蛇形機(jī)器人生命探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鮑天哲 鄭源飛 吳湘華

中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長沙 410075

引言

蛇形機(jī)器人具有穩(wěn)定性好、橫截面積小、適應(yīng)地形能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以翻越障礙，甚至實(shí)現(xiàn)水陸兩棲的自由運(yùn)動(dòng)[1]。若配之以合適的人體生命探測器，將在搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事偵察等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前世界上較為成熟的生命探測技術(shù)主要有音頻探測、視頻探測、紅外探測、雷達(dá)式探測、氣敏探測等，可以在不同環(huán)境下利用人體不同的生理特征成功地探測生命。但現(xiàn)有的技術(shù)和產(chǎn)品過度追求信號的穿透性能和高精度的定位，往往電路復(fù)雜、體積過大，需救援人員手持操作，無法應(yīng)用于蛇形機(jī)器人。而后者也因?yàn)樾∏伸`活，可以通過縫隙、鉆入廢墟，最大程度上接近被困人員，所以對其探測性能的要求可適當(dāng)降低。

基于此，我們設(shè)計(jì)了一種適用于蛇形機(jī)器人的生命探測系統(tǒng)，主要由改進(jìn)的微型熱釋電紅外傳感器、三甲胺體液傳感器和相應(yīng)處理電路組成。熱釋電傳感器適用于常溫環(huán)境，而體液傳感器在溫度較高時(shí)效果明顯，二者的配合使用，蛇形生命探測器抵抗溫度干擾的能力可得到較大提高。

1 熱釋電紅外傳感器基于蛇形體的設(shè)計(jì)

熱釋電紅外傳感器又稱為人體運(yùn)動(dòng)傳感器，它利用鐵鈦酸鉛汞陶瓷等材料的熱釋電效應(yīng)檢測區(qū)域內(nèi)移動(dòng)的人體，具有體積微小（2·1mm）、靈敏度高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，是比較適合蛇形機(jī)器人的一類傳感器。其內(nèi)部主要構(gòu)造為：光學(xué)濾鏡、場效應(yīng)管、熱釋電元件、偏置電阻等元器件。其中光學(xué)濾鏡的主要作用是只允許波長在7.5mm～14mm范圍內(nèi)的紅外線通過，而將太陽光及其他輻射濾掉。由于人的正常體溫為36℃～37℃，根據(jù)維恩位移定律：

λm·T=2989(μm·k)（λm-最大波長，T-絕對溫度）

可知，其輻射的紅外波長峰值為9μm～10μm，恰好在在濾光片的響應(yīng)波長的中心處，故熱釋電人體紅外傳感器只對近似人體體溫的動(dòng)物有敏感作用。當(dāng)無人體移動(dòng)時(shí),熱釋電紅外感應(yīng)

器感應(yīng)到的只是背景溫度；當(dāng)有人體進(jìn)入探測區(qū)域并移動(dòng)時(shí)，兩片熱釋電元件通過菲涅爾透鏡的聚焦吸收人體紅外輻射，并利用角度不同而接收到熱量不同的原理，感應(yīng)到人體溫度與背景溫度的差異，經(jīng)處理后輸出電壓信號。[2]常用的處理電路是BISS0001芯片組成的典型應(yīng)用電路[3]，可將熱釋電元件輸出的脈沖形式的信號電壓經(jīng)處理為規(guī)范的高低電平信號。

但被動(dòng)式熱釋電傳感器有其明顯的缺點(diǎn)：1）人體靜止時(shí)，熱釋電元件的兩個(gè)受光電極同時(shí)受到紅外線照射，輸出電壓相互抵消，無法探測靜止人體；2）當(dāng)環(huán)境溫度與人體溫度接近時(shí)，傳感器的靈敏度大大降低。因此普通的熱釋電傳感器還不能直接應(yīng)用于蛇形機(jī)器人。

針對第一種問題，我們設(shè)計(jì)了一種在常溫環(huán)境下可以探測靜止人體且適用于蛇形機(jī)器人的探測機(jī)構(gòu)，其工作原理為：熱釋電傳感器焊接在一傳動(dòng)軸上，其管腳通過軸內(nèi)的導(dǎo)線與蛇體內(nèi)部的處理電路相連；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)一組錐齒輪輪對，帶動(dòng)傳動(dòng)軸和傳感器沿軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)探測器與靜止人體的相對運(yùn)動(dòng)。其機(jī)構(gòu)原理圖如圖1所示。當(dāng)探測器與前方人體產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)特別是與探測半徑垂直的橫切移動(dòng)時(shí)，傳感器可以敏感的檢測到紅外輻射能量的變化，從而成功的檢測出靜止的人體。

圖1 探測機(jī)構(gòu)原理圖

結(jié)合課題組此前研究的蛇形生命探測器的驅(qū)動(dòng)部分[1]，我們將傳感器的空間排布設(shè)計(jì)為如圖2所示。三個(gè)傳感器及其傳動(dòng)軸在橫截面內(nèi)呈120°角均布，由一個(gè)直流電機(jī)通過齒輪對同時(shí)驅(qū)動(dòng)；傳動(dòng)軸與蛇形體連接處用o型圈密封，可實(shí)現(xiàn)防塵、防水的效果；傳感器傳動(dòng)軸要明顯短于螺旋輪的傳動(dòng)軸，以防受到障礙物的剮蹭破壞。為了減少移動(dòng)時(shí)尤其是水中運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力，此設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于蛇形生命探測器的首位節(jié)，其他節(jié)蛇形體則在其表面焊接有熱釋電傳感器，其排布方式也類似。這樣，蛇形體在廢墟等處移動(dòng)時(shí)，兩側(cè)被困的人體與傳感器產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，使其產(chǎn)生響應(yīng)。

圖2 空間排布示意圖

此外，為了盡可能增大探測范圍，我們對傳統(tǒng)的熱釋電傳感器做了進(jìn)一步改進(jìn)。如圖3所示，球缺狀的菲涅爾透鏡與底座相連，可將探測空間的紅外線有效地集中到傳感器上；三個(gè)紅外探頭焊接在底座上，其投影在底座平面呈120°角均布。參閱已有的研究成果可知，通過細(xì)化透鏡的感應(yīng)區(qū)段，即采用多敏感元，可大幅提高透鏡的分辨率，從而減小人體的相對移動(dòng)幅度，[4]進(jìn)一步提高傳感器的性能。

圖3 傳感器實(shí)物示意圖

圖4 蛇形體局部示意圖

2 三甲胺體液傳感器的設(shè)計(jì)

雖然上述設(shè)計(jì)解決了熱釋電傳感器無法探測靜止人體的缺陷，但隨著背景溫度的升高， 溫差隨之減小，傳感器的輸出將下降。[4]當(dāng)環(huán)境溫度與人體體溫接近時(shí)，靈敏度則急劇降低，甚至出現(xiàn)短時(shí)失靈的現(xiàn)象。而此時(shí)，人體體液分泌旺盛，體液所含分子的熱運(yùn)動(dòng)也更為劇烈，設(shè)計(jì)一種對此類分子敏感的傳感器，可以有效解決上述問題。

由生物化學(xué)的知識可知，人體體液中含有少量的三甲胺，這些三甲胺可以由汗液揮發(fā)到空氣中。考慮到只有在大型人畜存在時(shí)，環(huán)境中的三甲胺才能達(dá)到一定濃度，因此可將三甲胺的濃度作為探測信號來判斷是否有人體存在。目前檢測三甲胺的傳感器主要采用半導(dǎo)體金屬氧化物作為敏感元件，例如TiO2、SnO2、ZnO、WO3、Nb2O5、In2O3、Cr2O3及NiO等。此外，為了提高對三甲胺的靈敏度，常加一些貴重金屬等作為敏化劑。[5]

由于此三甲胺傳感器要安裝在蛇形機(jī)器人上，所以要求其具有體積微小、靈敏度高、處理電路簡單等特點(diǎn)，且其探測范圍要涵蓋人體散發(fā)出的三甲胺濃度。為此，在文獻(xiàn)[6]的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提出了一種Ru/TiO2型三甲胺傳感器。其設(shè)計(jì)電路如下所示

圖5 傳感器電路圖

元件RS為傳感元件的氣敏電阻，PL為負(fù)載電阻，Vcc為加熱電壓，VH為回路電壓，UO為輸出電壓，后接有放大、濾波等處理電路。三甲胺生命傳感器安裝在蛇形體中，在蛇體壁上開一個(gè)通風(fēng)口，使得外界氣體導(dǎo)入傳感器并與敏感元件充分接觸。當(dāng)人體散發(fā)的三甲胺與傳感器的氣敏元件反應(yīng)時(shí)，后者阻值改變，引起負(fù)載電阻端電壓變化。由于電壓值隨著負(fù)載電阻的變化是單調(diào)的，所以每一個(gè)電壓值會(huì)對應(yīng)一個(gè)三甲胺濃度值，當(dāng)電壓值達(dá)到與人體散發(fā)的三甲胺濃度對應(yīng)的范圍時(shí)，即可確定有生命存在。經(jīng)檢驗(yàn)，這種Ru/TiO2型三甲胺傳感器元件，能感應(yīng)到濃度為5.0×10-7ppm的三甲胺[6]，可將此傳感元件用在生命探測上。

3 結(jié)語

本文基于對傳統(tǒng)生命探測器的再創(chuàng)新，提出了一種適用于蛇形機(jī)器人的生命探測系統(tǒng)。通過改造熱釋電傳感器，克服了其無法探測靜止人體的缺陷；運(yùn)用三甲胺體液傳感器，可以在高溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)有效的探測。本系統(tǒng)具有微小、穩(wěn)定、靈敏、實(shí)用等特點(diǎn)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)靈活的蛇形機(jī)器人，可以較好的完成人體探測等任務(wù)。此蛇形生命探測器有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，將會(huì)在眾多領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。

[1]鄭源飛，鮑天哲，朱春麗，等.蛇形生命探測器的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].中國科技論文在線精品論文，2012，5(16):1559-1562

[2]王均福，袁紅霞，王景聚.熱釋電紅外傳感器在防入侵方面的研究[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，24(1)：31-34

[3]宋保業(yè).基于BISS0001的熱釋電紅外開關(guān)[J].電子元器件應(yīng)用，2007，(9)7：1-3

[4]馮濤，李新，蔡睿潔，等.熱釋電紅外敏感器的溫差響應(yīng)特性[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2010，(5)：218-220

[5]張忠孝，孟阿蘭，李厚福，張艷臣.測量魚鮮度的三甲胺IN[(CH3)3]半導(dǎo)體金屬氧化物傳感元件的研制[J].傳感器技術(shù)，1995，14(3)：31

[6]張忠孝，耿曼利，李厚福.Ru/TiO2型三甲胺(TMA) 傳感元件的研制[J].傳感器技術(shù)，1996，(2): 27