救援機(jī)器人的多傳感器測(cè)控系統(tǒng)

文/趙麗

國(guó)家和社會(huì)在快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)在不斷進(jìn)步，對(duì)于各種災(zāi)難的救援工作也進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)始使用救援機(jī)器人進(jìn)入一些危險(xiǎn)復(fù)雜災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施救援，進(jìn)而解決了傳統(tǒng)救援搜救時(shí)間緊張、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)幸存和救援人員生命安全不能保障等問(wèn)題。救援機(jī)器人是可以自主移動(dòng)的智能機(jī)器人，能代替人員對(duì)危險(xiǎn)復(fù)雜的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察、檢測(cè)、處理突發(fā)事件等活動(dòng)，提高了救援效率，減少了人員傷亡。在救援時(shí)會(huì)把現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際信息反饋給救援中心，使其以最快速度了解災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)具體情況，進(jìn)行合理判斷，并更好的實(shí)施救援安排，救援時(shí)間減少了，也降低了人員傷亡，并降低了經(jīng)濟(jì)損失。

1 救援機(jī)器人傳感檢測(cè)平臺(tái)

救援機(jī)器人進(jìn)行工作時(shí)，要進(jìn)入相應(yīng)救援現(xiàn)場(chǎng)，環(huán)境具有不確定和復(fù)雜性，因此要設(shè)計(jì)和搭建穩(wěn)定的硬件平臺(tái)是其工作的重點(diǎn)。而機(jī)器人硬件平臺(tái)重要部分濟(jì)源市傳感器平臺(tái)的設(shè)計(jì)。傳感器系統(tǒng)是機(jī)器人的感覺(jué)器官，幾乎所有機(jī)器人當(dāng)中都有傳感器，讓機(jī)器人把自身所需信息輸入系統(tǒng)，由傳感器控制其感知系統(tǒng)。機(jī)器人進(jìn)行環(huán)境和自身情況感知，都是由傳感器就那些探測(cè)方式實(shí)現(xiàn)的。救援工作環(huán)境復(fù)雜、具有局限性，機(jī)器人本身有不確定狀態(tài)等，需要使用多各種傳感器對(duì)各種信息情況測(cè)控，比如測(cè)溫度、測(cè)距離、探測(cè)生命氣息、氣體感知等。應(yīng)用多傳感器可以在同一時(shí)間提供環(huán)境中的補(bǔ)充、冗余等各種信息，方便救援中心人員的判斷和指揮。

1.1 測(cè)距傳感器

距離的移動(dòng)是機(jī)器人各種活動(dòng)的基礎(chǔ)，對(duì)導(dǎo)航、避障、定位、路徑規(guī)劃等都有重要作用，能確保機(jī)器人有效完成任務(wù)。通常情況下，救援機(jī)器人進(jìn)行測(cè)量距離是應(yīng)用超聲波、紅外、激光等傳感器，其中的超聲波音信息處理簡(jiǎn)單、價(jià)格低，并且具有實(shí)時(shí)性，進(jìn)而被廣泛應(yīng)用。因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以不容易被外界環(huán)境影響，比如電磁、煙霧、光線等。救援機(jī)器人如果裝載單一的傳感器，會(huì)產(chǎn)生缺陷，多種傳感器實(shí)施準(zhǔn)確配合，能克服單一傳感器的缺陷。比如利用紅外和超聲波傳感器設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)距系統(tǒng)，以多個(gè)傳感器補(bǔ)充單一傳感器測(cè)距盲區(qū)。這種機(jī)器人利用了十六個(gè)超聲波傳感器，可以探測(cè)30-300cm范圍障礙物，并應(yīng)用了八個(gè)紅外傳感器，能感知30cm范圍障礙物。應(yīng)用超聲和紅外傳感器作救援機(jī)器人的傳感器，多個(gè)兩類傳感器有效配合，相互補(bǔ)充。

1.2 其他傳感器

在進(jìn)行災(zāi)難救援時(shí)，要有上述兩種重要的傳感器，還要有其他各種類型的傳感器，這些傳感器相互配合進(jìn)行救援現(xiàn)場(chǎng)信息采集及處理，比如探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度、檢測(cè)空氣質(zhì)量等傳感器。溫濕度對(duì)受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)有很大影響，如果溫濕度適合，會(huì)滋生各種細(xì)菌，進(jìn)而對(duì)人體、牲畜等都有影響。災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度通常都不適合人體生存，會(huì)對(duì)人體造成傷害。因此，溫度傳感器對(duì)救援有非常重要的作用。比如，利用高溫?cái)?shù)字溫濕度傳感器，溫度、濕度兩種傳感器相聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)溫濕度的測(cè)控工作。另外，災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境空氣中的氣體含量檢測(cè)對(duì)救援也有重要作用，空氣中的有毒有害氣體的含量會(huì)對(duì)人員生還產(chǎn)生影響，也會(huì)給施救工作帶來(lái)困難。如果災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)有易燃?xì)怏w，濃度相當(dāng)會(huì)發(fā)生爆炸危險(xiǎn)。所以，要科學(xué)合理的設(shè)計(jì)空氣質(zhì)量檢測(cè)傳感器，對(duì)空氣中各種氣體含量進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，以方便救援工作的開(kāi)展。比如，可以應(yīng)用MQ-2型氣體傳感器進(jìn)行測(cè)控，這是二氧化錫作傳感器的氣敏材料?？諝馇鍧崳趸a導(dǎo)電率很低，在空氣中有可燃、有毒氣體時(shí)，其導(dǎo)電率就會(huì)根據(jù)這些氣體濃度不同而發(fā)生變化，傳感器當(dāng)中連接電路，進(jìn)而可以接受相應(yīng)的氣體濃度信息信號(hào)，這是對(duì)這些氣體比較敏感的傳感器，成本低，很適用于救援機(jī)器人使用。

2 傳感器模塊軟件

傳感器系統(tǒng)的有效正常運(yùn)行需要有相應(yīng)的軟件支持，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)工作。傳感器檢測(cè)模塊中傳感器不同，會(huì)有不同的控制及信號(hào)輸出，超聲測(cè)距及溫濕度傳感器是應(yīng)用軟件程序進(jìn)行控制，輸出具體信息信號(hào)；而其他傳感器輸出的是電平變化報(bào)警信號(hào)。接著分析超聲測(cè)距及溫濕度傳感器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

2.1 超聲波測(cè)距程序

這種測(cè)距程序是應(yīng)用超聲波傳感器進(jìn)行距離的測(cè)試，經(jīng)常應(yīng)用的是渡越時(shí)間法。其原理是電效應(yīng)，實(shí)施電能和超聲波的相互轉(zhuǎn)化，就是超聲波發(fā)射，電能轉(zhuǎn)換成聲波進(jìn)，接收回波時(shí)，相應(yīng)的超聲震動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這個(gè)過(guò)程有接收器和發(fā)送器，并可以做到同時(shí)發(fā)送、接收聲波。這就是渡越時(shí)間法，是超聲測(cè)距廣泛應(yīng)用的方法。這是把超聲波傳播時(shí)間和速度進(jìn)行相乘，得到超聲波往返距離，是傳感器到障礙物兩倍的距離。根據(jù)這個(gè)測(cè)距原理，進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)距流程設(shè)計(jì)。通常都是應(yīng)用C語(yǔ)言實(shí)施程序設(shè)計(jì)，超聲波測(cè)距流程圖如圖1。

圖1：超聲波測(cè)距流程圖

2.2 溫濕度傳感器程序

溫濕度傳感器要求性價(jià)比高、耗能低、抗干擾強(qiáng)、響應(yīng)快，并可以在直接是傳感器直接和引線相連，不需要其他部件，傳感器損壞時(shí)，方便更換。結(jié)合溫濕度傳感器測(cè)量原理，進(jìn)行設(shè)計(jì)溫濕度傳感器程序。如圖2。

圖2：溫濕度傳感器測(cè)量流程圖

3 多傳感器信息融合

進(jìn)行多傳感器信息的融合是把多個(gè)傳感器進(jìn)收集的信息數(shù)據(jù)利用相應(yīng)處理，進(jìn)而得到精度高的信息。救援機(jī)器人利用多傳感器信息融合技術(shù)，能更好的提高信息數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)而進(jìn)行準(zhǔn)確決策，可以使災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)控制中心人員及時(shí)準(zhǔn)確得到現(xiàn)場(chǎng)情況，使救援效率大大提高。

3.1 信息融合

傳感器具體的應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)遇到各種不同環(huán)境，信息融合法結(jié)合不同處理形式分為不同結(jié)構(gòu)模型，分別是集中方式、分布方式、混合方式等。三種模型結(jié)構(gòu)不同，也有不同的特點(diǎn)，分布方式具有更好的優(yōu)勢(shì)，具有很低的造價(jià)，具有很好的擴(kuò)充性，并且對(duì)通信帶寬要求不高，融合處理比較容易。所以，經(jīng)常應(yīng)用的是分布方式的結(jié)構(gòu)模型。

3.2 信息融合方式分類

多傳感器控制系統(tǒng)進(jìn)行相互融合的傳感器有很多種，根據(jù)相互融合的方法分為傳統(tǒng)和智能兩類。首先，傳統(tǒng)類。這種方法有加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、貝葉斯估計(jì)法、D-S證據(jù)推理法、產(chǎn)生式規(guī)則等不同方法，這些方法都可以進(jìn)行多個(gè)傳感器信息融合，可是不具有智能性。其次，智能類。相應(yīng)的智能類是隨著科學(xué)信息技術(shù)的發(fā)展開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的方法。有模糊邏輯推理方法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。其中的模糊邏輯推理法是是對(duì)數(shù)據(jù)信息使用0到1間的一個(gè)小數(shù)進(jìn)行表示，在應(yīng)用多個(gè)傳感器實(shí)施相應(yīng)測(cè)量時(shí)，能對(duì)不同類型傳感器不融合進(jìn)行防止和避免。這是決策級(jí)別的融合法。而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法當(dāng)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有多傳感器系統(tǒng)類似的結(jié)構(gòu)，輸入輸出路徑有多個(gè)，因此，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更容易進(jìn)行信息融合法有更大優(yōu)勢(shì)。它是應(yīng)用權(quán)值分布合理表述傳感器數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)系統(tǒng)接受樣本相似性進(jìn)行確定的。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，救援機(jī)器人的多傳感器測(cè)控系統(tǒng)是災(zāi)害救援的重要設(shè)備和機(jī)器，對(duì)進(jìn)行災(zāi)難的復(fù)雜環(huán)境中人員物質(zhì)等有效救助救援有積極作用。文章對(duì)救援機(jī)器人的多個(gè)傳感器測(cè)控平臺(tái)、控制支持模塊軟件、多種信息融合等方面進(jìn)行了介紹和分析，明確救援機(jī)器人的多傳感器的測(cè)控作用和優(yōu)勢(shì)，了解其順利實(shí)施災(zāi)難救助救援的方法。