分布式生命信號探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳冬梅 馬 翔 施 健 馬少斌 安文宣

（寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院 寧夏 750021）

0 引言

我國是地震災(zāi)害多發(fā)的國家，最大限度地減輕地震災(zāi)害造成的損失,是我國防震減災(zāi)工作的重要任務(wù),而如何搜救被壓、被埋人員是地震救援的關(guān)鍵。根據(jù)相關(guān)研究報(bào)告，震后第一天內(nèi)將壓埋人員救出救活率為81%，之后依次遞減，到第五天內(nèi)救出救活率僅為7.4%，再往后救活的希望就更渺茫了。因此，各種生命探測技術(shù)、救援機(jī)器人的研究成為了熱門課題。本文提出了一種結(jié)合了生命探測技術(shù)、救援機(jī)器人、無線自組網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)的分布式生命探測系統(tǒng)。

1 生命信號探測系統(tǒng)概述

生命體中存在許多種可被外界感知的生命信號，這些信號通常以特定能量形式出現(xiàn)在人體外部，如聲音信號、紅外信號、光信號以及電磁信號等。這些頻率不同的信號會以波的形式向外傳播，生命探測系統(tǒng)（或儀器）正是通過探測這些不同形式的波，進(jìn)而判斷不同生命形式及其所在的具體位置。根據(jù)采集和處理信號的不同，生命探測方式可分為音頻、紅外和雷達(dá)三種探測方式。

音頻生命探測方式是應(yīng)用聲波在介質(zhì)中傳播的原理，采用振動(dòng)傳感器和微電子處理器，對災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行全方位振動(dòng)信息收集，并排除周圍環(huán)境引起的噪音干擾波，快速判定被困人員位置。

正常情況下，物體都會產(chǎn)生紅外輻射，每種物體產(chǎn)生的紅外輻射具有自身的特點(diǎn)。人體產(chǎn)生的紅外輻射與周圍環(huán)境產(chǎn)生的紅外輻射是有明顯區(qū)別的，紅外生命探測方法就是利用這一點(diǎn)來探測生命體的存在。其探測方法是通過熱紅外探頭采集被困人員的身體熱輻射能量，然后利用光學(xué)系統(tǒng)將采集到的能量聚焦在紅外傳感器上，紅外信號轉(zhuǎn)變成電信號后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，最后，處理結(jié)果經(jīng)過圖像合成，再經(jīng)顯示器輸出紅外熱像圖，進(jìn)而給搜救隊(duì)員指出被困人員的大致位置。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

分布式生命信號探測系統(tǒng)是為災(zāi)難救援而設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)，其任務(wù)是在地震后的廢墟中搜索幸存者。為了實(shí)現(xiàn)災(zāi)難現(xiàn)場的分布式救援，本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在救援現(xiàn)場構(gòu)建起一個(gè)分布式無線自組網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 遠(yuǎn)程信息交互PC

本系統(tǒng)中自組網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成遠(yuǎn)程信息交互系統(tǒng)，遠(yuǎn)程PC主要功能是通過無線網(wǎng)絡(luò)訪問救援現(xiàn)場，如對救援現(xiàn)場傳回的圖像、數(shù)據(jù)進(jìn)行共享及分析，方便救援人員做出及時(shí)準(zhǔn)確的判斷；遠(yuǎn)程PC也可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場主載體機(jī)器人的指引和控制。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.2 主載體機(jī)器人

主載體機(jī)器人（以下簡稱機(jī)器人）可以裝載分布探測小車節(jié)點(diǎn)進(jìn)行移動(dòng)，同時(shí)其自身還具有比分布式探測小車更強(qiáng)的救援功能。機(jī)器人主要安裝了如下設(shè)備或軟件： 底層控制子系統(tǒng)、圖像采集子系統(tǒng)、環(huán)境信息采集子系統(tǒng)、無線收發(fā)子系統(tǒng)。

2.3 現(xiàn)場嵌入式計(jì)算機(jī)

現(xiàn)場嵌入式計(jì)算機(jī)的功能是在救援現(xiàn)場對現(xiàn)場主控節(jié)點(diǎn)匯總的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合運(yùn)算處理，將數(shù)據(jù)壓縮并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程的PC系統(tǒng)或其它終端，供遠(yuǎn)方的人員進(jìn)行分析。此平臺采用CORTEX A8DB開發(fā)板。

2.4 主控節(jié)點(diǎn)

主控節(jié)點(diǎn)主要用來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集、主控節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送對子節(jié)點(diǎn)有最基本的控制，子節(jié)點(diǎn)通過主控節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分布式自組網(wǎng)的建立，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行更大面積的互聯(lián)。2.5分布式探測小車節(jié)點(diǎn)

分布式探測小車，是一個(gè)體積小，功能較為全面的分布式探測節(jié)點(diǎn)，其主體加裝攝像頭、紅外線探測儀、傳感器、無線射頻模塊和定位模塊等。因其體積小重量輕，可以到達(dá)人工無法到達(dá)的縫隙及危險(xiǎn)地帶，能較為準(zhǔn)確地定位受困人員的位置，并將采集到的信息傳送至主控節(jié)點(diǎn)。

3 主載體機(jī)器人主要功能設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。機(jī)器人上安裝凌動(dòng)N270處理器，用于傳感器信息采集處理、發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)、接收控制信號、給底層控制板發(fā)送控制信號、繪制環(huán)境地圖、接收轉(zhuǎn)發(fā)攝像頭圖像等。

遠(yuǎn)程操控PC機(jī)與車載凌動(dòng)N270平臺通過無線網(wǎng)卡和無線路由器組成局域網(wǎng)，控制信號和傳感器數(shù)據(jù)通過該無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

圖2 機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

3.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)要求：

(1)控制機(jī)器人行進(jìn)的兩個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速；

(2)控制推桿電機(jī)的伸展和收縮；

(3)機(jī)械臂第一自由度的電機(jī)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速；

(4)機(jī)械臂上其他三個(gè)自由度上的舵機(jī)轉(zhuǎn)角。

電機(jī)控制由凌動(dòng)N270處理器、AVR單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路完成；舵機(jī)控制由凌動(dòng)N270處理器、AVR單片機(jī)和接口電路完成，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

3.3 機(jī)器人信息獲取及傳輸

（1）云臺攝像頭

救援機(jī)器人需要搜尋被困者,因此,機(jī)器人上需要裝備高分辨率可光學(xué)變焦的云臺攝像機(jī),可以由操作人員遠(yuǎn)程控制云臺攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

（2）普通攝像頭

本系統(tǒng)加裝兩個(gè)普通攝像頭，用于反饋機(jī)器人狀態(tài)。其中一個(gè)安裝在機(jī)械臂前端，以獲取機(jī)械臂操作狀況；另一個(gè)安裝在機(jī)器人尾部，觀測機(jī)器人后部信息，用于機(jī)器人倒退避障。

由于這兩個(gè)攝像頭固定在機(jī)器人上，固定觀測圖像，不需要云臺操控，所以采用USB接口的普通攝像頭,通過USB與凌動(dòng)N270平臺連接。

（3）超聲波測距

機(jī)器人為獲得環(huán)境地圖，首先需要獲得其與周圍障礙物的距離，鑒于激光測距儀價(jià)格昂貴，本系統(tǒng)采用超聲波測距模塊URF04。

本模塊性能穩(wěn)定，測量距離準(zhǔn)確，能與國外的SRF05,SRF02等超聲波測距模塊相媲美。模塊精度高，盲區(qū)（2cm）超近。

（4）信息傳輸

3個(gè)攝像頭獲取的圖像、測距模塊信息、電子羅盤信息通過凌動(dòng)N270平臺處理后，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)查看凌動(dòng)N270平臺上獲取的圖像及信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制指令給凌動(dòng)N270平臺。

遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和機(jī)器人上的凌動(dòng)N270平臺各安裝一塊TLWN322G+ 54M無線USB網(wǎng)卡，它們之間通過TP-LINK公司生產(chǎn)的TL-WR741N150M無線寬帶路由器組成無線局域網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)采用IEEE 802.11g協(xié)議，傳輸距離室內(nèi)最遠(yuǎn)100米，室外最遠(yuǎn)300米。把無線路由器置于操控臺和機(jī)器人之間的高處,使無線路由器和兩塊無線網(wǎng)卡之間的障礙物盡可能少,充分利用了無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域,并且盡量減小了無線信號的衰減,使傳感器信息和控制信號能夠傳輸?shù)酶h(yuǎn)。

3.4 上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

3.4.1 控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件安裝在機(jī)器人上的凌動(dòng)N270平臺中，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過訪問凌動(dòng)N270平臺來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及信息處理。軟件功能包括攝像頭圖像獲取、運(yùn)動(dòng)控制、攝像頭云臺控制、傳感器數(shù)據(jù)處理、繪制環(huán)境地圖等功能。機(jī)器人控制軟件界面如圖4所示。

圖4 機(jī)器人控制軟件界面

3.4.2 地圖繪制的實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人進(jìn)入救援現(xiàn)場后需要繪制現(xiàn)場地圖，地圖內(nèi)的信息主要包括幸存者、障礙物、通道等。本系統(tǒng)引入了GeoTiff格式進(jìn)行地圖存儲，這是一種標(biāo)準(zhǔn)的地圖格式，在地理信息系統(tǒng)和遙感影像的處理和應(yīng)用中，柵格影像都包含有各種地理信息，而一般的BMP、JPG、TIFF等圖像存儲格式都不能對各種地理信息進(jìn)行有效的存儲，因此GeoTiff作為TIFF的一種擴(kuò)展得到了廣泛應(yīng)用。

由于 Viusal c#.Net語言支持對TIFF文件的存取，因此，我們對GeoTiff文件的讀取和寫入都是建立在TIFF文件的基礎(chǔ)上，這樣就簡化了代碼，提高了開發(fā)效率。

4 結(jié)語

生命探測系統(tǒng)在災(zāi)害救援中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它可以為救援人員探測人力無法到達(dá)的區(qū)域是否還有人員被困，從而幫助搜救人員迅速、準(zhǔn)確、安全地發(fā)現(xiàn)幸存者，為營救工作爭取寶貴的時(shí)間。本文提出的分布式生命信號探測系統(tǒng)，為救援機(jī)器人平臺技術(shù)提出了一種新的思路，具有較好的應(yīng)用前景。

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