一种履带式消防侦察机器人

大学生创新创业训练计划项目申报表推荐学校西安航空学院项目名称一种履带式消防侦察机器人项目类型创新训练项目项目负责人马磊申报日期2016年3月21日陕西省教育厅制二○一四年五月项目名称一种环境探测履带式机器人项目类型（√）创新训练项目（）创业训练项目（）创业实践项目项目实施时间起始时间：2016年3月完成时间：2017年4月申请人或申请团队姓名年级学校所在院系/专业联系电话E-mail主持人马磊2014级西安航空学院电子工程学院[e-mail]成员雷振华2014级西安航空学院电子工程学院[e-mail]张斌2014级西安航空学院电子工程学院[e-mail]程靖义2014级西安航空学院电子工程学院[e-mail]肖遥2014级西安航空学院电子工程学院[e-mail]指导教师姓名李亚胜研究方向光电探测技术、仪器仪表技术年龄29行政职务/专业技术职务讲师主要成果指导教师主要从事光电测试和仪器仪表技术的研究，主要研究成果如下：1、参与出口援助项目《四光幕立靶空间坐标测量系统》，利用四套光幕靶按照一定角度摆放，按照一定算法实现弹丸的坐标测试。参与整个测试系统的开发与调试；负责测试系统硬件的设计；系统集成、安装、调试和实验。2、负责某军工企业《基于CPLD技术的时间测量仪设计》项目。该项目实现飞行目标在某一点或某一距离的速度。本人负责整个仪器硬件和软件的设计、调试和交付验收。3、某研究生外接项目《多路时间序列控制仪设计》。采用MCU+可编程逻辑器件的设计思路，设计了一种多路时间序列控制仪，用于按预先设定的时间延时后产生延时脉冲触发多路测试设备工作。本人负责整个仪器的硬件设计和软件设计、调试与交付验收。4、某研究院外接项目《多站点测试系统同步系统设计》。实现功能：采用GPS加计数电路实现多站点测试的同步性。本人负责同步电路的设计与调试；协助项目负责人实现整个系统的安装、调试。发表相关学术论文共7篇。一、项目实施的目的、意义近年来，随着技术的进步，天然气等易燃易爆气体泄漏引发的火灾、爆炸等事故逐年下降，但事故数量和死亡人数仍然偏高。在易燃易爆气体外泄的情况下,需要及时气体强度分布,追踪泄漏源。比如去年的天津港爆炸事件，就是因为救援人员未对事故现场和事故发生原因做出正确的判断，从而导致了巨大人民生命和财产损失。因此，对事故现场情况的完全掌握是救援成败的决定因素之一。但是面对相对复杂的事故现场，仍需要救援人员携带相关设备进入未知的危险环境，很有可能会造成不必要的人员伤亡。另外，在高温、缺氧、能见度低等恶劣条件下，救援人员无法对事故现场出正确的判断，制定合理的救援方案。因此研制一种代替救援人员快速进入事故现场，对其温湿度、泄漏气体的浓度以及内部环境等进行实时探测的环境探测机器人，对事故预报预警及灾后快速救援具有重要意义。目前，国外在探测、救援方面进行和很多研究，投入较大的是美国、前苏联以及后来的英国、日本等一些国家也纷纷开始研究此类技术。消防机器人应用最多的还是日本，其以内燃机或电动机作为动力，配置驱动轮或履带行驶机构，能爬坡、越障碍等动作，控制距离为100-150米，配有气体检测仪器和电视监视设备。美国智能系统与机器人中心研究设计的探索机器人RATLER，用于灾难后的现场侦查工作,机器人携带红外夜视摄像头、陀螺仪和部分气体检测器等装备。采用无线遥控方式,传送距离76米。近年来，我国消防型机器人的研制工作也得到了政府有关部门的支持，目前已有了自行式消防炮，已经通过验收和准备产业化生产阶段。但是总体而言，我国的研发机器人仍处于落后阶段，用于消防的除了自动检测火灾和自动灭火技术比较成熟之外，还有很多不足之处，大多都是固定式的，而且在远程探测危险气体和环境实时传输给决策者方面技术很不成熟，还有很长的路要走。。履带式消防侦察机器人是一种作为无生命载体的消防型轮式机器人，在面临高温、有毒、缺氧、建筑物坍塌和浓烟情况等各种复杂的环境中，履带式消防侦察机器人能够在探测人员不需要进入环境状况下通过远程操作，对灾害现场环境中信息数据进行采集。这样不仅能够大大减少消防人员的伤亡，也能够让决策人员做出准确的判断，有效的把危险系数降到最低，控制危险的扩大化发展，保护人民财产和生命安全。履带式消防侦察机器人集计算机技术、传感技术、控制技术、电子电力技术、音频和图像传输处理技术和机械工业等高端学科的结合体。能够针对环境进行数据的收集、处理、分析、传输反馈等工作。可顺利高效的对事故现场环境信息的收集。本项目设计一种履带式消防侦察机器人，可通过远程控制对事故现场的温湿度、危险气体的浓度的探测，并且以数据的形势传输给操作人员，利用图像传输技术，使得事故现场的环境情况实时传输到屏幕，直观、准确的作出判断。二、项目研究内容和拟解决的关键问题根据项目分析，本项目设计一款可适应各种复杂环境，可实时探测事故现场的温湿度、天然气浓度和现场环境图像探测，利用无线遥控的履带式消防侦察机器人。项目内容：1）履带式机器人研制。履带式机器人是整个消防侦察机器人的基础，通过控制两个电机的转速，来控制小车的左右转向，原地旋转，前进，后退等动作，实时传输消防现场的环境参数，通过舵机来控制图传装置的转动和仰角，通过图像传输来实时传回小车周围的环境状况，通过观察，来进行操控，从而实现远程遥控。2）环境感知系统研制。环境感知系统是履带式消防侦察机器人的核心，能实现对事故现场温湿度、气体浓度和事故现场图像的采集，为救援人员制定方案提供现场依据，为救援人员进入现场探明通道。3）遥控器研制。遥控器是对机器人远程控制的关键部件，直接关系到救援侦查成败与否。发出指令控制小车的前进、停车、倒车、转弯、调头等动作4）无线数据和图像传输模块研制。无线数据和图像传输模块分为图像传输模块和数据传输模块组成，完成现场视频图像和天然气浓度等环境参数的传输，并将天然气浓度等环境参数显示在计算机的显示器上。拟解决的问题：1）多传感器数据融合。履带式消防侦察机器人具有温度传感器、湿度传感器、气体浓度传感器和CCD图像传感器等多个传感器，在软件设计时必须考虑到多传感器数据融合问题。2）数据及图像远距离无线传输。传输系统设计既要采用有效的数据压缩方法降低传输代码率，应尽量节省传输带宽，要求数据和图像的实时传输，因此要选择数据和图像压缩的算法必须高效、易于实现、同时延时短等特点。3）机器人防爆设计。机器人除自身结构稳定外，还必须采用防爆技术。在事故现场，可能存在高温、有毒和浓烟等更加复杂，让人难以预料的情况，小车本身一定不能作为“引爆器”，使得现场变得更加的不可控制。4）远程控制抗干扰问题。形成干扰主要有干扰源、传播途径和接收载体，会形成静电干扰、磁场耦合干肉和漏电干扰等。解决方法可进行屏蔽、隔离和滤波。三、项目研究与实施的基础条件本实验在指导教师李亚胜老师指导下完成，李老师毕业于测控技术与仪器专业，研究生阶段主要以光电测试技术和仪器仪表技术为主题展开研究。到我院后从事于测控技术与仪器专业教学和研究。前期的相关研究为本次实验做了很大的铺垫，技术方案、思路清晰、研究准备充分，为开展本项目的研究打下了良好基础。项目成员来自于自动化专业和测控技术与仪器专业，有马磊、雷振华同学目前为我校机器人协会成员，主要从事人形机器人方面的设计和制作，准备参加全国机器人大赛；同时，利用51单片机成功制作电子时钟、计算器和超声波测距。程靖义和张斌同学参加过航模队的培训和实践操作，对于飞机的控制系统、数据和图像传输系统有很深刻的研究。冯明辉同学动手、协调能力强，在实验和课程设计中成绩突出。四、项目实施方案研究方案及思路：履带式机器人无线接收模块无线发射模块无线接收模块环境感知系统环境感知系统1）履带式机器人研制。履带式机器人是整个消防侦察机器人的基础，主要由履带式车体、直流电机及其驱动电路、核心控制板、电源模块和遥控信号接收模块组成。通过控制两个电机的转速，来控制小车的左右转向，原地旋转，前进，后退等动作，实时传输消防现场的环境参数，通过舵机来控制图传装置的转动和仰角，通过图像传输来实时传回小车周围的环境状况，通过观察，来进行操控，从而实现远程遥控。2）环境感知系统研制。环境感知系统是履带式消防侦察机器人的核心，由温湿度测量系统、气体浓度检测系统和图像采集系统组成，实现事故现场温湿度、天燃气气体浓度和事故现场图像的采集，为救援人员制定方案提供现场依据。温湿度检测系统DS18B20单线数字温度传感器和HIH4602L相对湿度传感器实现事故现场温湿度的采集；气体浓度检测系统采用CH4气体浓度传感器，探明现场的气体浓度。图像采集系统采用CCD图像传感器实现事故现场图像采集任务，为救援人员进入现场探明通道；3）遥控器研制。遥控器是实现机器人远程控制的关键，直接关系到救援侦查成败与否。应具有抗干扰能力强、信号传输稳定可靠、功耗低、成本低、以实现等显著优点。本次研究使用华科尔D10远程遥控控制，主要由：发射机、接收机、电机和电源等组成。工作原理：发射机发出编码指令后，经接收机接收处理、解码后，发出指令调节电机转速，进而控制小车的前进、停车、倒车、转弯、调头等动作。电源为接收机和电机提供能源，一般由锂电池组成，续航能力强。4）无线数据和图像传输模块研制。无线数据和图像传输模块分为图像传输模块和数据传输模块组成，完成现场视频图像和天然气浓度等环境参数的传输。采用FPV实时图像传输器将环境现场的图像传回显示在计算机的显示器上；同样，采用433M无线模块数据传输模块将天然气浓度等环境参数显示在计算机的显示器上。五、学校可以提供的条件电子电工实验室（示波器、函数信号发生器、模拟实验台、单片机试验台）、机器人创新实验室（简单模具加工）、航空模型创新实验室、大学生创新创业基地。六、预期成果本次研制的履带式机器人，在天然气气体泄漏中，操作人员利用遥控可在600m范围内控制机器人进入事故现场，实时监测空气中的天然气气体浓度及环境温度，通过车载摄像头实时监测事故现场环境。七、经费预算序号项目经费开支金额1专用设备购置费20002元器件、制版等材料费50003资料印刷费5004论文发表5000八、导师推荐意见签名：年月日九、院系推荐意见院系负责人签名：二级学院（部）盖章年月日十、学校推荐意见：学校负责人签名：学校盖章年月日十一、省教育厅评审意见：单位盖章年月日注：表格栏高不够可增加。