分布式生命信號探測系統的設計

陳冬梅 馬 翔 施 健 馬少斌 安文宣

（寧夏大學物理電氣信息學院 寧夏 750021）

0 引言

我國是地震災害多發的國家，最大限度地減輕地震災害造成的損失,是我國防震減災工作的重要任務,而如何搜救被壓、被埋人員是地震救援的關鍵。根據相關研究報告，震后第一天內將壓埋人員救出救活率為81%，之后依次遞減，到第五天內救出救活率僅為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、救援機器人的研究成為了熱門課題。本文提出了一種結合了生命探測技術、救援機器人、無線自組網等相關技術的分布式生命探測系統。

1 生命信號探測系統概述

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（或儀器）正是通過探測這些不同形式的波，進而判斷不同生命形式及其所在的具體位置。根據采集和處理信號的不同，生命探測方式可分為音頻、紅外和雷達三種探測方式。

音頻生命探測方式是應用聲波在介質中傳播的原理，采用振動傳感器和微電子處理器，對災害現場進行全方位振動信息收集，并排除周圍環境引起的噪音干擾波，快速判定被困人員位置。

正常情況下，物體都會產生紅外輻射，每種物體產生的紅外輻射具有自身的特點。人體產生的紅外輻射與周圍環境產生的紅外輻射是有明顯區別的，紅外生命探測方法就是利用這一點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，然后利用光學系統將采集到的能量聚焦在紅外傳感器上，紅外信號轉變成電信號后進行數據分析處理，最后，處理結果經過圖像合成，再經顯示器輸出紅外熱像圖，進而給搜救隊員指出被困人員的大致位置。

2 系統總體設計

分布式生命信號探測系統是為災難救援而設計的機器人系統，其任務是在地震后的廢墟中搜索幸存者。為了實現災難現場的分布式救援，本系統采用物聯網技術在救援現場構建起一個分布式無線自組網絡，系統總體結構如圖1所示。

2.1 遠程信息交互PC

本系統中自組網和無線網絡共同構成遠程信息交互系統，遠程PC主要功能是通過無線網絡訪問救援現場，如對救援現場傳回的圖像、數據進行共享及分析，方便救援人員做出及時準確的判斷；遠程PC也可實現對現場主載體機器人的指引和控制。

圖1 系統總體設計框圖

2.2 主載體機器人

主載體機器人（以下簡稱機器人）可以裝載分布探測小車節點進行移動，同時其自身還具有比分布式探測小車更強的救援功能。機器人主要安裝了如下設備或軟件： 底層控制子系統、圖像采集子系統、環境信息采集子系統、無線收發子系統。

2.3 現場嵌入式計算機

現場嵌入式計算機的功能是在救援現場對現場主控節點匯總的數據進行整合運算處理，將數據壓縮并通過無線網絡傳輸給遠程的PC系統或其它終端，供遠方的人員進行分析。此平臺采用CORTEX A8DB開發板。

2.4 主控節點

主控節點主要用來實現節點數據的收集、主控節點數據的發送對子節點有最基本的控制，子節點通過主控節點實現分布式自組網的建立，并在此基礎上，進行更大面積的互聯。2.5分布式探測小車節點

分布式探測小車，是一個體積小，功能較為全面的分布式探測節點，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，可以到達人工無法到達的縫隙及危險地帶，能較為準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點。

3 主載體機器人主要功能設計

3.1 控制系統設計

機器人控制系統總體設計如圖2所示。機器人上安裝凌動N270處理器，用于傳感器信息采集處理、發送傳感器數據、接收控制信號、給底層控制板發送控制信號、繪制環境地圖、接收轉發攝像頭圖像等。

遠程操控PC機與車載凌動N270平臺通過無線網卡和無線路由器組成局域網，控制信號和傳感器數據通過該無線網絡進行傳輸。

圖2 機器人控制系統總體設計圖

3.2 運動控制系統設計

根據機器人機械結構設計，其運動控制系統要求：

(1)控制機器人行進的兩個電機正反轉和調速；

(2)控制推桿電機的伸展和收縮；

(3)機械臂第一自由度的電機正反轉和調速；

(4)機械臂上其他三個自由度上的舵機轉角。

電機控制由凌動N270處理器、AVR單片機和電機驅動電路完成；舵機控制由凌動N270處理器、AVR單片機和接口電路完成，運動控制系統框圖如圖3所示。

圖3 運動控制系統框圖

3.3 機器人信息獲取及傳輸

（1）云臺攝像頭

救援機器人需要搜尋被困者,因此,機器人上需要裝備高分辨率可光學變焦的云臺攝像機,可以由操作人員遠程控制云臺攝像機的運動。

（2）普通攝像頭

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

由于這兩個攝像頭固定在機器人上，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N270平臺連接。

（3）超聲波測距

機器人為獲得環境地圖，首先需要獲得其與周圍障礙物的距離，鑒于激光測距儀價格昂貴，本系統采用超聲波測距模塊URF04。

本模塊性能穩定，測量距離準確，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（2cm）超近。

（4）信息傳輸

3個攝像頭獲取的圖像、測距模塊信息、電子羅盤信息通過凌動N270平臺處理后，遠程計算機通過無線網絡查看凌動N270平臺上獲取的圖像及信息，并通過無線網絡發送控制指令給凌動N270平臺。

遠程計算機和機器人上的凌動N270平臺各安裝一塊TLWN322G+ 54M無線USB網卡，它們之間通過TP-LINK公司生產的TL-WR741N150M無線寬帶路由器組成無線局域網。該網絡采用IEEE 802.11g協議，傳輸距離室內最遠100米，室外最遠300米。把無線路由器置于操控臺和機器人之間的高處,使無線路由器和兩塊無線網卡之間的障礙物盡可能少,充分利用了無線網絡的覆蓋區域,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得更遠。

3.4 上位機控制軟件設計

3.4.1 控制軟件設計

控制軟件安裝在機器人上的凌動N270平臺中，遠程計算機通過訪問凌動N270平臺來控制機器人的運動及信息處理。軟件功能包括攝像頭圖像獲取、運動控制、攝像頭云臺控制、傳感器數據處理、繪制環境地圖等功能。機器人控制軟件界面如圖4所示。

圖4 機器人控制軟件界面

3.4.2 地圖繪制的實現

機器人進入救援現場后需要繪制現場地圖，地圖內的信息主要包括幸存者、障礙物、通道等。本系統引入了GeoTiff格式進行地圖存儲，這是一種標準的地圖格式，在地理信息系統和遙感影像的處理和應用中，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行有效的存儲，因此GeoTiff作為TIFF的一種擴展得到了廣泛應用。

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文件的基礎上，這樣就簡化了代碼，提高了開發效率。

4 結語

生命探測系統在災害救援中發揮著至關重要的作用，它可以為救援人員探測人力無法到達的區域是否還有人員被困，從而幫助搜救人員迅速、準確、安全地發現幸存者，為營救工作爭取寶貴的時間。本文提出的分布式生命信號探測系統，為救援機器人平臺技術提出了一種新的思路，具有較好的應用前景。

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