一種履帶式消防偵察機器人

1、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目申報表推 薦 學 校西安航空學院項 目 名 稱一種履帶式消防偵察機器人項 目 類 型創(chuàng)新訓練項目項 目 負 責 人馬磊申 報 日 期2016年3月21日陜西省教育廳 制二一四年五月項目名稱一種環(huán)境探測履帶式機器人項目類型（ ）創(chuàng)新訓練項目 （ ）創(chuàng)業(yè)訓練項目 （ ）創(chuàng)業(yè)實踐項目項目實施時間起始時間： 2016 年 3 月 完成時間：2017 年 4月申請人或申請團隊姓名年級學校所在院系/專業(yè)聯(lián)系電話E-mail主持人馬磊2014級西安航空學院電子工程學院150940404891239148128成 員雷振華2014級西安航空學院電子工程學院17791605812614

2、760219張斌2014級西安航空學院電子工程學院150940875331191089067程靖義2014級西安航空學院電子工程學院1320169266122890211492肖遙2014級西安航空學院電子工程學院18924183239759365353指導教師姓名李亞勝研究方向光電探測技術、儀器儀表技術年齡29行政職務/專業(yè)技術職務講師主要成果指導教師主要從事光電測試和儀器儀表技術的研究，主要研究成果如下：1、參與出口援助項目四光幕立靶空間坐標測量系統(tǒng)，利用四套光幕靶按照一定角度擺放，按照一定算法實現(xiàn)彈丸的坐標測試。參與整個測試系統(tǒng)的開發(fā)與調試；負責測試系統(tǒng)硬件的設計；系統(tǒng)集成、安裝、調試和

3、實驗。2、負責某軍工企業(yè)基于CPLD技術的時間測量儀設計項目。該項目實現(xiàn)飛行目標在某一點或某一距離的速度。本人負責整個儀器硬件和軟件的設計、調試和交付驗收。3、某研究生外接項目多路時間序列控制儀設計。采用MCU+可編程邏輯器件的設計思路，設計了一種多路時間序列控制儀，用于按預先設定的時間延時后產生延時脈沖觸發(fā)多路測試設備工作。本人負責整個儀器的硬件設計和軟件設計、調試與交付驗收。4、某研究院外接項目多站點測試系統(tǒng)同步系統(tǒng)設計。實現(xiàn)功能：采用GPS加計數(shù)電路實現(xiàn)多站點測試的同步性。本人負責同步電路的設計與調試；協(xié)助項目負責人實現(xiàn)整個系統(tǒng)的安裝、調試。發(fā)表相關學術論文共 7 篇。一、項目實施的目的

4、、意義近年來，隨著技術的進步，天然氣等易燃易爆氣體泄漏引發(fā)的火災、爆炸等事故逐年下降，但事故數(shù)量和死亡人數(shù)仍然偏高。在易燃易爆氣體外泄的情況下,需要及時氣體強度分布,追蹤泄漏源。比如去年的天津港爆炸事件，就是因為救援人員未對事故現(xiàn)場和事故發(fā)生原因做出正確的判斷，從而導致了巨大人民生命和財產損失。因此，對事故現(xiàn)場情況的完全掌握是救援成敗的決定因素之一。但是面對相對復雜的事故現(xiàn)場，仍需要救援人員攜帶相關設備進入未知的危險環(huán)境，很有可能會造成不必要的人員傷亡。另外，在高溫、缺氧、能見度低等惡劣條件下，救援人員無法對事故現(xiàn)場出正確的判斷，制定合理的救援方案。因此研制一種代替救援人員快速進入事故現(xiàn)場，對

5、其溫濕度、泄漏氣體的濃度以及內部環(huán)境等進行實時探測的環(huán)境探測機器人，對事故預報預警及災后快速救援具有重要意義。目前，國外在探測、救援方面進行和很多研究，投入較大的是美國、前蘇聯(lián)以及后來的英國、日本等一些國家也紛紛開始研究此類技術。消防機器人應用最多的還是日本，其以內燃機或電動機作為動力，配置驅動輪或履帶行駛機構，能爬坡、越障礙等動作，控制距離為100-150米，配有氣體檢測儀器和電視監(jiān)視設備。美國智能系統(tǒng)與機器人中心研究設計的探索機器人RATLER，用于災難后的現(xiàn)場偵查工作,機器人攜帶紅外夜視攝像頭、陀螺儀和部分氣體檢測器等裝備。采用無線遙控方式,傳送距離76米。近年來，我國消防型機器人的研制

6、工作也得到了政府有關部門的支持，目前已有了自行式消防炮，已經通過驗收和準備產業(yè)化生產階段。但是總體而言，我國的研發(fā)機器人仍處于落后階段，用于消防的除了自動檢測火災和自動滅火技術比較成熟之外，還有很多不足之處，大多都是固定式的，而且在遠程探測危險氣體和環(huán)境實時傳輸給決策者方面技術很不成熟，還有很長的路要走。 履帶式消防偵察機器人是一種作為無生命載體的消防型輪式機器人，在面臨高溫、有毒、缺氧、建筑物坍塌和濃煙情況等各種復雜的環(huán)境中，履帶式消防偵察機器人能夠在探測人員不需要進入環(huán)境狀況下通過遠程操作，對災害現(xiàn)場環(huán)境中信息數(shù)據進行采集。這樣不僅能夠大大減少消防人員的傷亡，也能夠讓決策人員做出準確的判斷

7、，有效的把危險系數(shù)降到最低，控制危險的擴大化發(fā)展，保護人民財產和生命安全。履帶式消防偵察機器人集計算機技術、傳感技術、控制技術、電子電力技術、音頻和圖像傳輸處理技術和機械工業(yè)等高端學科的結合體。能夠針對環(huán)境進行數(shù)據的收集、處理、分析、傳輸反饋等工作?？身樌咝У膶κ鹿尸F(xiàn)場環(huán)境信息的收集。本項目設計一種履帶式消防偵察機器人，可通過遠程控制對事故現(xiàn)場的溫濕度、危險氣體的濃度的探測，并且以數(shù)據的形勢傳輸給操作人員，利用圖像傳輸技術，使得事故現(xiàn)場的環(huán)境情況實時傳輸?shù)狡聊?，直觀、準確的作出判斷。二、 項目研究內容和擬解決的關鍵問題根據項目分析，本項目設計一款可適應各種復雜環(huán)境，可實時探測事故現(xiàn)場的溫濕度

8、、天然氣濃度和現(xiàn)場環(huán)境圖像探測，利用無線遙控的履帶式消防偵察機器人。項目內容：1）履帶式機器人研制。履帶式機器人是整個消防偵察機器人的基礎，通過控制兩個電機的轉速，來控制小車的左右轉向，原地旋轉，前進，后退等動作，實時傳輸消防現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，通過舵機來控制圖傳裝置的轉動和仰角，通過圖像傳輸來實時傳回小車周圍的環(huán)境狀況，通過觀察，來進行操控，從而實現(xiàn)遠程遙控。2）環(huán)境感知系統(tǒng)研制。環(huán)境感知系統(tǒng)是履帶式消防偵察機器人的核心，能實現(xiàn)對事故現(xiàn)場溫濕度、氣體濃度和事故現(xiàn)場圖像的采集，為救援人員制定方案提供現(xiàn)場依據，為救援人員進入現(xiàn)場探明通道。 3）遙控器研制。遙控器是對機器人遠程控制的關鍵部件，直接關系

9、到救援偵查成敗與否。發(fā)出指令控制小車的前進、停車、倒車、 轉彎、調頭等動作 4）無線數(shù)據和圖像傳輸模塊研制。無線數(shù)據和圖像傳輸模塊分為圖像傳輸模塊和數(shù)據傳輸模塊組成，完成現(xiàn)場視頻圖像和天然氣濃度等環(huán)境參數(shù)的傳輸，并將天然氣濃度等環(huán)境參數(shù)顯示在計算機的顯示器上。擬解決的問題：1）多傳感器數(shù)據融合。履帶式消防偵察機器人具有溫度傳感器、濕度傳感器、氣體濃度傳感器和CCD圖像傳感器等多個傳感器，在軟件設計時必須考慮到多傳感器數(shù)據融合問題。2）數(shù)據及圖像遠距離無線傳輸。傳輸系統(tǒng)設計既要采用有效的數(shù)據壓縮方法降低傳輸代碼率，應盡量節(jié)省傳輸帶寬，要求數(shù)據和圖像的實時傳輸，因此要選擇數(shù)據和圖像壓縮的算法必須高

10、效、易于實現(xiàn)、同時延時短等特點。3）機器人防爆設計。機器人除自身結構穩(wěn)定外，還必須采用防爆技術。在事故現(xiàn)場，可能存在高溫、有毒和濃煙等更加復雜，讓人難以預料的情況，小車本身一定不能作為“引爆器”，使得現(xiàn)場變得更加的不可控制。4）遠程控制抗干擾問題。形成干擾主要有干擾源、傳播途徑和接收載體，會形成靜電干擾、磁場耦合干肉和漏電干擾等。解決方法可進行屏蔽、隔離和濾波。三、項目研究與實施的基礎條件本實驗在指導教師李亞勝老師指導下完成，李老師畢業(yè)于測控技術與儀器專業(yè)，研究生階段主要以光電測試技術和儀器儀表技術為主題展開研究。到我院后從事于測控技術與儀器專業(yè)教學和研究。前期的相關研究為本次實驗做了很大的鋪

11、墊，技術方案、思路清晰、研究準備充分，為開展本項目的研究打下了良好基礎。項目成員來自于自動化專業(yè)和測控技術與儀器專業(yè)，有馬磊、雷振華同學目前為我校機器人協(xié)會成員，主要從事人形機器人方面的設計和制作，準備參加全國機器人大賽；同時，利用51單片機成功制作電子時鐘、計算器和超聲波測距。程靖義和張斌同學參加過航模隊的培訓和實踐操作，對于飛機的控制系統(tǒng)、數(shù)據和圖像傳輸系統(tǒng)有很深刻的研究。馮明輝同學動手、協(xié)調能力強，在實驗和課程設計中成績突出。四、項目實施方案研究方案及思路：1）履帶式機器人研制。履帶式機器人是整個消防偵察機器人的基礎，主要由履帶式車體、直流電機及其驅動電路、核心控制板、電源模塊和遙控信號

12、接收模塊組成。通過控制兩個電機的轉速，來控制小車的左右轉向，原地旋轉，前進，后退等動作，實時傳輸消防現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，通過舵機來控制圖傳裝置的轉動和仰角，通過圖像傳輸來實時傳回小車周圍的環(huán)境狀況，通過觀察，來進行操控，從而實現(xiàn)遠程遙控。2）環(huán)境感知系統(tǒng)研制。環(huán)境感知系統(tǒng)是履帶式消防偵察機器人的核心，由溫濕度測量系統(tǒng)、氣體濃度檢測系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)組成，實現(xiàn)事故現(xiàn)場溫濕度、天燃氣氣體濃度和事故現(xiàn)場圖像的采集，為救援人員制定方案提供現(xiàn)場依據。溫濕度檢測系統(tǒng)DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器和HIH4602L相對濕度傳感器實現(xiàn)事故現(xiàn)場溫濕度的采集；氣體濃度檢測系統(tǒng)采用CH4氣體濃度傳感器，探明現(xiàn)場的氣體

13、濃度。圖像采集系統(tǒng)采用CCD圖像傳感器實現(xiàn)事故現(xiàn)場圖像采集任務，為救援人員進入現(xiàn)場探明通道； 3）遙控器研制。遙控器是實現(xiàn)機器人遠程控制的關鍵，直接關系到救援偵查成敗與否。應具有抗干擾能力強、信號傳輸穩(wěn)定可靠、功耗低、成本低、以實現(xiàn)等顯著優(yōu)點。本次研究使用華科爾D10遠程遙控控制，主要由：發(fā)射機、接收機、電機和電源等組成。工作原理：發(fā)射機發(fā)出編碼指令后，經接收機接收處理、解碼后，發(fā)出指令調節(jié)電機轉速，進而控制小車的前進、停車、倒車、 轉彎、調頭等動作。電源為接收機和電機提供能源，一般由鋰電池組成，續(xù)航能力強。 4）無線數(shù)據和圖像傳輸模塊研制。無線數(shù)據和圖像傳輸模塊分為圖像傳輸模塊和數(shù)據傳輸模塊組成，完成現(xiàn)場視頻圖像和天然氣濃度等環(huán)境參數(shù)的傳輸。采用FPV實時圖像傳輸器將環(huán)境現(xiàn)場的圖像傳回顯示在計算機的顯示器上；同樣，采用433M無線模塊數(shù)據傳輸模塊將天然氣濃度等環(huán)境參數(shù)顯示在計算機的顯示器上。五、學?？梢蕴峁┑臈l件電子電工實驗室（示波器、函數(shù)信號發(fā)生器、模擬實驗臺、單片機試驗臺）、機器人創(chuàng)新實驗室（簡單模具加工）、航空模型創(chuàng)新實驗室、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地。六、預期成果本次研制的履帶式機器人，在天然氣氣體泄漏中，操作人員利用遙控可在600m范圍內控制機器人進入事故