陸空搜救機器人群組監控系統設計

馬一川 丁嘉俊 吳志勇

（南通大學，江蘇 南通226019）

0 前言

近些年，各種自然災害頻發，對人類的生命安全造成了巨大的威脅。例如2008年汶川地震，造成了69 227人遇難，374 643人受傷，17 923人失蹤[1]；2010年玉樹地震造成了2 698人遇難，270人失蹤[2]；2017年，哈維颶風登陸美國得克薩斯州沿岸，共造成83人死亡[3]。

在黃金時間內對被困人員及時進行搜救尤為重要[4]。但由于救援時通信中斷，大量道路損壞，無法快速獲取和傳輸災情信息，造成災情分布和嚴重程度不清，指揮中心無法準確得知被困人員的位置，同時由于交通癱瘓，也給救援人員施救造成了影響。為了解決以上問題，越來越多的搜救機器人投入使用，按救援場所，可以分為陸地救援機器人、空中救援機器人和水下救援機器人。

但對于某些環境復雜，救援難度較高的區域，單一機器人很難完成任務。若通過空中救援機器人和陸地救援機器人的相互配合形成機器人群組，則可以充分發揮不同種類救援機器人的優勢，協同合作，從而達到快速、準確救援的目的。

本文將針對上述需求，研究陸空聯動搜救機器人群組監控系統，通過陸地機器人和空中機器人的互補協作，全面獲取受災現場信息，實現對搜救現場的有效監測與控制。

1 陸空聯動搜救機器人系統設計

陸空聯動搜救機器人是在人工智能背景下，融合光、電、無線通信等技術的產物。通過上位機監控系統全面獲取搜救現場狀況信息，并進行多信息融合分析和三維空間建模，為采取及時高效的救援工作提供依據和指導[5]。如圖1所示，該系統由一臺空中機器人、多臺陸地機器人和遠程監控平臺三大部分組成。

圖1 系統框圖

空中無人機拍攝現場照片，通過無線圖傳將實時圖像傳輸給監控平臺。監控平臺通過圖像處理技術進行目標檢測，如果檢測到目標，則向陸地機器人發出指令，使陸地機器人到達指定目標地點。陸地機器人通過搭載的紅外成像儀器對目標地點搜索，并實時反饋采集信息。

無人機與無人車的控制器讀取搭載的傳感器數據，并通過無線網絡將數據傳送到上位機監控系統，監控系統再根據傳感器數據，建立現場環境模型，指導救援工作的展開，同時監控系統把收集的數據實時保存到MySQL數據庫中，以便后續的研究與查詢[6]。

2 系統功能設計

機器人要完成復雜的救援任務，需要具有工作穩定和設計合理的智能控制系統，實現對運動控制系統、通信系統、傳感器系統和視覺系統進行集中控制，以保障救援機器人具有較強的道路適應能力、穩定的目標識別能力和高速的信息傳輸能力。

2.1 通信模塊設計

本系統的通信主要包括空中機器人與監控系統的無線通信，陸地機器人與監控系統的無線通信。

由于自然災害的影響，基礎通信設施受到一定程度的破壞，再加上災后通信網絡和設施的負荷加大，導致正常通信渠道容易出現中斷。我國的應急通信手段很多，從應用角度來看，有衛星通信、移動電臺、數字集權通信、自組織網絡等。綜合考慮成本與實際情況，本系統采用自組織網絡來通信，具體如下：

（1）針對圖像的發送與接收，本系統采用無線圖傳來實現。

（2）針對監控系統與機器人之間的通信，本系統采用基于WiFi的形式。機器人通過WiFi連接到無線路由器或者電腦熱點上。

隨著物聯網以及5G的蓬勃發展，基于TCP/IP協議的通信方式愈發普及。本文采用ESP8266作為WiFi通信模塊。該芯片集成32位ARM內核，既可以成為類似智能電燈這類物聯網小家具的主控芯片，又可以作為專用于串口轉WiFi的模塊，如圖2所示為ESP8266的原理圖。

圖2 ESP8266原理圖

ESP8266具有TCP透傳模式，即只要ESP8266連接到TCP服務器上，它就可以把串口輸入的數據變為TCP包，向服務器發送，或是接受來自服務器的數據，并通過串口輸出。

配置步驟如下：

（1）設置為客戶端模式AT+CWMODE=1；

（2）加入APAT+CWJAP=WiFi名，WiFi密碼；

（3）重新啟動設備AT+RST；

（4）設置為透傳模式AT+CIPMODE=1；

（5）連接到TCP服務器AT+CIPSTART=“TCP”，服務器IP地址，端口；

（6）開始進行透傳AT+CIPSEND。

監控系統和機器人之間通過ESP8266模塊、路由器實現相互之間的信息交互。

2.2 傳感器數據融合設計

陸地機器人主要搭載了溫度、濕度、光照強度和氣壓傳感器，其中，濕度、溫度、氣壓選用BME680環境傳感器[7]、BME680由于采用MEMS計數，體積小，功耗低，拓展性好；采集光照強度選用BH1750傳感器，其測量范圍廣，分辨率較高。將采集到的數據進行歸類，并使用中值濾波對數據進行處理。

空中機器人主要搭載陀螺儀、加速度儀、磁力計、GPS傳感器，測距雷達等傳感器，用以判斷機器人當前的狀態。陀螺儀、加速度計、磁力計主要用于計算機器人的俯仰角、翻滾角和偏航角，GPS傳感器用于定位機器人所在的經緯度、海拔等[8]，測距雷達用于檢測機器人周圍環境，得到與周圍物體的距離。

2.3 數據存儲功能設計

監控系統需要把接收到的數據進行存儲，當機器人出現故障時，可以通過對數據的處理來分析原因。因此，本課題引用數據庫來管理記錄數據。數據庫是根據數據結構組織、存儲來管理數據的程序。數據庫管理工具通過訪問接口實現數據的存儲和管理。本系統選用MySQL數據庫，其速度快，體積小，成本低，尤其是代碼開源，使用更為方便高效。

監控系統通過SQL語句，把機器人發送的數據存儲到MySQL數據庫中的Data表中。

2.4 目標檢測功能設計

為了能夠達到準確檢測搜救目標，本設計通過無線圖傳把圖像發送至監控系統，監控系統通過目標檢測算法檢測目標，引導陸地機器人到達目標地點。其具體目標檢測流程如圖3所示。首先對輸入的一幀圖片進行灰度化預處理，使用正負樣本生成分類器，然后把處理后的圖片與分類器輸入目標檢測算法中，得出目標在圖片上的位置，最后用矩形框進行標記，完成目標檢測。

圖3 目標檢測流程圖

3 上位機界面設計

監控平臺的開發需要使用高效、快速、調試方便的桌面開發程序。本系統采用最為流行的Electron，使用前端流行的VUE框架加快開發速度，以及Bulma作為CSS框架來降低設計難度。監控系統界面如圖4所示。

圖4 監控系統界面

監控系統界面分為以下4個部分：機器人狀態顯示與控制界面、通信界面、現場環境顯示界面、圖像處理與顯示界面。

3.1 機器人狀態顯示與控制界面設計

為了增強系統的可拓展性，通過使用VUE框架將機器人狀態顯示與控制界面進行封裝，如圖5所示。機器人控制界面主要有4個功能：查看數據、設備的連接與斷開、刪除設備、控制開啟與關閉。

圖5 機器人狀態顯示與控制界面

控制面版上的控件可以自定義，比如按鈕，就可以根據每個機器人的不同，添加不同的按鈕，以實現不同的功能。面板上的虛擬搖桿，也是一個封裝好VUE控件，搖桿距離是0~50 cm，搖桿角度是0°~360°，可以用來控制機器人的移動方向與移動速度。

為了便于管理，研究者給每個機器人進行編號，加上設備名稱與設備說明，可以清晰地分辨出不同的機器人以及它們的功能。監控系統能夠顯示當前機器人的GPS坐標，以便實時追蹤機器人的位置。監控系統會定時發送詢問請求，檢測與機器人之間的通信是否正常。

3.2 現場環境顯示界面設計

監控系統通過對所有在現場的機器人傳來的數據進行篩選與分析，實時顯示出有效的信息，如圖6所示。

圖6 現場環境顯示界面

3.3 圖像顯示界面設計

圖像處理與顯示界面具有開啟、關閉、暫停、播放功能。點擊開啟按鈕，系統開啟攝像頭，并對輸入的視頻進行處理。

系統通過載入不同的分類器，以達到檢測不同物體的功能。圖像的處理與顯示界面如圖7所示，載入前文生成的分類器，完成目標檢測。

圖7 圖像顯示界面

4 結語

本文針對災害現場的搜救任務，研究陸空聯動搜救機器人群組監控系統，通過陸地機器人和飛行器的互補協作，綜合獲取受災現場信息。根據實驗測試，該監控系統能有效進行目標識別和陸空機器人群組的監控。