈活等優(yōu)點。 由于可以利用震蕩電阻的不同改變芯片的采樣頻率，所以設計電路中把采樣電阻ROSC設計為可更換的，使錄音的效果可控制。語音播放按鈕由單片機控制，當紅外模塊檢測到周圍有人存在時，單片機就會啟動語音模塊，播放已經錄制好的聲音，對受困者進行安慰。 （注：次部分設計只是暫時替代語音部分的功能，實際語音部分的設計安排并非這樣。） 4、雙單片機處理系統(tǒng) 由于整個系統(tǒng)比較復雜，要實現(xiàn)的功能比較繁多，用一片單片機處理，很大程度上會影響整體的運行速度和部分模塊的控制，古采用兩塊單片機協(xié)調處理。兩塊單片機分工工作，并進行信息交流。主單片機直接接收無線模塊傳給的信息，然后進行工作的分配。根據(jù)工作的不同，把部分工作交給從單片機處理。 單片機間通信協(xié)議介紹：該處的通信協(xié)議為開發(fā)者自定義的五線單向傳輸，其中四根信號線，一根控制線。為了盡可能簡化傳送的數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的工作效率，主單片機采用開關式指令給從單片機分配任務，即每條指令只有四個有效位控制。控制信號線直接和從機的外部中斷零相接，當主機發(fā)送一個下降沿時，從機進入中段讀取指令并調整內部的工作模式以完成相應的工作。 主從機的主要分工如下： 主機： ? 負責無線模塊信息的接受與處理； ? 車體前后左右等的控制； 超聲波模塊的控制，用以實現(xiàn)避障和雷達掃描等動作； ? 連接人體紅外感應模塊，并控制語音系統(tǒng)。 從機： ? 對GPS信號進行有效信息提?。? ? 控制攝像頭的工作，完成圖片的采集與分割； ? 控制電壓檢測電路，并作出臨界提示； ? 完成車速的檢測； ? 其他傳感器信息的采集與處理； 5、利用模擬開關信號交替?zhèn)魉? 機器人部分所以的信息都是經過模擬開關CD4066的控制利用無線模塊發(fā)送出去的。CD4066是四雙向模擬開關，主要用作模擬或數(shù)字信號的多路傳輸。引出端排列及內部結構如右圖，具有比較低的導通阻抗。另外，導通阻抗在整個輸入信號范圍內基本不變。CD4066由四個相互獨立的雙向開關組成，每個開關有一個控制信號，開關中的p和n器件在控制信號作用下同時開關。這種結構消除了開關晶體管閾值電壓隨輸入信號的變化，因此在整個工作信號范圍內導通阻抗比較低。與單通道開關相比，具有輸入信號峰值電壓范圍等于電源電壓以及在輸入信號范圍內導通阻抗比較穩(wěn)定等優(yōu)點。 6、對人體紅外感應模塊的使用處理 采用熱釋電紅外開關，是BISS0001配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成的被動式紅外開關。其有以下特點： ? 采用PIR熱釋電傳感器 ? 低功耗、靜態(tài)功耗50uA ? 寬電壓范圍（DC 4.5-20V） ? 電路板體積小 ? 感應距離7米 ? L不可重復觸發(fā)/H重復觸發(fā) ? 利用菲涅爾鏡增大感應角度為110° 當檢測到有人時，該模塊將產生低電平，單片機采集到該信號后開啟語音系統(tǒng)。 7、機器人方位識別的設計 為了解決機超聲波正對前方的問題，特意做了如下設計：把一根針固定在步進電機的轉軸上，讓其隨超聲波，攝像頭一起轉動，當轉軸上的針與旁邊樹立額針相接處時即表示超聲波正對著前方。為了防止攝像頭在拍攝四周情況時數(shù)據(jù)線纏繞問題，程序中以正前方為基準，讓其正傳一周后下次反轉。啟動機器后，系統(tǒng)會自動擺正位置。 8、超聲波模塊 HC-SR04超聲波測試模塊可測量2mm——400mm的非接觸式距離， 精度可達3mm。 ★故障自檢：超聲波模塊的工作時序如下圖，根據(jù)時序圖，在程序中，觸發(fā)信號發(fā)生前后和等待超聲波輸出響應時，特意加入了對連接線路的檢查功能，再根據(jù)不同位置的檢測狀況由單片機分析超聲波是否工作，及其出現(xiàn)故障的原因，并最終把情況反映給操控端。 ★雷達模擬：通過精確控制步進電機的轉動，以正前方為基準，使其每轉動以固定角度后超聲波工作一次，采集一次改角度時障礙物的距離，并把該次的數(shù)據(jù)和角度信息通過無線發(fā)送給控制端進行處理。 ★自動避障：車體在前進的同時超聲波模塊不停的向前發(fā)送超聲波，當發(fā)現(xiàn)有障礙物并且靠近到一定距離時，車體將停止前行，超聲波模塊左右旋轉，尋找合適的方向后繼續(xù)前行。 9、攝像頭連接 攝像頭采用PTC08串口攝像頭模塊，通過標準的三線式 RS-232 通信接口以及簡單的圖像傳輸協(xié)議，與單片機連接；預留的紅外補光功能接口可以外接紅外燈板，在各種光照條件下清晰成像，生成JEPG格式圖片。因為該攝像頭工作電流為 80-100MA，紅外燈工作時共有 200-300MA，耗電較大，同時因為串口攝像頭是被動工作，因此在使用時使用可控的開關對串口攝像頭的電源進行控制，以盡量減少電池能源的消耗。 由于無線模塊每次發(fā)送的字節(jié)比較少，為32位，為了保證圖片的質量和正常傳送，設計中將攝像頭緩存中的圖片信息分次讀取并發(fā)送，每次發(fā)送16位，并加上起始和結束標志各八位共32位。接收端將每次收到的圖片數(shù)據(jù)過濾，提取有效數(shù)據(jù)并合并，重新恢復顯示圖片。 10、GPS模塊的使用 本系統(tǒng)采用日本原裝全新 JRC G591 模塊，此模塊基于 JRC 第九代方案，可支持多達 210PRN 通道，其中有 66 搜索通道和 22 同步跟蹤通道，它支持l1波段信號集，如全球定位系統(tǒng)的C/A和SBAS（包括WAAS,EGNOS MSAS）具有較高靈敏性度以及跟蹤性能。 G591參數(shù)如下： 結構尺寸：15.9*13.1*2.5mm 工作頻率：L1, 1.57542 GHz 波 特 率：9600bps I/O 協(xié)議： NMEA0183 功 耗：38mW 定位精度：<2.5m 信號靈敏度：-164dBm 衛(wèi)星信道：88 通道, (66 個捕獲通道,22 個追蹤通道) 啟動時間：<1.5s(熱啟),<34s(溫啟),<35s(冷啟) 該模塊通過與單片機的UART接口連接，實現(xiàn)單片機的控制。該GPS模塊配合攝像頭采集來的環(huán)境圖像信息進行精確定位，確定幸存者方位。 11、機器人電壓測量 搜救機器人是在比較復雜的環(huán)境中工作，因此自身的能源問題是不得不不考慮的，否則就會出現(xiàn)有去無回的悲慘局面。所以就必須實時對其自身的能源進行監(jiān)測，一擔能量接近不足就要提前采取相應的措施。 為了節(jié)約I/O口，設計中采用了串行ADC0831對其自身能量監(jiān)測。但為AD提供一個穩(wěn)定的參考電壓變成了難點。為解決這個問題，設計中使用了可編程精密參考TL431。TL431集成電路是三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，這些單片集成電路電壓基準如同低溫度系數(shù)齊納管一樣運行，通過2個外部電阻可從Vref編程至36伏。這些器件顯示出寬工作電流范圍，在典型動態(tài)阻抗0.22歐姆時為1.0毫安至100毫安。 TL431的連接如下圖： 芯片內部具有穩(wěn)定的參考電壓Vref=2.5V； 實際設計時令R1=0，R2= ∞；即R2處開路。 Vout即為AD的參考電壓2.5伏，再用大電阻分壓AD采集，通過單片機計算并用程序補償校準，最后把準確的值返回給操控界面，并且當?shù)陀谠O定值時會發(fā)出報警提示。 12、無線模塊 在搜救機器人模型設計階段 我們采用RF1100-232無線模塊作為無線傳送工具。因為其具有以下優(yōu)點： ?低功耗，最大發(fā)射功率10mW ?載頻頻段433MHz，免費ISM頻段 ?高抗干擾能力和低誤碼率 ?傳送距離遠（9600bps時可傳送距離大于200m） ?256個可編程信道（20M頻段） 無線模塊的輸出端直接和主單片機相連，直接把接收到的數(shù)據(jù)傳遞給主單片機；無線模塊接收端與模擬開關相連接，接收來自從單片機和攝像頭的部分發(fā)送的數(shù)據(jù)。 13、PC端的連接與控制 電腦已經成為很普通的工具，具有處理速度高，因此用PC操控與處理所接收到的數(shù)據(jù)有獨特的優(yōu)勢。 在此，PC端操控程序用VC++編寫，其硬件連接比較簡單，只需用串口將其與無線模塊連接即可。 14.ARM端的連接與控制 為了方便攜帶與控制，設計中特意使用了ARM作為手持控制端。利用evc在wince 5.0 平臺上開發(fā) 三、上位機的設計： 上位機采用VC語言在MFC平臺上開發(fā)Windows應用程序，為用戶開發(fā)友好的操作界面，通過串口通信實現(xiàn)對下位機的實時控制，實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將獲取的經緯度數(shù)據(jù)導入Google Earth，實現(xiàn)實時的定位導航，更直觀的獲取周圍環(huán)境的地理信息采用JPEG庫進行對圖像的解碼，將無線接收圖像數(shù)據(jù)得以在窗口顯示。 ARM采用EVC為開發(fā)工具，在WINCE5.0平臺上進行嵌入式開發(fā)，對下位機進行實時的控制以及采集信息的分析處理。 以下為技術環(huán)節(jié)的詳細介紹： 1.MFC開發(fā)平臺 MFC,微軟基礎類(Microsoft Foundation Classes),實際上是微軟提供的,用于在C++環(huán)境下編寫應用程序的一個框架和引擎,VC++是Windows下開發(fā)人員使用的專業(yè)C++ SDK(SDK,Standard SoftWare Develop Kit,專業(yè)軟件開發(fā)平臺) MFC是Win API與C++的結合,API,即微軟提供的Windows下應用程序的編程語言接口,是一種軟件編程的規(guī)范，在MFC平臺下開發(fā)軟件，可以縮短開發(fā)的周期。 2.MSCOMM控件串口通信 MSComm 是 Microsoft 公司為簡化Windows下串行端口編程而提供的ActiveX控件，它提供了一系列標準通訊命令的使用接口，為應用程序提供了通過串行口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡潔方法。處理數(shù)據(jù)的方式有事件驅動（Event-driver）、查詢法(Inquire)兩種。 該項目中采用事件驅動的方式進行串口通信。 事件驅動法 在使用事件驅動法設計程序時，每當有新字符到達、端口狀態(tài)變化或發(fā)生錯誤時，MSComm控件將解發(fā)OnComm事件，而應用程序在捕獲該事件后，通過檢查MSComm控件的CommEvent屬性可以獲知所發(fā)生的事件或錯誤，從而采取相應的操作。這種方法的優(yōu)點是程序響應及時，可靠性高。 3.Jpeglib圖像的解碼 JpegLib庫開放源代碼的組成 1）makefile。JpegLib庫中有很多文件名為makefile的文件。它的后綴名表示它所用于的平臺或用途。 2）makefile中LIBSOURCES變量所代表的文件是JpegLib的核心算法部分。 3）makefile中SYSDEPSOURCES變量所代表的文件是JpegLib中負責內存分配的部 4）makefile中APPSOURCES變量所代表的文件是JpegLib中提供諸如命令行壓縮Jpeg之類的功能的部分，是一些工具。 5）makefile中INCLUDES變量所代表的文件是源代碼中用到的頭文件。 6）makefile中DOCS變量所代表的文件是一些文檔、測試用例之類的東西。其中最有用的是example.c。 7）jconfig。JpegLib庫中還有很多和makefile類似的jconfig，這是針對不同平臺的類型聲明。使用時，根據(jù)需要，將適當?shù)膉config文件的后綴名改為h。 4.嵌入式開發(fā)技術 以EVC為嵌入式開發(fā)工具，在WINCE5.0平臺上開發(fā)了實時控制車體的軟件，串口通信采集SerialPort類，采用事件驅動的方式與下位機進行通信，運用繪圖技術，仿真出模擬雷達界面，更直觀的讀取超聲波返回的數(shù)據(jù)
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的： 無法預料的災難經常影響著我們的生活。如何在大范圍內合理分配搜救工作，精準定位幸存者位置，提供受困者所處環(huán)境信息以協(xié)助搜救人員高效的完成搜救工作就顯得尤為重要。 基本思路： 控制端利用谷歌地圖給機器人導航，使其在指定區(qū)域內逐步縮小范圍進行搜索。 各部分主要功能如下： PC控制平臺：基于Windows XP和win7系統(tǒng)下的機器人控制軟件，通過無線模塊接收搜救機器人所發(fā)送的所有信息；利用接收到的GPS信息通過谷歌地圖導航；可捕捉任意角度圖片信息；模擬雷達界面,顯示搜救環(huán)境基本信息。 ARM控制平臺：用EVC在wince 5.0 平臺上開發(fā)ARM控制端程序；實現(xiàn)PC控制端的所有功能。 車體機器人：用兩塊51單片機作為處理器，攜帶GPS，CMOS攝像頭，紅外，超聲波，語音系統(tǒng)等模塊，協(xié)調完成各個功能。 技術關鍵： 1、GPS的定位和谷歌地圖導航，控制端通過谷歌地圖給機器人指定工作點和搜尋范圍； 2、圖像的分割傳送，重新組合與解碼壓縮； 3、搜救機器人自身健康的檢測和自我分析； 4、大量數(shù)據(jù)通過無線模塊的分時發(fā)送； 5、超聲波雷達掃描的精確模擬； 6、自動尋找最適方向前行； 主要技術指標： 1、精確判斷出故障原因； 2、準確采集機器人供電，誤差0.01V； 3、圖片的精確分割與重組, 無線范圍內無失真現(xiàn)象； 4、雷達模擬掃描，角度誤差<0.7度，距離誤差<1cm； 5、谷歌地圖導航誤差<4m；
科學性、先進性
- 本作品結合實際需要，將現(xiàn)代通信技術、信息處理技術、控制技術、計算機技術和嵌入式技術等相結合，實現(xiàn)功能比較完備的自檢和搜救功能。 將GPS與谷歌地圖相結合，增強了實時的控制能力。 豐富的信息采集，更有助于協(xié)助搜救人員完成搜救任務。 視頻圖像的捕捉，模擬雷達的勘測，方便有效的掌握實際的情況。采用ARM控制，攜帶與操作方便。 整體的設計成本比較低，對實際問題的考慮比較全面，設計和構思有比較強的用價值。
獲獎情況及鑒定結果
- 2010年，該作品在西安電子科技大學第二十二屆星火杯中獲特等獎。
作品所處階段
- 報告中所述功能基本完成和實現(xiàn)，但部分參數(shù)沒有達到理想指標。
技術轉讓方式
- 未技術轉讓
作品可展示的形式
- 實物現(xiàn)場演示，有圖片、視頻記錄
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- ? 技術特點和優(yōu)勢：利用GPS和谷歌定位功能，實現(xiàn)機器人在指定區(qū)域的搜救工作，既可人工控制也可自動控制； 將超聲波掃描和圖像采集相結合，既可以知道具體的物體形狀，又可以確定其所處的環(huán)境位置。 適應范圍及推廣前景：適用于各種災害救援現(xiàn)場的勘察。由于系統(tǒng)對信息反饋較全面，且易于操作，因而對于救援工作什么有利，將會有很好的應用前景。 市場分析和經濟效益預測：本系統(tǒng)制作成本較低，功能較全面，因而將會有很好的市場。
同類課題研究水平概述
- “911”事件救援工作中救援機器人的應用，使人們越來越看重機器人在搜救工作中的應用。機器人可以替代救援人員從事偵查、救援探測等許多準備或高危工作，方便救援人員制定最優(yōu)的救援方案，減少人員的傷亡。在災難現(xiàn)場中，救災機器人能否迅速找到幸存者的位置以及對周圍情況作出反饋，將關系著救援工作的順利展開。在今后的救援工作中，智能搜救機器人將起到舉足輕重的作用。 在國外，救災機器人發(fā)展迅速。 InuKtun公司研制了機器人MicroVGTV，由于采用電纜控制，隨著搜救范圍的展開，其活動嚴重受到限制。日本大阪大學研制出蛇形機器人，能在高低不平的模擬廢墟上前進，其頂端帶有一部小型監(jiān)視器,身體部位安裝傳感器，可以在地震后的廢墟里尋找幸存者。美國iRobot公司研制了PackBot系列機器人，能適應崎嶇不平的地形環(huán)境和爬樓梯，主要執(zhí)行偵察任務、尋找幸存者、勘探化學品泄漏等任務。但是在人機交互、災害現(xiàn)場環(huán)境的反饋以及控制上都還存在著一定的困難。美國加州大學伯克利分校研制出世界第一個蒼蠅機器人，雖然偵測方便，但由于技術以及制作工藝的限制，暫時難以在國內推廣。 在國內，救災機器人的研究剛剛起步，但進展很快。中科院沈陽自動化所在2002年研制了一種蛇形機器人，由關節(jié)模塊和蛇頭、蛇尾組成，在監(jiān)控系統(tǒng)的無線控制下可實現(xiàn)蜿蜒前進、后退、側移、翻滾等多種動作，并能通過安裝在蛇頭上的微型攝像頭將現(xiàn)場圖像傳回監(jiān)控系統(tǒng)。國防科技大學在2001年也研制了一種蛇形機器人。中國礦業(yè)大學已開始研制煤礦救災機器人。
