基于WiFi技术的多功能小型搜救机器人

李章俊 沈天怡 华娇娇 王婉雪

【摘要】灾害发生后废墟空间环境复杂，通信中断，大型搜救设备难以快速到达，搜救工作面临诸多困难。本文介绍了一种基于WiFi技术的小型无线搜救机器人设计方案。该系统由具有WiFi功能的移动机器人和位于远程的操作终端构成，可以在没有WiFi网络或者3G网络的区域，进行移动搜救，环境参数探测，视频传输，数据传输和多机协同作业等多种功能。本文介绍了系统的硬件组成和软件设计方案。移动机器人部分由微处理器控制模块、底盘及设备运动驱动模块、摄像头及云台控制模块、无线模块、环境参数感知模块和电源模块等组成。操作终端通过WiFi与机器人进行数据通信。实验结果表明该机器人在无线网络下的移动控制，数据及视频传输有效。

【关键词】搜救机器人;WiFi;数据采集;视频传输;数据传输

引言

我国是世界上自然灾害最为严重的少数国家之一[1]，灾后救援中尤以地震救援最为复杂和危险。根据近几年地震救援情况不难看出，由于地震发生后废墟结构极不稳定，很容易对废墟中的救援队员造成危险。伴随地震的还有爆炸，火灾，山体滑坡等等突发情况，救援工作困难重重。一部分伤亡在主震瞬间即刻发生，拯救生命，分秒必争[2]。灾后的救援工作往往遇到废墟极易坍塌，大型搜救设备无法快速到达，废墟空间狭小且稳定性差，存在有毒有害气体等困难[3]。因此在危险及复杂环境下使用具有感知环境有害气体、温湿度等环境参数、感知生命信息，实现视频回传等功能，且行动平稳，结构稳定，可远程控制的搜救机器人具有重要的现实意义。考虑受灾现场往往通信出现中断等故障，搜救机器人尽量避免需要依靠外界通信设备，其本身就应该具有通信功能。WiFi是目前广泛采用的一种短距离无线通信协议[4]，具有成本低、使用方便等优势，可以接入因特网与各种终端进行数据传送。

本文根据灾后救援中的各种问题，提出一种基于WiFi技术的小型无线搜救机器人设计方案。这种机器人体积较小，可以在狭小空间中自由移动，自带无线通信设备，可以与远在几百米以外的搜救队员进行视频和数据交互，帮助搜救队员掌握被困者位置和现场环境情况。搜救人员通过具有WiFi功能的操作终端（手持设备或PC机）连接和操纵机器人，根据回传的视频和环境数据进行实时分析，实时调整机器人的位置和行动情况，对搜救做出判断。本文研究了搜救机器人的设计结构，从硬件和软件两方面介绍了系统的设计，并给出了系统的测试结果。

1.系统框架设计

本系统由具有WiFi功能的移动机器人和位于远程的操作终端构成。移动机器人通过摄像装置采集的现场视频信息，搭载于机器人上的各种传感器检测到的环境参数，视频和各种数据通过WiFi网络传送到操作终端。同时移动机器人接收操作终端发出的控制命令，调整机器人的运动状态和摄像头的位置，完成指定的任务。操作终端显示当前的视频和数据信息，通过对实时图像和各类参数数据的分析，向机器人发出控制信号。移动机器人与操作终端之间应用mipg、streamer，socket等技术，通过WiFi网络实现数据的双向通信，完成探测、搜救等任务。图1为搜救机器人的系统结构示意图。

2.系统硬件设计

移动式机器人硬件主要包括处微理器模块、底盘及设备运动驱动模块、摄像头及云台控制模块、无线模块、环境参数感知模块和电源模块等几部分构成。

2.1 底盘及运动控制模块

机器人底盘采用双履带式驱移动平台，可以较好地适应灾后复杂的地形变化，以提高机器人在非平坦地面上的越障能力和灵活性[5]。2个独立的电机分别驱动车轮和履带。为保证电源供电，采用双电源供电形式。电源模块1为可重复充电的移动电源，为微控器、摄像头、WiFi模块及传感器提供DC5V电源。电源模块2采用航模锂电池，经过LM2596稳压，将12V电压降至9V电压，为移动驱动模块提供DC9V电源。

电机驱动采用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N，驱动两个直流电机。L298N接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为+2.5～46V。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。微控器产生PMW信号可由微控器或操作终端根据机器人的现场环境情况调节和更改，当电机需要调速行驶时，就可以通过调用中断函数实现正转，反转和左右差速转弯的动态调速。电机驱动控制电路如图2所示。

图1 搜救机器人的系统结构图

2.2 摄像头模块及云台控制模块

视频采集部分由高清网络摄像头和红外摄像头构成。考虑到灾后现场灰尘，烟雾，采光不好等干扰因素，光学摄像头和红外摄像头同时捕捉现场图像，增强黑暗情况下的图像捕捉能力，提高对人体等生命信息的识别能力，帮助搜救队员了解机器人前方路面情况，判别生命迹象。当机器人移动到特定位置时，云台控制模块工作，云台由三自由度平台和高度控制装置构成，通过PWM脉冲控制舵机转向来调节摄像头的上下高度位置，可以在360°内自由旋转，也可以小范围调节摄像头的仰角，控制摄像头的摄像角度，实现多方位多角度的观察。摄像头如图3所示。

图3 摄像头模块

2.3 环境参数感知模块

环境参数感知模块主要包括温湿度采集、烟雾探测和热释电红外感应等模块。

温湿度参数采集采用SH11温湿度传感器，它内部将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口集成于一个芯片内，输出为数字信号，传送给微控器。

热释电红外感应模块可以感知人体红外信息，由热释电红外传感器P2288实现。P2288是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器。当感测到人体热释红外线的时候，P2288输出端输出一个很小的交流电流信号（约1.17毫安，0.3～10Hz的交流电流信号），经放大、I/V变换和电压比较后，输入到微控器。

烟雾探测模块由QM2实现，用于检测现场是否还存在烟雾，判别结构传送到微控器。

微控器将感知模块检测到的环境参数通过WiFi传送给操作终端并在终端上显示，提供给搜救队员以实时做出决策。

2.4 无线模块

无线模块负责构建一个可以运行底层协议的局域网。处于局域网中的各种终端，通过WiFi联网的移动机器人、通过以太网协议连网的上位机，都可在TCP/IP协议中的网络层及其之上各层进行数据的传输。

本系统中WiFi无线模块为GL.inet无线路由器，它具有150M无线速率，内置DDNS，具有独立访问域名，经Openwrt刷机后相当于一个Linux系统，支持连接USB摄像头，应用mipg.streamer，socket等可以很方便的实现PC机对移动机器人的控制。

WiFi模块与微控器之间通过串口方式进行双向数据通信，将摄像头采集的视频图像以及检测到的各种环境参数通过WiFi模块传送至控制终端。

3.软件设计

软件部分主要实现上位机与下位机的无线数据通信功能，上位机的操作界面，下位机与WiFi模块之间的通信协议以及下位机的数据采集及状态控制。

3.1 WiFi模块部分

WiFi模块实现构建一个可以运行TCP/IP协议的局域网。移动机器人与操作终端通过WiFi进行视频和各种检测数据以及控制命令的互相传送。本系统中无线通信采用TCP协议的Socket线程循环传输数据，具体过程如下：

机器人（服务器端）启动守护进程创建套接字Socket，建立IP地址，监听有效Socket端口，调用accept函数从连接请求队列中获得连接信息，等待与操作终端（客户端）建立连接。一旦连接成功，服务器端线程与客户端进行数据通信，服务器根据不同的请求，做出相应的处理，包括发送图像及环境参数数据或接受控制命令。客户端接受数据后，根据需要发送控制信号用来设置移动驱动信息给服务器端。数据通信完后关闭该线程，重新进入主线程循环建立发送线程。流程图如图5所示。

3.2 通讯协议包定义

由于单字符通信方式干扰较大，本系统下位机与上位机之间采用数据包格式传送指令，包头用0XFF，包尾用0XFF，无校验位，以不同的类型位表示不同的控制或操作命令。上位机利用无线网卡通过Socket发送数据包到路由器，路由器通过解包机制把数据包解开，通过串口发送到单片机并通过控制模块执行相关操作。上位机和下位机接受到数据包后只需去掉包头和包尾即可获得相应的指令信息。数据接收也是类似的方式。其协议规定如表1所示。

图5 WITF通信流程图

表1 通信协议包定义

图6 视频传输流程图

3.3 视频及环境参数数据传送程序

当下位机接收上位机发送的需要传送视频或环境参数数据命令时，打开视频设备，读取设备信息，进行视频采集，图像传送至上位机，流程如图6所示。

3.4 上位机

上位机部分基于windows CE.net技术，采用Visual Studio 2010编写C#上位机客户端，首先利用编程器自带的控件设置主视频界面、按钮和滚动条区域，再通过TCP/IP协议，创建Socket套接字的实例，对按钮设置相应的指令代码。为保证数据发送的安全性和准确性，我们在每个数据包中设置0XFF的包头和包尾，中间以6位16进制的数据位作为真实指令的内容，分别控制机器人前后左右移动，舵机旋转和各类传感器的数据采集等。再通过connect的连接到路由器，以Send的方式向路由器发送Byte格式指令，当发送结束时，使用Close的方式释放占用的资源。

3.5 下位机与WiFi的通信协议

WiFi模块与微控器模块之间通过串口进行数据通信，软件部分主要设置串口通信的波特率、通信协议等，这里不再详细论述。

4.系统运行实验

经试验证明本搜救机器人的无线数据通信可达到50米，采用履带式运z行机构在复杂情况下具有较好的越障功能，运行稳定可靠，实现了视频回传、环境参数检测、远程控制等功能，运行情况如图7所示。

5.结束语

本文设计的一个WiFi小型搜救机器人实现了无线视频传输，环境监测，数据传输和多机协同作业等多种功能。采集的视频、环境参数等信号可传输至任意可连接WiFi的上位机终端。因为WiFi无线模块本身就是一个无线信号的发射源，所以即使在没有WiFi网络的区域仍可使用。当机器人与控制终端距离较远或WiFi信号不足时，通过增加中继节点，可以提高WiFi功率，提高传输距离。经试验证明，本系统可用于狭小空间内的探测和搜救任务，完成环境参数检测，地形勘测等任务，可以极大的减轻救援人员的负担。

参考文献

[1]孙祁祥，郑伟，孙立明，等.中国巨灾风险管理：再保险的角色[J].财贸经济，2004（9）：3-10.

[2]易晓阳，刘学科.浅谈地震救援卫勤保障中应把握的几个重点[J].西南军医，2006，8.

[3]张策，赵国存，张国宏，等.地震废墟搜救机器人控制系统开发与应用[J].控制工程，2011，18（增刊）：76-77.

[4]杜毓聪，金连文.通过WiFi移动lP网络操控家用机器人方案在PDA上的实现[J].计算机应用，2009，29（7）：1865-1867.

[5]王鹏，李鑫，江文浩.地震搜救机器人构型设计综述[J].哈尔滨理工大学学报，2012（1）：15-19.

基金项目：本项目受河海大学常州校区2013年学生科技基金资助。

作者简介：李章俊（1992—），男，贵州贵阳人，大学本科，研究方向：自动控制。