陸空搜救機(jī)器人群組監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬一川 丁嘉俊 吳志勇

（南通大學(xué)，江蘇 南通226019）

0 前言

近些年，各種自然災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)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(shù)地震造成了2 698人遇難，270人失蹤[2]；2017年，哈維颶風(fēng)登陸美國(guó)得克薩斯州沿岸，共造成83人死亡[3]。

在黃金時(shí)間內(nèi)對(duì)被困人員及時(shí)進(jìn)行搜救尤為重要[4]。但由于救援時(shí)通信中斷，大量道路損壞，無(wú)法快速獲取和傳輸災(zāi)情信息，造成災(zāi)情分布和嚴(yán)重程度不清，指揮中心無(wú)法準(zhǔn)確得知被困人員的位置，同時(shí)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(wèn)題，越來(lái)越多的搜救機(jī)器人投入使用，按救援場(chǎng)所，可以分為陸地救援機(jī)器人、空中救援機(jī)器人和水下救援機(jī)器人。

但對(duì)于某些環(huán)境復(fù)雜，救援難度較高的區(qū)域，單一機(jī)器人很難完成任務(wù)。若通過(guò)空中救援機(jī)器人和陸地救援機(jī)器人的相互配合形成機(jī)器人群組，則可以充分發(fā)揮不同種類救援機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)，協(xié)同合作，從而達(dá)到快速、準(zhǔn)確救援的目的。

本文將針對(duì)上述需求，研究陸空聯(lián)動(dòng)搜救機(jī)器人群組監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)陸地機(jī)器人和空中機(jī)器人的互補(bǔ)協(xié)作，全面獲取受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)搜救現(xiàn)場(chǎng)的有效監(jiān)測(cè)與控制。

1 陸空聯(lián)動(dòng)搜救機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸空聯(lián)動(dòng)搜救機(jī)器人是在人工智能背景下，融合光、電、無(wú)線通信等技術(shù)的產(chǎn)物。通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)全面獲取搜救現(xiàn)場(chǎng)狀況信息，并進(jìn)行多信息融合分析和三維空間建模，為采取及時(shí)高效的救援工作提供依據(jù)和指導(dǎo)[5]。如圖1所示，該系統(tǒng)由一臺(tái)空中機(jī)器人、多臺(tái)陸地機(jī)器人和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)三大部分組成。

圖1 系統(tǒng)框圖

空中無(wú)人機(jī)拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片，通過(guò)無(wú)線圖傳將實(shí)時(shí)圖像傳輸給監(jiān)控平臺(tái)。監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)圖像處理技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，如果檢測(cè)到目標(biāo)，則向陸地機(jī)器人發(fā)出指令，使陸地機(jī)器人到達(dá)指定目標(biāo)地點(diǎn)。陸地機(jī)器人通過(guò)搭載的紅外成像儀器對(duì)目標(biāo)地點(diǎn)搜索，并實(shí)時(shí)反饋采集信息。

無(wú)人機(jī)與無(wú)人車的控制器讀取搭載的傳感器數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)再根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境模型，指導(dǎo)救援工作的展開(kāi)，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)把收集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便后續(xù)的研究與查詢[6]。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

機(jī)器人要完成復(fù)雜的救援任務(wù)，需要具有工作穩(wěn)定和設(shè)計(jì)合理的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，以保障救援機(jī)器人具有較強(qiáng)的道路適應(yīng)能力、穩(wěn)定的目標(biāo)識(shí)別能力和高速的信息傳輸能力。

2.1 通信模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的通信主要包括空中機(jī)器人與監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)線通信，陸地機(jī)器人與監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)線通信。

由于自然災(zāi)害的影響，基礎(chǔ)通信設(shè)施受到一定程度的破壞，再加上災(zāi)后通信網(wǎng)絡(luò)和設(shè)施的負(fù)荷加大，導(dǎo)致正常通信渠道容易出現(xiàn)中斷。我國(guó)的應(yīng)急通信手段很多，從應(yīng)用角度來(lái)看，有衛(wèi)星通信、移動(dòng)電臺(tái)、數(shù)字集權(quán)通信、自組織網(wǎng)絡(luò)等。綜合考慮成本與實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用自組織網(wǎng)絡(luò)來(lái)通信，具體如下：

（1）針對(duì)圖像的發(fā)送與接收，本系統(tǒng)采用無(wú)線圖傳來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）針對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)與機(jī)器人之間的通信，本系統(tǒng)采用基于WiFi的形式。機(jī)器人通過(guò)WiFi連接到無(wú)線路由器或者電腦熱點(diǎn)上。

隨著物聯(lián)網(wǎng)以及5G的蓬勃發(fā)展，基于TCP/IP協(xié)議的通信方式愈發(fā)普及。本文采用ESP8266作為WiFi通信模塊。該芯片集成32位ARM內(nèi)核，既可以成為類似智能電燈這類物聯(lián)網(wǎng)小家具的主控芯片，又可以作為專用于串口轉(zhuǎn)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?jìng)髂Ｊ?，即只要ESP8266連接到TCP服務(wù)器上，它就可以把串口輸入的數(shù)據(jù)變?yōu)門CP包，向服務(wù)器發(fā)送，或是接受來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口輸出。

配置步驟如下：

（1）設(shè)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(dòng)設(shè)備AT+RST；

（4）設(shè)置為透?jìng)髂Ｊ紸T+CIPMODE=1；

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

（6）開(kāi)始進(jìn)行透?jìng)鰽T+CIPSEND。

監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)器人之間通過(guò)ESP8266模塊、路由器實(shí)現(xiàn)相互之間的信息交互。

2.2 傳感器數(shù)據(jù)融合設(shè)計(jì)

陸地機(jī)器人主要搭載了溫度、濕度、光照強(qiáng)度和氣壓傳感器，其中，濕度、溫度、氣壓選用BME680環(huán)境傳感器[7]、BME680由于采用MEMS計(jì)數(shù)，體積小，功耗低，拓展性好；采集光照強(qiáng)度選用BH1750傳感器，其測(cè)量范圍廣，分辨率較高。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類，并使用中值濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

空中機(jī)器人主要搭載陀螺儀、加速度儀、磁力計(jì)、GPS傳感器，測(cè)距雷達(dá)等傳感器，用以判斷機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)。陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)主要用于計(jì)算機(jī)器人的俯仰角、翻滾角和偏航角，GPS傳感器用于定位機(jī)器人所在的經(jīng)緯度、海拔等[8]，測(cè)距雷達(dá)用于檢測(cè)機(jī)器人周圍環(huán)境，得到與周圍物體的距離。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)需要把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理來(lái)分析原因。因此，本課題引用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理記錄數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)是根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織、存儲(chǔ)來(lái)管理數(shù)據(jù)的程序。數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具通過(guò)訪問(wèn)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。本系統(tǒng)選用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，其速度快，體積小，成本低，尤其是代碼開(kāi)源，使用更為方便高效。

監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)SQL語(yǔ)句，把機(jī)器人發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中的Data表中。

2.4 目標(biāo)檢測(cè)功能設(shè)計(jì)

為了能夠達(dá)到準(zhǔn)確檢測(cè)搜救目標(biāo)，本設(shè)計(jì)通過(guò)無(wú)線圖傳把圖像發(fā)送至監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)目標(biāo)檢測(cè)算法檢測(cè)目標(biāo)，引導(dǎo)陸地機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)。其具體目標(biāo)檢測(cè)流程如圖3所示。首先對(duì)輸入的一幀圖片進(jìn)行灰度化預(yù)處理，使用正負(fù)樣本生成分類器，然后把處理后的圖片與分類器輸入目標(biāo)檢測(cè)算法中，得出目標(biāo)在圖片上的位置，最后用矩形框進(jìn)行標(biāo)記，完成目標(biāo)檢測(cè)。

圖3 目標(biāo)檢測(cè)流程圖

3 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控平臺(tái)的開(kāi)發(fā)需要使用高效、快速、調(diào)試方便的桌面開(kāi)發(fā)程序。本系統(tǒng)采用最為流行的Electron，使用前端流行的VUE框架加快開(kāi)發(fā)速度，以及Bulma作為CSS框架來(lái)降低設(shè)計(jì)難度。監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)界面

監(jiān)控系統(tǒng)界面分為以下4個(gè)部分：機(jī)器人狀態(tài)顯示與控制界面、通信界面、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境顯示界面、圖像處理與顯示界面。

3.1 機(jī)器人狀態(tài)顯示與控制界面設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可拓展性，通過(guò)使用VUE框架將機(jī)器人狀態(tài)顯示與控制界面進(jìn)行封裝，如圖5所示。機(jī)器人控制界面主要有4個(gè)功能：查看數(shù)據(jù)、設(shè)備的連接與斷開(kāi)、刪除設(shè)備、控制開(kāi)啟與關(guān)閉。

圖5 機(jī)器人狀態(tài)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(jù)每個(gè)機(jī)器人的不同，添加不同的按鈕，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。面板上的虛擬搖桿，也是一個(gè)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(lái)控制機(jī)器人的移動(dòng)方向與移動(dòng)速度。

為了便于管理，研究者給每個(gè)機(jī)器人進(jìn)行編號(hào)，加上設(shè)備名稱與設(shè)備說(shuō)明，可以清晰地分辨出不同的機(jī)器人以及它們的功能。監(jiān)控系統(tǒng)能夠顯示當(dāng)前機(jī)器人的GPS坐標(biāo)，以便實(shí)時(shí)追蹤機(jī)器人的位置。監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)定時(shí)發(fā)送詢問(wèn)請(qǐng)求，檢測(cè)與機(jī)器人之間的通信是否正常。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境顯示界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)所有在現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)器人傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選與分析，實(shí)時(shí)顯示出有效的信息，如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境顯示界面

3.3 圖像顯示界面設(shè)計(jì)

圖像處理與顯示界面具有開(kāi)啟、關(guān)閉、暫停、播放功能。點(diǎn)擊開(kāi)啟按鈕，系統(tǒng)開(kāi)啟攝像頭，并對(duì)輸入的視頻進(jìn)行處理。

系統(tǒng)通過(guò)載入不同的分類器，以達(dá)到檢測(cè)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(biāo)檢測(cè)。

圖7 圖像顯示界面

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的搜救任務(wù)，研究陸空聯(lián)動(dòng)搜救機(jī)器人群組監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)陸地機(jī)器人和飛行器的互補(bǔ)協(xié)作，綜合獲取受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)信息。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該監(jiān)控系統(tǒng)能有效進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和陸空機(jī)器人群組的監(jiān)控。