基于STM32的災難現場搜救機器人研制

陳少華,沈巍,徐金鈺,呂閃

(大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028)*

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基于STM32的災難現場搜救機器人研制

陳少華,沈巍,徐金鈺,呂閃

(大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028)*

針對礦難、地震等突發災難發生時的惡劣現場環境，提出并設計了一款能夠適應各種復雜地形，信息傳輸能力強，功能全面的搜救機器人.基本思路將機器人設計為動力部分、功能部分、控制及通信部分.該系統采用蟻群算法計算出最佳搜救路徑，使救援更加高效，采用2.4G ZigBee無線傳感器技術進行數據傳輸和信息記錄，大大提高了信息的準確性和安全性，結合多種搜救傳感器的方式完成 “現場環境探測 ”、 “幸存生命體搜索 ”、 “人員救助救援 ”等功能，該系統可以針對不同應用場合，對功能進行個性化編輯，從而實現一種移動系統多種應用場合的用途.

最佳路徑；ZigBee；智能搜救；個性化編輯

0　引言

近年來，我國的礦業、石油天然氣業等化工基礎產業有了飛速的發展和進步，隨之而來的易燃易爆以及具有放射性的有、有害物品在生產和運輸過程中產生的災難事故急速增長.由于我國在危險、易燃、易爆品儲藏和運輸的法律法規不健全，事故災難等救助制度不完善且設備管理等各方面均落后于發達國家，一旦災難發生，救護人員一般無法進入危險區域，而且救災周期長，效率低下，傷亡慘重.

本文設計的災難現場搜救機器人可以很好地解決上述問題.本文設計的災難現場搜救機器人采用優化后的蟻群算法作為控制策略，提高了搜索的效率，減少了人員的傷亡，且本系統采用ZigBee無線傳感器技術，將機器人搜集到的信息經過MCU挑選和篩檢之后準確、及時無誤的傳輸到指揮平臺，并且本系統嵌入了FATFS文本操作系統能夠高效有序的將有用信息存儲；本系統獨特的四輪驅動裝置，為機器人提供了強大的動力，能夠適應災難現場復雜的地形；機器人攜帶了具有高度靈活性的四自由度的機械手，可以搬運質量較小的物品和對災難現場經行取土采樣等功能.近年來,大型災難事故高發，為了滿足搜救工作的需要,國內外許多研究機構和政府部門做了大量的研究工作,研制了可以在環境惡劣的廢墟中搜尋的各類型搜救機器人如仿生蛇形機器人等[1].

1　搜救機器人硬件設計

1.1系統硬件整體設計

本系統具有超強越障能力、功能強大、體積小、功耗低等特點，可快速定位被困人員所處區域，及時反饋被困人員的生存狀態以及現場環境狀況.本系統由MCU控制核心模塊、動力驅動模塊、環境監測模塊等八個系統模塊有機的組成.圖1為系統整體硬件設計的結構總圖.

圖1　機器人整體硬件設計的結構總圖

1.2系統控制核心模塊設計

該機器人選用STM32作為控制核心部件，該MCU是意法半導體公司生產的32位高性能、低功耗、低成本的增強型系列單片機，能夠滿足用戶對高性能、低功耗和經濟實用的要求.

1.3搜救機器人外圍硬件電路設計

(1)環境探測傳感器該傳感器包括氣體檢測和環境溫濕度傳感器，可以檢測甲烷、丁烷、丙烷、煙霧等可燃性氣體，且不僅能輸出TTL電平信號，而且能輸出AD模擬信號.

(2)生物探測傳感器生物探測傳感器包括生命體紅外測部分和無線WIFI視頻傳輸部分，紅外探測部分采用紅外熱釋電處理芯片BISS0001.無線WIFI視頻傳輸部分采用紅外攝像頭和WIFI無線路由器為一體的裝置，其能夠將災難現場環境狀況或者人員被困位置及時反饋到搜救中心.

2　系統軟件設計與流程設計

2.1搜救路徑蟻群算法的優化

傳統的蟻群算法具有較其他算法更具有魯棒性，但是計算效率低下，程序算法較繁瑣且易出現局部最優解，所以本系統采用優化的蟻群算法作為機器人的搜救路徑控制算法.

(1)

經過概率和比例函數的組合優化后，使各條路徑上的信息量趨于平衡，從而避免陷入局部最優的狀況[2-8].

2.2搜救機器人程序流程圖

圖2，圖3為搜救機器人在自主搜索模式下和人工管理情況下的程序流程圖.

圖2　搜救機器人在自主搜索模式下的程序流程圖

圖3　人工管理模式下的程序流程圖

3　系統測試與誤差分析

在搜救機器人制作期間，多次對搜救機器人的樣機進行了現場實驗，以驗證提高技術的實用性及環境適應能力.在測試現場，模擬了災難現場的真實工作環境，分別對搜救機器人人機交互性能、人機協作控制性能、操作人員使用性能、機器人自主能力、越障能力、環境感知系統、通信系統等關鍵技術進行了測試驗證.

(1)避障測距實驗本系統的設計的超聲波避障傳感器的測量范圍是0.07～ 1.00 m，測量精度設置為1cm，測量距離時保證傳感器與被測物體無直接接觸，通過OLED液晶顯示屏將測量數據清晰、穩定的顯示.利用本系統設計的超聲波傳感器模塊進行實際測量的結果如圖4所示，可以得出在測量范圍內,測量的誤差基本滿足要求.

圖4　系統測量實驗結果

誤差主要來自：發射與接收間的時間對測量精度的影響、測量環境對測量精度的影響和超聲波波束與探測目標的入射角對測量精確度的影響.

(2)通信性能的實驗整個系統測試由發射電路和接收電路構成,其中接受電路與PC機相連,用串口助手窗口觀察接收到的數據是否與發送數據一致.由于災難現場的無線通信環境的未知性和不確定性導致同種無線通信模塊的傳輸性能也不盡相同，所以我們選擇了不同的實驗場地來進行數據傳輸實驗.實驗結果顯示現場帶電煙塵顆粒、高建筑物以及外界無線電干擾等因素會對本系統的無線通信模塊產生一定的影響，信號傳輸距離衰減15%左右.

(3)機械手臂的實驗由于機械手臂采用模擬舵機控制，具有一定的回程差和溫飄，角度誤差一般在2左右， 但是由于控制精度誤差在系統允許的范

圍內，所以可滿足要求.

4　結論

本文設計的多功能災難現場搜救機器人是“人工介入-自主搜索”相結合的智能搜救系統，不同環境下可以任意切換，大大提高了機器人的實用性，并且采用優化型蟻群算法規劃搜救路徑為搜救幸存者，勘探災難現場情況節約了時間.強大的驅動和轉向機構，保證了機器人能夠使用各種復雜環境.本文研究的智能搜救機器人系統在消防探測、排爆、地震、泥石流、臺風、礦難等災難后的搜救探測有著廣泛的應用價值.

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[2]楊志曉,郭勝國.基于改進蟻群算法的機器人路徑規劃算法[J]. 微計算機信息,2008(24)：211-214.

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Design and Research of Disaster Scene Search and Rescue Robot based on STM32

CHEN Shaohua, SHEN Wei, XU Jinyu, LV Shan

(School of Electronics and Information Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Aiming at the sudden disasters such as earthquake harsh field environment, a search-and-rescue robot is designed with strong ability to adapt to the complex terrain and surmount obstacles and comprehensive functions to search and rescue in order to improve the efficiency. The basic idea of designing the robot consists power part, function part, control and communication part. The system uses ant colony algorithm to calculate the best search path, so that the rescue can be more efficient. The ZigBee 2.4G wireless sensor technology for data transmission and information record is used, and the accuracy and security of information is greatly improved. Combined with a variety of search and rescue sensors to complete the "environment detection," "Life Search," "rescue" and other functions, the system can be used for different applications to achieve a variety of mobile applications.

best path; ZigBee; intelligent search and rescue; personalized editing

1673- 9590(2016)05- 0113- 03

2016- 04- 10

遼寧省博士科研啟動基金資助項目(20141108)

陳少華(1979-),男,副教授,博士，主要從事嵌入式控制和寬帶無線通信技術的研究

A

E- mail:dl_chenshaohua@163.com.