多信息融合感知搜救机器人的设计与实现

宫玉琳，朱德鹏，陈宏博，景治新，文垠锞

（长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022）

多信息融合感知搜救机器人的设计与实现

宫玉琳，朱德鹏，陈宏博，景治新，文垠锞

（长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022）

针对地震、战争等灾难环境设计了一种多信息融合感知搜救机器人，机器人通过图像、火焰、温度等多种传感器实现信息融合，感知灾难现场环境。通过无线传输，搜救机器人将各种信息传送到监控端，使搜救人员实时了解灾难现场环境，并且机器人特有的声源定位系统可以辅助搜寻受困人员。同时搜救人员可以通过远程操控控制机器人状态，为搜救人员提供帮助。

搜救机器人；声源定位；信息融合感知

世界各地的灾难时有发生，无论是人为的灾难还是自然灾难，通常都会产生巨大的破坏作用，灾难发生后，最紧迫的任务就是救出被困者。但由于灾害现场的危险性和复杂性，施救人员无法及时深入现场进行侦察和施救，在这种情形下，凸显了搜救机器人对救援的重要价值。

当前对搜救机器人研究主要集中在存活能力、运动能力和作业能力三个方面，通信能力和感知能力的研究相对较弱。搜救机器人的智能化程度很大程度上依赖其对外部世界的感知能力及理解能力。将多种传感器得到的多种信息融合，可以大大提高系统的容错能力和完整描述环境的能力，把多信息融合技术与搜救机器人技术结合起来就可以显著地提高机器人的智能化水平，完成更加复杂的任务，提高搜救效率，避免搜救人员伤亡，挽救更多生命。

1 搜救机器人硬件系统设计

搜救机器人硬件系统由运动控制系统、信息采集系统、数据传输系统和监控分析系统构成，如图1所示。机器人基于履带式运动平台，利用视频采集、声音采集和多种传感器构成信息采集系统，多种信息经过数据融合并通过无线输至计算机终端，计算机终端对机器人状态及其周围环境进行综合分析，对灾害现场的环境进行还原和综合分析，为搜救提供多种信息，同时计算机终端可以实现搜救机器人的远程控制。

图1 搜救机器人硬件系统框图

1.1 运动控制子系统

为了提高搜救机器人的复杂地形适应能力，运动系统采用履带式驱动平台，控制平台采用意法半导体公司生产的32位高性能、低功耗、低成本的增强型系列单片机K60作为控制器，通过4路PWM信号控制两个减速直流电机，驱动电路如图2所示，PWM信号通过光耦合器HCPL2630实现电机驱动和控制器信号隔离，驱动模块采用MOS管IR4427。

图2 运动控制驱动电路

1.2 信息采集子系统

1.2.1 视频采集模块

视频采集模块采用CMOS800线模拟摄像头，模拟摄像头输出制式为N制/P制，可通过开关进行选择，摄像头搭配5.8G，功率2W无线图传模块，模块传输距离可达5000米。通过视频采集模块，可以将搜救机器人所在环境的视频信息，远程传输至监控端，便于搜救人员了解灾难现场情况。

1.2.2 声源定位模块

声源定位模块采用基于四元平面传声器阵列的声源定位方法，定位原理如图3所示。传声器阵列由四个传声器M1、M2、M3、M4构成，坐标分别为：M1（L/2，L/2，0）、M2（-L/2，L/2，0）、M3（-L/2，-L/2，0）、M4（L/2，-L/2，0），各个传声器间距为L，阵列的中心设为坐标原点。以原点O建立如图所示的直角坐标系，当声源位置在S处时，便可根据S与O的距离R，水平角度φ以及俯仰角度θ，确定S的位置。

图3 四元平面传声器阵列

由几何关系可知，只需要计算出延时τ12，τ13，τ14，其中τ12，τ13，τ14为传声器M1分别与M2、M3、M4的延时，即可求得声源P的坐标x,y,z及声源与传声器M1的距离R1，进一步即可求得方位角φ和俯仰角θ，如式（1）和式（2）所示。

本文采用基于广义互相关的时延估计方法对时延进行估计计算，由互相关函数与互功率谱可得：

式中，X1(ω) 和X2(ω)分别是传声器接收到的信号x1(t)和x2(t)的傅立叶变换，G12(ω) 是传声器接收到的信号x1(t)和x2(t)的互功率谱。进一步可得传声器信号的广义互相关函数，如式（4）所示。

1.2.3 环境感知模块

环境感知模块结构如图4所示，模块由超声波传感器模块、火焰传感器模块、热释电传感器模块、有害气体传感器模块、温度传感器模块和超声波传感器模块组成，各子模块传感器将采集到的信号经过处理电路处理后发送给控制器。信息通过环境感知模块，搜救人员能够实现对周围环境的感知，了解救援现场的实时环境信息，为搜救行动提供参考。

图4 环境感知模块结构

（1）火焰传感器模块：采用5路火焰传感器模块，如图5所示，其探测波长为700nm-1100nm的短波近红外线，探测距离大于1.5m，探测范围大于150°，传感器采集到的信号经过LM393运放放大后的模拟信号输入给控制器的A/D端口，控制器根据A/D值实现对火焰位置的检测。

图5 火焰传感器模块

（2）热释电传感器模块：采用HC-SR501高灵敏度人体红外感应模块，如图6所示，该模块采用LHI778探头，具有灵敏度高、可靠性强的特点。当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

图6 热释电传感器模块

（3）可燃气体传感器模块：采用MQ-9气体传感器模块，如图7所示，该模块可以实现对一氧化碳、甲烷和液化气等可燃气体的检测。传感器的输出信号经过LM393运放放大后，输入给控制器的A/D端口，控制器将接收到的数据在传感器数据标定表中查询即可获得可燃气体的浓度信息。

图7 可燃气体传感器模块

（4）温湿度传感器模块：采用DHT11温湿度传感器模块，如图8所示，该模块可以实现对周围环境温度和湿度的检测，湿度测量范围：20%-95%，误差±5%，温度测量范围0-50℃，误差±2℃。采用单线制串行接口，可与控制器方便连接。

图8 温度传感器模块

（5）超声波传感器模块：采用US-100超声波传感器模块，如图9所示，其测距范围可达2cm～4.5m，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。

图9 超声波传感器模块

1.3 数据传输系统

传统的ZigBee和NRF传输距离较近，长时间工作容易丢包。为了实现搜救机器人的远程数据传输，本文采用大功率无线通信模块E31-TTL-2W，其工作频段为425-450.5MHz，功率可达2W，传输距离最大可达8000m，通过串行接口即可实现接收模块与控制器的连接，数据波特率可达115200bps，可以满足搜救机器人的设计要求，无线通信模块及其与控制器连接方式如图10所示。

图10 无线通信模块及其与控制器连接图

2 搜救机器人软件系统设计

2.1 多信息融合技术

受到人的交叉模式感知及朝向注意机制的启发，本文提出一种融合听觉、视觉信息的目标感知策略，在单一模式下机器人可实现对目标对应模态下的感知，即实现对目标的检测，比如视觉感知、听觉感知等；在多模式下，主要表现为视觉和听觉信息的融合，机器人首先由听觉感知引起初步注意，视觉迅速锁定初步定位的空间方位，然后由视觉感知进一步确认。

图11 多模式融合感知过程

本文给出一种多信息融合的目标感知策略，使机器人能够快速准确地感知到环境目标，通过机器人的听觉感知系统定位声源粗方向，视觉感知系统进行目标确认及精确定位。机器人通过视觉感知模块、听觉感知模块及其他环境感知模块对环境信息进行采集，对每一路信号采用并行处理的方式，具体实现流程图如图11所示。

2.2 监控分析系统

监控系统由机器人控制模块、视频实时采集模块、声源定位模块和环境感知模块组成。机器人控制模块用于实现对机器人的远程无线控制，实现机器人的移动、旋转等操作并显示机器人的当前状态。视频采集模块用于实时显示搜救机器人传输回来的现场视频信息。声源定位模块用于对机器人感知到的声源信号进行定位，指示声源位置。环境感知模块将多传感器得到的环境信息汇总显示在监控系统上，并对危险信息进行报警，提醒搜救人员注意。

3 系统测试

为了验证本文所设计的搜救机器人在实际搜救中的性能，进行了搜救仿真实验，搭建了模拟灾难现场。现场中设置了模拟障碍物。图12和图13为模拟灾难现场和监控计算机显示的搜救机器人实时回传的信息。

图12 模拟灾难现场

图13 实验监控界面

4 结论

本文针对搜救机器人存在的感知方面的问题，设计并实现了多信息融合搜救机器人，并在人为构造的灾难环境中进行了测试，实验结果表明，搜救机器人在视频采集、声源定位、环境感知及远程控制方面具有较好效果，能够满足一般搜救环境的需要。但是机器人体积较大且复杂地形运动能力受限，这也为进一步改进指明了方向。

［1］ 陈少华.基于STM32的灾难现场搜救机器人研制［J］.大连交通大学学报，2016，37（5）：113-115.

［2］ 刘冠群.救援机器人仿生感知技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

［3］ 刘婷婷.基于仿生感知系统的安防机器人开发与研究［D］.天津：天津理工大学，2014.

［4］ 王森.MATLAB加窗滤波在广义互相关时延估计中的应用［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2016，39（6）：48-52.

［5］ 陈思豪.多功能搜救机器人设计［J］.技术应用，2016（2）：27-31.

Design and Implementation of Multi Information Fusion Perception Search and Rescue Robot

GONG Yulin，ZHU Depeng，CHEN Hongbo，JING Zhixin，WEN Yinke
（School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In this paper，a multi information fusion perceptual search and rescue robot is designed for earthquake，war and other disaster environments.The robot realizes the information fusion through the image，the flame，the temperature and so on many sensors，and feels the disaster scene environment.The search and rescue robot transmits various information to the monitoring ter⁃minal，enable search and rescue personnel to understand the disaster scene environment in real time and the robot's unique sound source localization system can help search for trapped people.At the same time，search and rescue personnel can control the state of the robot by remote manipulation，providing assistance for search and rescue personnel.

search and rescue robot；sound source localization；information fusion perception

TP242.3

A

1672-9870（2017）03-0085-04

2017-03-20

宫玉琳（1983-），男，博士，讲师，E-mail：garrygong1983@126.com