一種基于地震搜救機(jī)器人的人體熱釋紅外檢測引導(dǎo)方案

劉經(jīng)龍，秦 輝，陳潤明

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074

0 引言

目前，地震救援救災(zāi)方式多為人工救援，一般救護(hù)人員無法進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，只能通過提升絞車、移動(dòng)式風(fēng)車等設(shè)備清除垃圾，然后再搜救遇難者。常用的設(shè)備有，生命探測儀是當(dāng)前世界上最先進(jìn)的搜救及檢測儀器，主要通過感應(yīng)人體所發(fā)出的超低頻電波產(chǎn)生的電場（由心臟產(chǎn)生）找出“活人”位置。人體發(fā)出的超低頻電場可穿透鋼筋混凝墻、鋼板、木板、甚至水，因此，只要有生命跡象，不論其是否清醒、昏迷、身陷瓦礫堆或躲在集裝箱中，均可用生命探測儀在最短時(shí)間內(nèi)將其找到。生命探測儀空曠探測范圍可達(dá)500m，可透過80cm厚的普通鋼板，探測到生命。而更加神奇的是，該生命探測儀只探測到人的生命，對(duì)其他動(dòng)物的生命不起作用，具有很強(qiáng)的針對(duì)性。幸存者埋在瓦礫堆中，用手去一點(diǎn)點(diǎn)地挖開瓦礫顯然太慢，用重型機(jī)械去移動(dòng)又有可能傷著人。各種搜索儀器可以幫上忙。“蛇眼”就是一種搜索儀器，它的學(xué)名叫“光學(xué)生命探測儀”，是利用光反射進(jìn)行生命探測的。儀器的主體非常柔韌，像通下水道用的蛇皮管，能在瓦礫堆中自由扭動(dòng)。儀器前面有細(xì)小的探頭，可深入極微小的縫隙探測，類似攝像儀器，將信息傳送回來，救援隊(duì)員利用觀察器就可以把瓦礫深處的情況看得清清楚楚。很多博物館和超市用的防盜裝置就是這種光學(xué)探頭加觀察器的儀器。這種方式救災(zāi)周期長，危險(xiǎn)性大，傷亡人數(shù)多，往往效率低，延誤了救援的最佳時(shí)機(jī)，同時(shí)對(duì)救援人員自身的生命安全造成了極大的威脅，研究一種地震救援新裝備，用機(jī)器代替人力是項(xiàng)非常緊迫的任務(wù)，本文針對(duì)引導(dǎo)地震搜救機(jī)器人進(jìn)行搜救行動(dòng)提出一種人體熱釋紅外檢測引導(dǎo)方案。

1 硬件設(shè)計(jì)

紅外探測器采用熱釋電元件，對(duì)人體輻射出的10um左右波長的紅外輻射非常敏感。傳感器在接收到人體發(fā)出的紅外輻射后，熱釋電元件就會(huì)向外釋放電荷，經(jīng)紅外傳感信號(hào)處理器處理后輸出高電平。

熱釋紅外探測器的電路如圖1所示。

圖1 熱釋紅外探測器

BISS0001為紅外傳感信號(hào)處理器，由運(yùn)算放大器、電壓比較器和狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器、封鎖時(shí)間定時(shí)器及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路，可廣泛應(yīng)用于多種傳感器和延時(shí)控制器。其引腳說明如下：

VDD為工作電源正端。范圍為 3V～5V；

VSS為工作電源負(fù)端。一般接 0V；

IB為運(yùn)算放大器偏置電流設(shè)置端。經(jīng) R B 接 V SS 端， R B 取值為 1M Ω 左右 ；

11N–為第一級(jí)運(yùn)放放大器的反相輸入端；

11N+為第一級(jí)運(yùn)放放大器的同相輸入端；

1OUT為第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端；

2IN為第二級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸出端；

2OUT為第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端；

VC為觸發(fā)禁止端。當(dāng) VC＜VR 時(shí)禁止觸發(fā)；當(dāng)VC＞VR時(shí)允許觸發(fā)。VR≈ 0.2VDD ；

VRF為參考電壓及復(fù)位輸入端。一般接 VDD 。接“0”時(shí)可使定時(shí)器復(fù)位；

A為可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)控制端。當(dāng) A= “1”時(shí)，允許重復(fù)觸發(fā)，當(dāng) A=“0”時(shí)不可重復(fù)觸發(fā)；

VO為控制信號(hào)輸出端。由 Vs 上跳邊沿觸發(fā)使 Vo 從低電平跳變到高電平時(shí)為有效觸發(fā)。在輸出延時(shí)間 Tx 之外和無 Vs 上跳變時(shí) Vo 為低電平狀態(tài)；

RR1 RC1 為 輸出延遲時(shí)間 Tx 的調(diào)節(jié)端。 Tx ≈ 49152R1C1 ；

RR2 RC2 為 觸發(fā)封銷時(shí)間 Ti 的調(diào)節(jié)端。 Tx ≈ 24R2C2 ；

選取A=“0”，即為不可重復(fù)觸發(fā)方式，當(dāng)傳感器檢測到人體時(shí)，2腳輸出高電平。當(dāng)熱釋紅外探測器檢測到生命信息時(shí)，單片機(jī)會(huì)控制機(jī)器人進(jìn)入中斷，進(jìn)而結(jié)合機(jī)器人系統(tǒng)中的其他定位模塊，確認(rèn)人的具體方位，趨近機(jī)器人車體接近目標(biāo)，再次打開熱釋紅外探測器確認(rèn)是否有遇難者。電路的具體參數(shù)為R1=47K，C1=0.01uF，R2=1K，C2=0.01uF，輸出延遲時(shí)間Tx≈49152R1C1=2.3s，觸發(fā)封銷時(shí)間Ti≈24R2C2=0.24ms。

2 系統(tǒng)工作流程圖

3 結(jié)論

該紅外探測器本身不發(fā)出任何輻射，功耗低，隱蔽性較好且價(jià)格低廉。但人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收且只對(duì)運(yùn)動(dòng)的人體反應(yīng)靈敏，因此，在安裝時(shí)可以將傳感器盡量放在機(jī)器人車體前方安裝的舵機(jī)的軸上，使傳感器跟隨舵機(jī)的軸一起在180°的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就可以保證遇難者始終與熱釋紅外探頭有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為了進(jìn)一步增大搜索角度，也可以機(jī)器人車體后部的兩端也分別安裝兩個(gè)傳感器，保證機(jī)器人可以在運(yùn)動(dòng)過程中搜尋360°的范圍。

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