引入人體紅外釋熱探測的救援機器人感知系統*

陸興華　陳銳俊　池坤丹

(廣東工業大學華立學院　廣州　511325)

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引入人體紅外釋熱探測的救援機器人感知系統*

陸興華陳銳俊池坤丹

(廣東工業大學華立學院廣州511325)

摘要救援機器人通過對人體釋放的熱量進行智能采集和信息感知,執行救援任務。采用嵌入式架構下的人體紅外釋熱探測方法進行智能救援機器人設計,在前期的功能模塊化設計的基礎上,設計救援機器人的人體紅外釋熱探測感知系統。進行了救援機器人對人體的紅外釋熱感知原理分析和系統總體結構設計,基于波束陣列形成算法進行人體紅外釋熱探測算法改進,采用VXI總線模塊技術進行系統的硬件設計。系統測試結果表明,采用該系統進行救援機器人的信息感知,能有效探測到人體紅外釋熱信息,對熱源的感知靈敏度和準確度較高,波束主瓣聚集性能較好,提高機器人準確探測救援目標的能力,將在海上救援等任務中具有較好的應用價值。

關鍵詞機器人; 救援; 紅外探測; 感知系統

A Rescue Robot Perception System with Introduction of Infrared Heat Release Detection in Human Body

LU XinghuaCHEN RuijunCHI Kundan

(Huali College Guangdong University of Technology, Guangzhou511325)

AbstractThe rescue robot implements rescue misson through the collection and information awareness of heat released by human body. In the embedded system, the infrared thermal release detection method of human body is designed, which is based on the functional modular design of the early stage. The infrared thermal sensing principle analysis and system design of the rescue robot are carried out, and the infrared thermal detection algorithm based on beamforming algorithm is improved. The hardware design of the system is carried out by using VXI bus module. System test results show that the system can effectively detect the infrared heat release information of human body, and can improve the accuracy of the beam, and the robot.

Key Wordsrobot, rescue, infrared detection, perception system

Class NumberTP242

1引言

隨著人工智能技術的發展,機器人廣泛應用在遠程探測、目標識別、野外作業、極地探險、礦物勘探以及搶險救援等領域中,機器人是通過植入人工智能控制算法,結合應用需求,模擬人類實現智能作業的機器智能體。救援機器人作為機器人應用的一個重要方向,在遠海救援和野外搜救等領域中具有較好的應用價值,救援機器人通過發射紅外探測信號,采集人體輻射的人臉等機能信息實現搶險搜救,救援機器人將在地震救災和戰場救護等領域中都有重要的應用前景。由于救援機器人是通過對人體釋放的熱量進行智能采集和信息感知,執行救援任務。因此,對救援機器人的信息感知系統設計是整個機器人設計的核心。研究優化的救援機器人的信息感知系統設計方法,在提高救援機器人的信息采集靈敏度,提高搜救能力方面具有重要意義[1~3]。

本文在前期的救援機器人總體設計和功能模塊集成構建的基礎上,采用人體紅外釋熱探測方法,進行救援機器人的信息感知系統設計,信息感知系統相當于機器人的耳眼口鼻,對信息感知的失靈,將嚴重影響機器人的救援效率[4~6],傳統方法中,對救援機器人的信息感知系統設計方法采用視覺特征檢測方法,采用機器視覺分析方法進行救援對象的圖像視覺重構,實現信息采集和感知,該方法在夜間施救或者有障礙物的情況下,救援效果不好[7]。針對這一問題,本文提出一種基于人體紅外釋熱探測的救援機器人感知系統設計方法,首先構建救援機器人感知系統的結構模型,分析設計技術指標和功能模型,然后基于波束陣列形成算法進行人體紅外釋熱探測算法設計,以此為基礎進行感知系統的硬件系統設計,最后通過仿真實驗進行了性能驗證,展示了本文設計的救援機器人感知系統在提高救援目標信息采集能力方面的優越性能,得出有效性結論。

2系統總體結構與紅外釋熱探測算法

2.1救援機器人感知原理和系統總體結構設計

為了實現救援機器人的信息采集和感知,采用紅外熱輻射傳感器進行數據采集,紅外熱輻射傳感器為一個電感式傳感器,電感式傳感器數字信號正交解調包括輸入調諧回路、高頻方法、混頻處理、PWM整流、鑒頻和低頻功放等模塊構成。系統總體結構設計中,采用射頻識別技術獲取救援機器人感知系統的傳感節點的傳感器數據。系統的傳感器板的主要作用是采集ZigBee傳感器的原始數據,電感傳感器需要外部3.8V的電源,通過VXI系統總線高速傳輸數據進行熱輻射數據采集,調理箱可接入電壓信號、綜合壓電傳感器信號進行信號調理。人體熱輻射檢測是采用連續的γ能譜對人體熱輻射進行信號特征提取,實現對人體熱輻射的二維或者三維熱輻射數據識別,各個釋熱射傳感信號采集系統采用四臺計算機,三臺顯示器連接到救援機器人的主控中心,人體熱輻射特征采集中,由于人體熱輻射是DNA結構,在質譜圖中生成的自然伽馬放射性特征序列,在人體熱輻射檢測中,救援機器人通過γ能譜的測定,描述救援機器人的衰變方式為α、β、γ。微觀地講,γ射線是一種高頻電磁輻射,單個人體熱輻射信號通過釋熱傳感器放射出β粒子,通過人體熱輻射檢測,形成自由電子和正離子所組成的離子對,救援機器人的熱量傳感器通過釋放能量為hγ的光量子束縛電脈沖,進行區域搜索,通過區域內人體紅外釋熱探測信息分類,實現人體熱輻射檢測[8~10],救援機器人進行人體紅外人輻射探測實現信息感知的系統結構模型如圖1所示。

圖1　救援機器人熱輻射感知系統結構模型

通過對人體紅外釋熱探測,在機器人的信息采集終端形成一個γ能譜圖,典型的人體熱輻射檢測能譜圖如圖2所示。

圖2　典型的人體紅外熱輻射檢測能譜圖

結合圖2,本文采用閃爍計數器進行人體紅外釋熱的能量統計,陽極收集了電離電子后,基于蓋革-彌勒計數管統計人體紅外釋熱輻射檢測系統的脈沖響應,蓋革-彌勒計數管價格便宜,附屬設備簡單,通過對人體紅外熱輻射過程中的電位變化值進行脈沖探測,蓋革-彌勒計數管脈沖探測器工作原理如圖3所示,其中,人體紅外釋熱輻射的在蓋革-彌勒計數管的陽極收集到的電荷數A的電位是U0,在A點產生一個電壓脈沖,引起計數管放電,形成一個伽馬光子,通過兩個端子與外電路相聯,進行圖譜序列的脈沖檢測,為救援機器人提高信息源。

圖3　蓋革-彌勒計數管脈沖探測器工作原理

在上述系統構建和原理分析的基礎上,得到本文設計的機器人感知系統的技術性能指標描述如下:

電路終端輸出范圍為0V~5V的雙路電壓信號;世人紅外釋放的熱輻射的采樣頻率為100kHz~102.4kHz,采用4通道尋址逐步對人體熱輻射檢測序列進行循環計數;時鐘電路的混疊頻率信號采樣精度為98.%以上。

2.2紅外釋熱探測算法設計

在上述救援機器人的信息感知系統紅外釋熱探測總體結構和原理分析的基礎上,進行紅外釋熱探測算法設計,基于波束陣列形成算法進行人體紅外釋熱探測算法改進,假設救援機器人安裝有M個換能器陣元進行人體紅外釋熱探測,對每個陣元輸出xi(t)分別加權ωi(θ),相鄰陣元間的熱量信息采樣輸出ν(t,θ),即:

(1)

式中,“*”表示復共軛算子。采用角度分辨率進行人體熱量強度辨別,在波束的旁瓣之間進行特征分類,得到第一旁瓣級-13dB,熱輻射探測的主瓣輸出為

ν(t,θ)=ωH(θ)x(t)=xH(t)ω(θ)

(2)

式中,“H”表示復共軛轉置;x(t)和ω(θ)分別為紅外熱輻射的原始向量和加權系數向量,可以表示為

x(t)=[x1(t)x2(t)…xM(t)]T

(3)

ω(θ)=[ω1(θ)ω2(θ)…ωM(θ)]T

(4)

當救援對象的熱源主瓣寬度相對較寬時,人體紅外釋熱探測陣列輸出的功率譜即為需要探測的釋熱信號,可表示為

P(θ)=E[‖ν(t,θ)‖2]=E[ν(t,θ)ν*(t,θ)]

=E[ωH(θ)x(t)xH(t)ω(θ)]

=ωH(θ)E[x(t)xH(t)]ω(θ)=ωH(θ)Rω(θ)

(5)

式中,R為救援機器人進行人體釋熱探測的熱量強度的協方差矩陣,選用不同的加權向量,結合分類脈沖計數器,輸入電流和電壓的脈沖向量,選擇輸入阻抗Za作為人體熱輻射檢測的參數,得到阻抗值Za=Va/Ia,其中,Va和Ia分別是沖擊響應與輸入的探測脈沖信號在光電倍增管內的相位電壓和電流。

3救援機器人感知系統硬件設計與實現

在上述進行救援機器人感知系統的探測算法設計的基礎上,進行系統的硬件設計,基VXI總線模塊技術,采用模塊化集成設計方法,調用函數hpe1432_setTriggerExt,使用外部觸發上升沿觸發進行人體紅外釋熱信息感知系統設計,人體熱輻射檢測的系統硬件設計中,主要包括:RISC式微處理器、人體紅外熱輻射的像素分類設計、波束形成序列恢復模塊設計、A/D模塊設計、D/A模塊設計、人機交互系統設計和數據回放模塊。由機器人感知系統對人體紅外熱輻射檢測系統的技術指標,得到AD最低采樣率為14MHz,采用ADSP21160處理器采樣救援機器人對救援區域的256道數據,即使用8位A/D芯片,設定輸入觸發通道的觸發方式。感知系統的主控模塊設計中,DSP的最低速度應大于25×20=500MHz,數據采集經過濾波后被送到環形RAM緩沖區,將數據轉發給485網絡或者以太網,用DC 5V作為電路板總體供電電源,得到機器人感知系統的主控電路如圖4所示。

圖4　救援機器人感知系統主控電路

主控制器S3C2440與人體熱輻射檢測傳感器網絡連接,基于雙16位MAC和雙40位ALU進行熱量采集,當釋熱量低于閾值時,采用低速A/D將峰值電壓進行量化處理,由于ARM系統模塊的核心是ARM嵌入式微處理器,ARM嵌入式微處理器通過電路板的外端接口電路向AD發送控制指令。采用DAVICOM公司的DM9000進行串口通信,人體熱輻射檢測ARM嵌入式微處理器中的L1指令存儲器包括64KBSRAM,兩個16KB的SRAM組成,在救援機器人的感知系統設計中,傳感器板還必須進行電源輸送。當紅外熱輻射源的輻射計接收到階躍毫米波噪聲信號時,若輻射計輸出的兩個穩態值之間差值為ΔV,輻射計從初始穩態開始變化到86%ΔV所需要的時間。S3C2410內部集成有LCD控制器,人體熱輻射檢測DSP控制電路設計中,要求溫漂小于3ppm/c,最大輸出電流10mA,可以實現600MHz的持續工作。在進行人體紅外釋熱數據采集時,每個采用4通道尋址逐步對人體熱輻射檢測序列進行循環計數,通過循環計數,避免數據采集失真和溫度漂移,從而避免了漏檢。綜上描述,得到本文設計的救援機器人感知系統硬件電路如圖5所示。

圖5　救援機器人感知系統硬件電路

4系統測試與實驗分析

為了驗證本文設計的基于人體紅外釋熱探測的救援機器人感知系統的性能,進行仿真實驗,實驗中采用8Gbytes SCSI硬盤進行人體紅外釋熱數據的信息存儲,使用4通道任意波形發生器作信號源,測試本文設計的救援機器人的感知系統在進行人體紅外釋熱數據的信息同步采集、觸發測試、實時數據記錄方面的性能,進行,首先進行參數設定和感知系統的數據采集設置,得到系統設置界面如圖6所示。

圖6　救援機器人感知系統數據采集參數設定

圖7　救援機器人感知系統接收到人體熱信號的輸出波束圖

參數設定中,采用4通道數據采集形式,人體紅外釋熱探測信號采用線性調頻信號,采樣率為50kHz,救援機器人接收到紅外探測信息的觸發電平為3V,基于上述參數設定結果,實現救援機器人對探測目標區域人體紅外釋熱信號的信息感知,得到輸出的波束圖如圖7所示。

從圖7可見,采用本文設計的系統進行救援機器人的信息感知,能有效探測到人體紅外釋熱信息,對熱源的感知靈敏度較高,波束主瓣聚集性能較好,提高機器人準確探測救援目標的能力。

5結語

救援機器人是通過對人體釋放的熱量進行智能采集和信息感知,執行救援任務。對救援機器人的信息感知系統設計是整個機器人設計的核心。研究優化的救援機器人的信息感知系統設計方法,在提高救援機器人的信息采集靈敏度,提高搜救能力方面具有重要意義。本文設計了基于人體紅外釋熱探測的救援機器人感知系統,基于波束陣列形成算法進行人體紅外釋熱探測算法設計,進行感知系統的硬件系統設計,實驗結果表明,采用本文系統進行救援機器人的目標探測,對探測目標區域人體紅外釋熱信號的信息感知準確度較高,提高機器人準確探測救援目標的能力,具有較好的實用價值,在開展海上救援等救援任務中具有較好的應用前景。

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中圖分類號TP242

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.039

作者簡介:陸興華,男,碩士,講師,研究方向:計算機控制算法、人工智能。陳銳俊,男,研究方向:人工智能。池坤丹,男,研究方向:計算機應用技術。

基金項目:2012廣東省質量工程人才培養實驗區項目(編號:粵教高函[2012]204號);2015年廣東省大學生科技創新培育項目(編號:pdjh2015b0942);2012廣東省質量工程項目“機電綜合技能實訓中心”(編號:粵教高函[2012]204號)資助。

收稿日期:2015年9月12日,修回日期:2015年10月22日