基本信息
- 項目名稱：
- 震災(zāi)幸存者搜索機器人
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 針對地震災(zāi)后環(huán)境特征，利用SOPC技術(shù)和NiosII軟核處理器設(shè)計并實現(xiàn)了地震災(zāi)區(qū)幸存者搜索定位機器人系統(tǒng)。系統(tǒng)采用組合式履帶移動車體結(jié)構(gòu)、脫機工作方式、自主導(dǎo)航，并采用雙操作系統(tǒng)，能夠靈活行進、越障、爬坡，具有超聲波激光避障、人體檢測、聲音采集定位、廣角度現(xiàn)場視頻采集、溫濕度、煙霧指數(shù)檢測、光控照明、GPS衛(wèi)星定位、電子羅盤定向、Zigbee無線組網(wǎng)通信、上位機與手持終端遠程監(jiān)控、運輸?shù)裙δ堋?/dd>
- 詳細介紹：
- 研究了典型開放的復(fù)雜巨地震災(zāi)害系統(tǒng)的開放性、復(fù)雜性、高維性、不確定性以及涌現(xiàn)性等整體特性及地震救援面臨的主要影響因素，分析了微型救援機器人在地震救援當中的優(yōu)勢和參數(shù)要求。針對地震救援的功能需求、地震災(zāi)后救援的復(fù)雜環(huán)境特點和技術(shù)要求，我們設(shè)計并實現(xiàn)了一種采用脫機工作方式的震災(zāi)幸存者搜索機器人，能夠在地震災(zāi)后苛刻復(fù)雜的環(huán)境現(xiàn)場完成震后環(huán)境檢測、災(zāi)難現(xiàn)場多角度視頻采集、幸存者搜索定位等工作。 本作品采用組合式履帶移動車體結(jié)構(gòu)，主要由越障器、履帶推進器、旋轉(zhuǎn)連接器三部分組成，通過超聲波激光聯(lián)合避障模塊采集道路信息，能夠靈活的行進、越障、爬坡，以適應(yīng)地震現(xiàn)場復(fù)雜的路面狀況。使用SOPC（System on Programmable Chip，可編程片上系統(tǒng)）技術(shù)定制的NiosII軟核處理器作為系統(tǒng)控制和處理核心，在機器人車體上安置有GPS衛(wèi)星定位裝置、多角度無線視頻采集裝置、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、二氧化碳傳感器等一系列環(huán)境檢測裝置，并設(shè)計采用人體紅外檢測和聲音定位相結(jié)合的方式搜索遇難者，并對遇難者的具體方位進行定位。所有的環(huán)境信息及幸存者信息都將符合Zigbee協(xié)議的無線自組網(wǎng)模塊傳回總部上位機，為接下來的震災(zāi)救援工作提供重要環(huán)境數(shù)據(jù)依據(jù)。此外，機器人配有手持終端設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)與PC機相同的顯示功能。通過手持終端無線連網(wǎng)，也可以通過網(wǎng)頁遠程監(jiān)控訪問手持終端。本作品的搜索機器人還具有自動光控照明、聲光提示、運輸?shù)裙δ堋?每一個功能完善的搜索機器人都是一個單獨的環(huán)境及人體檢測節(jié)點，同時在救災(zāi)現(xiàn)場投放多臺機器人組成的無線環(huán)境及人體檢測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)整個救援機器人車隊的自組網(wǎng)，多點采樣、大面積搜索、多角度檢測，相互之間共享救援信息、協(xié)調(diào)工作，并最終將各種探測信息發(fā)送至PC機上顯示，能夠成倍的加大檢測、搜索面積，并增大幸存者搜索成功的可能性。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 作品設(shè)計目的：在世界各地，地震以及由地震引起的次生災(zāi)害頻繁發(fā)生。目前，地震救災(zāi)方式多為人工救援，而且一般救護人員無法進入危險區(qū)域，這種救援方式的救災(zāi)周期長，危險性大，不但延誤了救援的最佳時機，而且對救援人員自身的生命安全造成了極大的威脅。因此，研究一種地震救援新裝備，用機器代替人力在危險區(qū)域內(nèi)搜索幸存者，對其進行定位是項非常緊迫并且具有現(xiàn)實意義的任務(wù)。 技術(shù)創(chuàng)新點：1.智能化程度高，可以采用遠程遙控和自主導(dǎo)航兩種工作模式；2.機械性能強，采用組合式履帶移動車體結(jié)構(gòu)，越野性能好；3.搜索功能強大，采用人體檢測與聲音定位相結(jié)合的二元搜索定位模式；4.在未來可實現(xiàn)無線多機器人的自組網(wǎng)環(huán)境檢測及人體搜索同步技術(shù)。 技術(shù)關(guān)鍵點：1.基于SOPC技術(shù)的NiosII控制平臺的軟硬件聯(lián)合設(shè)計；2.越障機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及移動車體的自主道路識別算法；3.人體檢測和聲音定位二元數(shù)據(jù)融合的識別定位算法；噪聲環(huán)境下的聲音信號采集、濾波、識別的軟硬件設(shè)計；4.機器人與總部上位機之間的遠距離無線數(shù)據(jù)通信及遠距離無線廣角度監(jiān)控技術(shù)。 主要技術(shù)指標：人體紅外檢測最大有效距離：3～5m；聲音頻率檢測范圍：300～3400Hz；最大有效距離：4m；越障高度：16cm；無線視頻傳輸距離：150～250m；可連續(xù)工作6h。
科學(xué)性、先進性
- 科學(xué)性：1.本作品實現(xiàn)了救援機器人的集成創(chuàng)新，功能完善；2.本作品工作在特定環(huán)境下，具有相應(yīng)的特定功能；3.本作品根據(jù)實際技術(shù)需求設(shè)計，所有的技術(shù)均能夠適應(yīng)相應(yīng)的指標需求；4.本作品是基于SOPC及NiosII軟核技術(shù)，采用人體熱釋紅外識別與聲音定位相融合的方法搜索廢墟中的幸存者的救災(zāi)機器人，經(jīng)教育部科技查新工作站（L17）鑒定，在國內(nèi)尚未見相同文獻報道，為完全自主研發(fā)的先進科技作品。 主要參考文獻：[1]甘建軍，黃潤秋，李前銀，都江堰-汶川公路汶川地震次生地質(zhì)災(zāi)害主要特征和形成機理，地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2010；[2]田小甫，孫進忠，陳奇，汶川地震后四川省巴州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害特征研究，工程地質(zhì)學(xué)報，2009；[3]夏宇聞，《Verilog SOPC高級實驗教程》，北京航空航天大學(xué)出版社，2009；[4]董曉坡，王緒本，救援機器人的發(fā)展及其在災(zāi)害救援中的應(yīng)用，防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2007。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1.獲得一項發(fā)明專利受理通知書，專利申報號為201110105723.4；另有一項發(fā)明專利和一項實用新型專利正在審核。 2.本作品于2011年4月26日在教育部科技查新工作站（L17）進行科技查新，科技查新報告表明國內(nèi)查新未見相同中文文獻報道。 3.本作品于2010年9月2日獲得XX省電子設(shè)計大賽“Altera杯”SOPC專題競賽中獲得省一等獎（使用本作品中的SOPC及NiosII軟核處理器技術(shù)）。 4.本作品于2010年9月28日獲得Altera亞洲杯創(chuàng)新設(shè)計大賽全國二等獎（使用本作品中的無線視頻采集、圖像處理技術(shù)）。 5.本作品于2011年6月3日獲得XX省第八屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎。
作品所處階段
- 目前作品的所有基本功能都已實現(xiàn)，并完成了各項功能測試及模擬復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力測試并通過測試。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利出售或自主創(chuàng)業(yè)
作品可展示的形式
- 1.實物 2.現(xiàn)場演示 3.錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 使用說明：本作品搜索定位機器人為脫機工作模式、可自動完成幸存者搜索、定位、環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)場視頻傳回、環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗腥蝿?wù)。監(jiān)控人員只需在總部微機上安裝視頻接收軟件及上位機監(jiān)控軟件（自主開發(fā)）即可觀察到災(zāi)難現(xiàn)場的實際情況、環(huán)境數(shù)據(jù)、機器人的精確位置，還可以通過上位機軟件和手持終端對機器人的動作進行人為干預(yù)或者調(diào)整攝像頭的拍攝方位。 適用范圍及市場分析：本作品震災(zāi)搜索定位機器人體積小、行動靈活、功能完善，適用于地震發(fā)生后救援人員不方便進入的危險區(qū)域或者狹窄區(qū)域，能夠替代救援人員完成搜索任務(wù)，降低二次災(zāi)害對救援人員生命安全的威脅。目前，國內(nèi)市場上類似產(chǎn)品比較缺乏，且大多造價昂貴，在40萬到200萬不等。本作品震災(zāi)搜索定位機器人由于采用最新的SOPC技術(shù)使得其開發(fā)周期和成本都大大降低，真正大范圍的應(yīng)用到救災(zāi)現(xiàn)場將成為可能，必將帶來巨大的社會經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 在國外，救援機器人發(fā)展迅速，技術(shù)日益成熟，并進入實用化階段。美國、日本等國家都先后投入到救災(zāi)機器人的研究當中。據(jù)報道，日本的救災(zāi)機器人包括如下幾類：蛇形搜救機器人Snakebot，、東京消防廳(Tokyo Fire Department)使用的RoboCue機器人、日本千葉理工學(xué)院(Chiba Institute of Technology)制造的Quince機器人等。 在國內(nèi)，救援機器人的研究剛剛起步，但進展很快。2002年中科院沈陽自動化研究所機器人學(xué)國家重點實驗室研制了空中搜索探測機器人、廢墟洞穴搜救可變形機器人、廢墟表面搜救機器人。空中搜索探測機器人進行了晝間低空災(zāi)情偵察、夜間被困人員搜索、投放救災(zāi)物資、噴灑防疫藥品等功能的演示。廢墟洞穴搜救可變形機器人進行了地震災(zāi)后幸存者搜索與輔助救援應(yīng)用演示。廢墟表面搜救機器人對假設(shè)的內(nèi)部情況不明的危險區(qū)域進行偵測。中國礦業(yè)大學(xué)可靠性工程與救災(zāi)機器人研究所于2006年6月研制了我國第一臺用于煤礦救援的CUMT-1型礦井搜救機器人。這些機器人都還處于示范性應(yīng)用階段。 目前市場上的救援機器人比較匱乏，但也有少量供應(yīng)消防、防爆機器人等類型的救災(zāi)機器人。如安徽一家電子科技公司生產(chǎn)的專業(yè)消防機器人，采用的是全履帶式的移動車體結(jié)構(gòu)，能夠在廢墟中行走，越過高度小于25cm的障礙物，安裝有1個全景攝像機2個微型攝像機，具有信息傳輸功能。但是這種機器人上未攜帶任何的傳感器，不能對環(huán)境進行檢測，也不能對生命信息進行檢測，應(yīng)用范圍有限。目前國內(nèi)市場上還沒有真正環(huán)境適應(yīng)能力較強，功能完善的救援機器人。 本作品利用SOPC技術(shù)和Nios II軟核處理器設(shè)計并實現(xiàn)了地震災(zāi)區(qū)幸存者搜索定位機器人系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計采用脫機工作方式、自主導(dǎo)航，可在苛刻復(fù)雜的環(huán)境現(xiàn)場完成搜救工作。機器人設(shè)計采用雙操作系統(tǒng)，能夠靈活的行進、越障、爬坡，最大可越過16cm的障礙物，具有超聲波激光避障、人體檢測、聲音采集定位、廣角度現(xiàn)場視頻采集、溫濕度檢測、煙霧指數(shù)檢測、自動光控照明、GPS衛(wèi)星定位、電子羅盤定向、Zigbee協(xié)議無線組網(wǎng)通信、上位機遠程控制、手持式終端操控、運輸?shù)裙δ埽褂昧俗钚碌腘ios II軟核控制技術(shù)，定位精度較高、功能完善。
