以光學(xué)信號(hào)為導(dǎo)向的夜間救援車(chē)型機(jī)器人系統(tǒng)研究

宋廣進(jìn)，杜云龍

（南陽(yáng)師范學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473061）

0 引言

災(zāi)難的發(fā)生總是突然且極具破壞性的，受災(zāi)地區(qū)情況復(fù)雜、易產(chǎn)生二次災(zāi)難，救援隊(duì)對(duì)被困人員的情況及地形不了解，對(duì)于被困人員的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與救援物資的及時(shí)送達(dá)等都很困難。如果災(zāi)難發(fā)生在夜間則更加令人頭疼，夜間的黑暗條件讓救援難度顯著加大，如果僅僅依靠以往單一的人工救援既會(huì)使救援人員陷入危險(xiǎn)境地，又使得救援時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，被困人員的生還概率降低[1]。因此，在如今人工智能高速發(fā)展的時(shí)代，要讓人工智能與救援相融合，打造依托于人工智能技術(shù)的高速智能救援系統(tǒng)就顯得十分重要，對(duì)于受災(zāi)待救援人員與救援人員都有著至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文所研究的夜間仿生救援車(chē)型機(jī)器人就是針對(duì)夜間黑暗條件下實(shí)現(xiàn)輔助救援的機(jī)器人，其可以編入智能救援系統(tǒng)，作為其重要一環(huán)，達(dá)到高效安全救援的目的。它是根據(jù)生物的趨光性原理來(lái)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)引導(dǎo)該機(jī)器人的前進(jìn)，對(duì)光的敏感性讓它可以在黑暗中迅速捕捉到光源信號(hào)，及時(shí)找到遇難者，我們也可以利用無(wú)人機(jī)或探照燈等人為給它光信號(hào)，讓它輔助搜救隊(duì)員進(jìn)行營(yíng)救工作，如進(jìn)行救援物資的運(yùn)送與位置信息傳輸?shù)?，為被困人員與搜救隊(duì)員提供安全保障，提升救援效率。

1 機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

此夜間仿生救援車(chē)型機(jī)器人是由Arduino開(kāi)發(fā)板、光線傳感器、超聲波傳感器、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、藍(lán)牙通信模塊、5 V供電電源等部分組成，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其仿照生物向光性原理，可以依靠光線傳感器感知光源方向，由控制器檢測(cè)是否達(dá)到光線閾值，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)追蹤光源方向行駛；利用超聲波傳感器檢測(cè)機(jī)器人與周?chē)系K物之間的距離，進(jìn)行合理避障，具有很強(qiáng)的靈活性和機(jī)動(dòng)性。

圖1 機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

1.2 主控制器模塊

機(jī)器人是以Arduino開(kāi)發(fā)板系列的Arduino UNO為控制核心，其晶振頻率為16 MHz，工作電壓5 V，具有6路模擬輸入與14路數(shù)字IO口，數(shù)字IO口中有6路可提供PWM輸出，功能可靠，價(jià)格低廉，Arduino UNO開(kāi)發(fā)板結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)控制模擬端口A0～A5，將周?chē)h(huán)境情況和光源信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給控制器，然后再通過(guò)數(shù)字端口PWM口（2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13）把從周?chē)兄獊?lái)的信息通過(guò)程序算法判斷處理，輸出控制指令，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，控制機(jī)器人靈活地進(jìn)行相應(yīng)行動(dòng)。

圖2 Arduino開(kāi)發(fā)板結(jié)構(gòu)

1.3 檢測(cè)模塊

機(jī)器人檢測(cè)模塊包括3個(gè)超聲波傳感器和3個(gè)光線傳感器，分別裝在機(jī)器人的前方、左側(cè)及右側(cè)位置，傳感器所檢測(cè)到的模擬信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給控制器，控制器判斷信號(hào)大小及方向輸出控制指令。光線傳感器即為光敏電阻，隨著光照強(qiáng)度的增大，光敏電阻阻值變小，控制器通過(guò)檢測(cè)光敏電阻阻值的大小即可知道此時(shí)光線強(qiáng)度的強(qiáng)弱。依據(jù)光敏電阻的這種特性，機(jī)器人內(nèi)部設(shè)置相應(yīng)的光強(qiáng)啟動(dòng)閾值，即100 kΩ。光線傳感器時(shí)刻“捕捉”光源信號(hào)，當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到閾值要求，即光敏電阻阻值小于100 kΩ時(shí)，機(jī)器人進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始輔助救援；阻值大于100 kΩ時(shí)，機(jī)器人進(jìn)入待機(jī)低電量消耗狀態(tài)。

超聲波測(cè)距模塊利用超聲波良好的特性，檢測(cè)初始超聲波與回波的時(shí)間差，對(duì)機(jī)器人的周邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]，監(jiān)測(cè)機(jī)器人與障礙物間的距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障轉(zhuǎn)彎，它是通過(guò)電平觸發(fā)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其工作原理為：只需要在TX管腳輸入一個(gè)10 μs以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個(gè)40 kHz的超聲波脈沖，然后檢測(cè)回波信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)后，通過(guò)RX管腳輸出。控制器接收超聲波傳感器的信號(hào)，時(shí)刻監(jiān)測(cè)機(jī)器人與障礙物之間的距離，當(dāng)機(jī)器人前方距離障礙物小于15 cm時(shí)，機(jī)器人開(kāi)始轉(zhuǎn)彎避障，此時(shí)控制器對(duì)比左右兩側(cè)超聲波傳感器所檢測(cè)到的距離大小，若機(jī)器人左側(cè)與障礙物之間的距離大于右側(cè)，機(jī)器人左轉(zhuǎn)，反之則機(jī)器人右轉(zhuǎn)。

1.4 電動(dòng)機(jī)與通信模塊

機(jī)器人的行走是依靠舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)，控制器根據(jù)光線傳感器與超聲波傳感器的信號(hào)來(lái)判斷周?chē)闆r，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。舵機(jī)作為一種伺服電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，具有很高的性?xún)r(jià)比，控制器通過(guò)控制脈沖寬度調(diào)制來(lái)控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度[3]，動(dòng)力經(jīng)由電動(dòng)機(jī)、減速齒輪組到舵盤(pán)，并且可以利用與舵盤(pán)輸出軸相連的反饋電位計(jì)將反饋信號(hào)傳輸給控制器，進(jìn)行位置修正，提高控制精度，進(jìn)而控制舵機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)與轉(zhuǎn)彎避障。

機(jī)器人通過(guò)藍(lán)牙模塊與智能救援系統(tǒng)其他機(jī)器人進(jìn)行信息交換，然后按照擬定的通信協(xié)議傳輸信息，便可實(shí)現(xiàn)一系列功能，達(dá)到遠(yuǎn)程操控的目的[4]。此機(jī)器人與救援系統(tǒng)其他機(jī)器人之間通過(guò)藍(lán)牙連接形成微微網(wǎng)，進(jìn)而整個(gè)智能救援系統(tǒng)形成分布式網(wǎng)絡(luò)。但是由于藍(lán)牙模塊受到通信距離的限制，在野外大范圍搜救時(shí)存在一定局限性，下一步可采用Zigbee無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信傳輸，讓整個(gè)智能救援系統(tǒng)更加可靠地連在一起，更好地實(shí)現(xiàn)協(xié)同。

2 機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

救援機(jī)器人通過(guò)自身的3個(gè)光線傳感器，可以接受來(lái)自前、左、右3個(gè)不同方向的光源信號(hào)，然后通過(guò)Arduino開(kāi)發(fā)板的AD轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，控制器內(nèi)部設(shè)定程序判斷外部光源強(qiáng)度是否達(dá)到啟動(dòng)要求，若達(dá)到光敏電阻閾值，則觸發(fā)驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，進(jìn)而由控制器控制機(jī)器人的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[5]。機(jī)器人的前、左、右3個(gè)方向的超聲波傳感器可以時(shí)刻監(jiān)控機(jī)器人自身和周?chē)系K物的距離，可以有效避開(kāi)障礙物，達(dá)到自動(dòng)行駛的目的[6]。機(jī)器人所裝配的GPS定位系統(tǒng)可以時(shí)刻報(bào)告它的位置信息，并通過(guò)通信模塊幫助我們反饋一下所需要的參量，與其他機(jī)器人協(xié)同，實(shí)現(xiàn)智能化救援，減少人員傷亡，提高救援速度。

機(jī)器人的整體運(yùn)轉(zhuǎn)情況，首先是機(jī)器人工作模式的確定，由光線傳感器識(shí)別確定；然后是機(jī)器人的行走與避障，由光線傳感器與超聲波傳感器共同確定；最后是機(jī)器人位置信息的傳輸，由通信模塊進(jìn)行信息傳遞。機(jī)器人行進(jìn)的軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

3 樣機(jī)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)時(shí)由手電筒作為光源，在機(jī)器人樣機(jī)與光源之間以及機(jī)器人左側(cè)設(shè)置障礙物，測(cè)試機(jī)器人的行進(jìn)狀態(tài)，測(cè)試過(guò)程如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)器人在接收到光源信號(hào)時(shí)朝著光源前進(jìn)，在距離障礙物15 cm時(shí)，機(jī)器人開(kāi)始向右轉(zhuǎn)彎，避開(kāi)障礙物，繼續(xù)朝著光源前進(jìn)。

圖4 機(jī)器人追光避障

以機(jī)器人前方的光線傳感器和超聲波傳感器為例，測(cè)試其在不同場(chǎng)景下的檢測(cè)結(jié)果，如圖5所示，超聲波傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人與障礙物之間的距離，光線傳感器檢測(cè)是否達(dá)到機(jī)器人啟動(dòng)閾值。其中圖5（a）為黑暗條件，此時(shí)光敏電阻的阻值很大，為523～532 kΩ，距離前方障礙物19 cm，機(jī)器人保持待機(jī)狀態(tài)；圖5（b）為正常啟動(dòng)工作條件，即機(jī)器人接收到強(qiáng)光源，此時(shí)光敏電阻的阻值顯著變小，為33 kΩ左右，達(dá)到了機(jī)器人的啟動(dòng)閾值，機(jī)器人開(kāi)始啟動(dòng)向前方行進(jìn)。

圖5 啟動(dòng)及避障閾值確定

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人系統(tǒng)搭建完成后，可以實(shí)現(xiàn)隨光源前進(jìn)與避障功能，對(duì)于整個(gè)智能救援系統(tǒng)有著重要的輔助作用，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行位置信號(hào)傳輸與救援物質(zhì)輸送的研究將進(jìn)一步完善救援系統(tǒng)，對(duì)被困人員與搜救隊(duì)員都有著重要意義，推動(dòng)了智能機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。