基本信息
- 项目名称：
- 基于GPS定位系统的搜救机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本机器人集全球定位系统、ARM控制平台、人体红外感应、超声波测距、摄像头等功能模块于一身。机器人可以利用全球定位系统通过谷歌地图，结合超声波蔽障功能顺利到达指定坐标点，同时可进行数据采集、侦测伤者、摄像头照相等搜救工作。并根据需要将各种环境信息及图像信息及机器人各部分工作状态（如车速，超声波工作状态，电源电压等）传回ARM或PC控制平台，以确保高效、高质量的完成救援任务。
- 详细介绍：
- 一、制作背景: 我国是一个自然灾害频发的国家，地震、洪涝等灾害波及面积广，严重影响着我们的生活。如何在大范围内合理分配搜救工作，精准定位幸存者位置，提供受困者所处环境信息，提高搜救效率就显得尤为重要。基于GPS定位系统的智能搜救机器人，具有自检和搜救功能，可方便协助搜救人员高效的完成搜救工作。 二、车体机器人系统说明： 1、直流电机驱动电路 这里使用双路全桥式电机驱动L298，由于其具有： 工作电压高达46V； 总DC电流达4A； 低饱和电压； 具有过温保护功能 逻辑“0”输入电压高达1.5V(高抗噪性)等特性优点。 并且电路中采用光耦隔离，大大提高了单片机对直流电机的抗干扰能力。其次L298还提供一个额外的电压输入，所以其逻辑电路可以工作在更低的电压。系统供电部分，将驱动电路与单片机等其他模块分开供电，进一步降低直流电机的工作对其他部分的影响。 2、霍尔元件车速检测 由于霍尔元件对磁场的感应比较明显，所以把霍尔元件集成的开关安装在车轮附近上，当装在车轮上均匀分布的永磁体经过它时，将产生脉冲信号。单片机利用定时器可以测量脉冲信号列的时间间隔长短，计算出该运动物体的位移速度并返回给操控端。 3、语音系统 虑到该作品只是搜救机器人系统的模型，用51单片机处理语音速度有点慢，而且用简单的无线模块处理语音相对复杂且不实用，所以暂时用语音模块模拟代替该部分功能。 该部分采用ISD1700语音芯片，主要因为其： 可处理多达255段信息； 多种采样频率对应多种录放时间； 音质好，电压范围宽，应用灵活等优点。 由于可以利用震荡电阻的不同改变芯片的采样频率，所以设计电路中把采样电阻ROSC设计为可更换的，使录音的效果可控制。语音播放按钮由单片机控制，当红外模块检测到周围有人存在时，单片机就会启动语音模块，播放已经录制好的声音，对受困者进行安慰。 （注：次部分设计只是暂时替代语音部分的功能，实际语音部分的设计安排并非这样。） 4、双单片机处理系统 由于整个系统比较复杂，要实现的功能比较繁多，用一片单片机处理，很大程度上会影响整体的运行速度和部分模块的控制，古采用两块单片机协调处理。两块单片机分工工作，并进行信息交流。主单片机直接接收无线模块传给的信息，然后进行工作的分配。根据工作的不同，把部分工作交给从单片机处理。 单片机间通信协议介绍：该处的通信协议为开发者自定义的五线单向传输，其中四根信号线，一根控制线。为了尽可能简化传送的数据，提高系统的工作效率，主单片机采用开关式指令给从单片机分配任务，即每条指令只有四个有效位控制。控制信号线直接和从机的外部中断零相接，当主机发送一个下降沿时，从机进入中段读取指令并调整内部的工作模式以完成相应的工作。 主从机的主要分工如下： 主机： 负责无线模块信息的接受与处理； 车体前后左右等的控制； 超声波模块的控制，用以实现避障和雷达扫描等动作； 连接人体红外感应模块，并控制语音系统。 从机： 对GPS信号进行有效信息提取； 控制摄像头的工作，完成图片的采集与分割； 控制电压检测电路，并作出临界提示； 完成车速的检测； 其他传感器信息的采集与处理； 5、利用模拟开关信号交替传送 机器人部分所以的信息都是经过模拟开关CD4066的控制利用无线模块发送出去的。CD4066是四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。引出端排列及内部结构如右图，具有比较低的导通阻抗。另外，导通阻抗在整个输入信号范围内基本不变。CD4066由四个相互独立的双向开关组成，每个开关有一个控制信号，开关中的p和n器件在控制信号作用下同时开关。这种结构消除了开关晶体管阈值电压随输入信号的变化，因此在整个工作信号范围内导通阻抗比较低。与单通道开关相比，具有输入信号峰值电压范围等于电源电压以及在输入信号范围内导通阻抗比较稳定等优点。 6、对人体红外感应模块的使用处理 采用热释电红外开关，是BISS0001配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成的被动式红外开关。其有以下特点： 采用PIR热释电传感器 低功耗、静态功耗50uA 宽电压范围（DC 4.5-20V） 电路板体积小 感应距离7米 L不可重复触发/H重复触发 利用菲涅尔镜增大感应角度为110° 当检测到有人时，该模块将产生低电平，单片机采集到该信号后开启语音系统。 7、机器人方位识别的设计 为了解决机超声波正对前方的问题，特意做了如下设计：把一根针固定在步进电机的转轴上，让其随超声波，摄像头一起转动，当转轴上的针与旁边树立额针相接处时即表示超声波正对着前方。为了防止摄像头在拍摄四周情况时数据线缠绕问题，程序中以正前方为基准，让其正传一周后下次反转。启动机器后，系统会自动摆正位置。 8、超声波模块 HC-SR04超声波测试模块可测量2mm——400mm的非接触式距离， 精度可达3mm。 ★故障自检：超声波模块的工作时序如下图，根据时序图，在程序中，触发信号发生前后和等待超声波输出响应时，特意加入了对连接线路的检查功能，再根据不同位置的检测状况由单片机分析超声波是否工作，及其出现故障的原因，并最终把情况反映给操控端。 ★雷达模拟：通过精确控制步进电机的转动，以正前方为基准，使其每转动以固定角度后超声波工作一次，采集一次改角度时障碍物的距离，并把该次的数据和角度信息通过无线发送给控制端进行处理。 ★自动避障：车体在前进的同时超声波模块不停的向前发送超声波，当发现有障碍物并且靠近到一定距离时，车体将停止前行，超声波模块左右旋转，寻找合适的方向后继续前行。 9、摄像头连接 摄像头采用PTC08串口摄像头模块，通过标准的三线式 RS-232 通信接口以及简单的图像传输协议，与单片机连接；预留的红外补光功能接口可以外接红外灯板，在各种光照条件下清晰成像，生成JEPG格式图片。因为该摄像头工作电流为 80-100MA，红外灯工作时共有 200-300MA，耗电较大，同时因为串口摄像头是被动工作，因此在使用时使用可控的开关对串口摄像头的电源进行控制，以尽量减少电池能源的消耗。 由于无线模块每次发送的字节比较少，为32位，为了保证图片的质量和正常传送，设计中将摄像头缓存中的图片信息分次读取并发送，每次发送16位，并加上起始和结束标志各八位共32位。接收端将每次收到的图片数据过滤，提取有效数据并合并，重新恢复显示图片。 10、GPS模块的使用 本系统采用日本原装全新 JRC G591 模块，此模块基于 JRC 第九代方案，可支持多达 210PRN 通道，其中有 66 搜索通道和 22 同步跟踪通道，它支持l1波段信号集，如全球定位系统的C/A和SBAS（包括WAAS,EGNOS MSAS）具有较高灵敏性度以及跟踪性能。 G591参数如下： 结构尺寸：15.9*13.1*2.5mm 工作频率：L1, 1.57542 GHz 波 特 率：9600bps I/O 协议： NMEA0183 功 耗：38mW 定位精度：<2.5m 信号灵敏度：-164dBm 卫星信道：88 通道, (66 个捕获通道,22 个追踪通道) 启动时间：<1.5s(热启),<34s(温启),<35s(冷启) 该模块通过与单片机的UART接口连接，实现单片机的控制。该GPS模块配合摄像头采集来的环境图像信息进行精确定位，确定幸存者方位。 11、机器人电压测量 搜救机器人是在比较复杂的环境中工作，因此自身的能源问题是不得不不考虑的，否则就会出现有去无回的悲惨局面。所以就必须实时对其自身的能源进行监测，一担能量接近不足就要提前采取相应的措施。 为了节约I/O口，设计中采用了串行ADC0831对其自身能量监测。但为AD提供一个稳定的参考电压变成了难点。为解决这个问题，设计中使用了可编程精密参考TL431。TL431集成电路是三端可编程并联稳压二极管，这些单片集成电路电压基准如同低温度系数齐纳管一样运行，通过2个外部电阻可从Vref编程至36伏。这些器件显示出宽工作电流范围，在典型动态阻抗0.22欧姆时为1.0毫安至100毫安。 TL431的连接如下图： 芯片内部具有稳定的参考电压Vref=2.5V； 实际设计时令R1=0，R2= ∞；即R2处开路。 Vout即为AD的参考电压2.5伏，再用大电阻分压AD采集，通过单片机计算并用程序补偿校准，最后把准确的值返回给操控界面，并且当低于设定值时会发出报警提示。 12、无线模块 在搜救机器人模型设计阶段 我们采用RF1100-232无线模块作为无线传送工具。因为其具有以下优点： 低功耗，最大发射功率10mW 载频频段433MHz，免费ISM频段 高抗干扰能力和低误码率 传送距离远（9600bps时可传送距离大于200m） 256个可编程信道（20M频段） 无线模块的输出端直接和主单片机相连，直接把接收到的数据传递给主单片机；无线模块接收端与模拟开关相连接，接收来自从单片机和摄像头的部分发送的数据。 13、PC端的连接与控制 电脑已经成为很普通的工具，具有处理速度高，因此用PC操控与处理所接收到的数据有独特的优势。 在此，PC端操控程序用VC++编写，其硬件连接比较简单，只需用串口将其与无线模块连接即可。 14.ARM端的连接与控制 为了方便携带与控制，设计中特意使用了ARM作为手持控制端。利用evc在wince 5.0 平台上开发 三、上位机的设计： 上位机采用VC语言在MFC平台上开发Windows应用程序，为用户开发友好的操作界面，通过串口通信实现对下位机的实时控制，实时采集环境数据，并将获取的经纬度数据导入Google Earth，实现实时的定位导航，更直观的获取周围环境的地理信息采用JPEG库进行对图像的解码，将无线接收图像数据得以在窗口显示。 ARM采用EVC为开发工具，在WINCE5.0平台上进行嵌入式开发，对下位机进行实时的控制以及采集信息的分析处理。 以下为技术环节的详细介绍： 1.MFC开发平台 MFC,微软基础类(Microsoft Foundation Classes),实际上是微软提供的,用于在C++环境下编写应用程序的一个框架和引擎,VC++是Windows下开发人员使用的专业C++ SDK(SDK,Standard SoftWare Develop Kit,专业软件开发平台) MFC是Win API与C++的结合,API,即微软提供的Windows下应用程序的编程语言接口,是一种软件编程的规范，在MFC平台下开发软件，可以缩短开发的周期。 2.MSCOMM控件串口通信 MSComm 是 Microsoft 公司为简化Windows下串行端口编程而提供的ActiveX控件，它提供了一系列标准通讯命令的使用接口，为应用程序提供了通过串行口收发数据的简洁方法。处理数据的方式有事件驱动（Event-driver）、查询法(Inquire)两种。 该项目中采用事件驱动的方式进行串口通信。 事件驱动法 在使用事件驱动法设计程序时，每当有新字符到达、端口状态变化或发生错误时，MSComm控件将解发OnComm事件，而应用程序在捕获该事件后，通过检查MSComm控件的CommEvent属性可以获知所发生的事件或错误，从而采取相应的操作。这种方法的优点是程序响应及时，可靠性高。 3.Jpeglib图像的解码 JpegLib库开放源代码的组成 1）makefile。JpegLib库中有很多文件名为makefile的文件。它的后缀名表示它所用于的平台或用途。 2）makefile中LIBSOURCES变量所代表的文件是JpegLib的核心算法部分。 3）makefile中SYSDEPSOURCES变量所代表的文件是JpegLib中负责内存分配的部 4）makefile中APPSOURCES变量所代表的文件是JpegLib中提供诸如命令行压缩Jpeg之类的功能的部分，是一些工具。 5）makefile中INCLUDES变量所代表的文件是源代码中用到的头文件。 6）makefile中DOCS变量所代表的文件是一些文档、测试用例之类的东西。其中最有用的是example.c。 7）jconfig。JpegLib库中还有很多和makefile类似的jconfig，这是针对不同平台的类型声明。使用时，根据需要，将适当的jconfig文件的后缀名改为h。 4.嵌入式开发技术 以EVC为嵌入式开发工具，在WINCE5.0平台上开发了实时控制车体的软件，串口通信采集SerialPort类，采用事件驱动的方式与下位机进行通信，运用绘图技术，仿真出模拟雷达界面，更直观的读取超声波返回的数据
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 无法预料的灾难经常影响着我们的生活。如何在大范围内合理分配搜救工作，精准定位幸存者位置，提供受困者所处环境信息以协助搜救人员高效的完成搜救工作就显得尤为重要。 基本思路： 控制端利用谷歌地图给机器人导航，使其在指定区域内逐步缩小范围进行搜索。 各部分主要功能如下： PC控制平台：基于Windows XP和win7系统下的机器人控制软件，通过无线模块接收搜救机器人所发送的所有信息；利用接收到的GPS信息通过谷歌地图导航；可捕捉任意角度图片信息；模拟雷达界面,显示搜救环境基本信息。 ARM控制平台：用EVC在wince 5.0 平台上开发ARM控制端程序；实现PC控制端的所有功能。 车体机器人：用两块51单片机作为处理器，携带GPS，CMOS摄像头，红外，超声波，语音系统等模块，协调完成各个功能。 技术关键： 1、GPS的定位和谷歌地图导航，控制端通过谷歌地图给机器人指定工作点和搜寻范围； 2、图像的分割传送，重新组合与解码压缩； 3、搜救机器人自身健康的检测和自我分析； 4、大量数据通过无线模块的分时发送； 5、超声波雷达扫描的精确模拟； 6、自动寻找最适方向前行； 主要技术指标： 1、精确判断出故障原因； 2、准确采集机器人供电，误差0.01V； 3、图片的精确分割与重组, 无线范围内无失真现象； 4、雷达模拟扫描，角度误差<0.7度，距离误差<1cm； 5、谷歌地图导航误差<4m；
科学性、先进性
- 本作品结合实际需要，将现代通信技术、信息处理技术、控制技术、计算机技术和嵌入式技术等相结合，实现功能比较完备的自检和搜救功能。 将GPS与谷歌地图相结合，增强了实时的控制能力。 丰富的信息采集，更有助于协助搜救人员完成搜救任务。 视频图像的捕捉，模拟雷达的勘测，方便有效的掌握实际的情况。采用ARM控制，携带与操作方便。 整体的设计成本比较低，对实际问题的考虑比较全面，设计和构思有比较强的用价值。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年，该作品在西安电子科技大学第二十二届星火杯中获特等奖。
作品所处阶段
- 报告中所述功能基本完成和实现，但部分参数没有达到理想指标。
技术转让方式
- 未技术转让
作品可展示的形式
- 实物现场演示，有图片、视频记录
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：利用GPS和谷歌定位功能，实现机器人在指定区域的搜救工作，既可人工控制也可自动控制； 将超声波扫描和图像采集相结合，既可以知道具体的物体形状，又可以确定其所处的环境位置。 适应范围及推广前景：适用于各种灾害救援现场的勘察。由于系统对信息反馈较全面，且易于操作，因而对于救援工作什么有利，将会有很好的应用前景。 市场分析和经济效益预测：本系统制作成本较低，功能较全面，因而将会有很好的市场。
同类课题研究水平概述
- “911”事件救援工作中救援机器人的应用，使人们越来越看重机器人在搜救工作中的应用。机器人可以替代救援人员从事侦查、救援探测等许多准备或高危工作，方便救援人员制定最优的救援方案，减少人员的伤亡。在灾难现场中，救灾机器人能否迅速找到幸存者的位置以及对周围情况作出反馈，将关系着救援工作的顺利展开。在今后的救援工作中，智能搜救机器人将起到举足轻重的作用。 在国外，救灾机器人发展迅速。 InuKtun公司研制了机器人MicroVGTV，由于采用电缆控制，随着搜救范围的展开，其活动严重受到限制。日本大阪大学研制出蛇形机器人，能在高低不平的模拟废墟上前进，其顶端带有一部小型监视器,身体部位安装传感器，可以在地震后的废墟里寻找幸存者。美国iRobot公司研制了PackBot系列机器人，能适应崎岖不平的地形环境和爬楼梯，主要执行侦察任务、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任务。但是在人机交互、灾害现场环境的反馈以及控制上都还存在着一定的困难。美国加州大学伯克利分校研制出世界第一个苍蝇机器人，虽然侦测方便，但由于技术以及制作工艺的限制，暂时难以在国内推广。 在国内，救灾机器人的研究刚刚起步，但进展很快。中科院沈阳自动化所在2002年研制了一种蛇形机器人，由关节模块和蛇头、蛇尾组成，在监控系统的无线控制下可实现蜿蜒前进、后退、侧移、翻滚等多种动作，并能通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。国防科技大学在2001年也研制了一种蛇形机器人。中国矿业大学已开始研制煤矿救灾机器人。
