面向废墟内搜救的细长型多传感器移动机器人

论文摘要

地震、海啸等意外事故的发生常常会导致建筑物倒坍产生废墟,搜救被埋在废墟下的幸存者是一项非常紧迫的任务。为了提高搜救效率,保护搜救人员的安全,国内外都在大力发展搜救机器人技术,但由于废墟内环境的杂乱和狭窄,对机器人的移动能力、定位能力和人体探测技术等都提出了艰巨挑战。目前开发的搜救机器人多是针对废墟表层环境,且机器人体积较大,在废墟内部的狭窄空间和崎岖地面的移动能力较弱,无法长距离深入废墟内部。废墟内环境封闭不可视,操纵人员无法目视判断机器人的位姿,废墟内机器人的三维定位成为困扰搜救机器人的技术难题。为了实现在废墟内的人体探测及导航,搜救机器人通常配有摄像头等多传感器系统。这些搜救机器人提供的传感器功能有限,没能获取废墟环境下的温度、二氧化碳浓度、音频等其他传感器信息,且传感器的体积较大,传感器数据的通信没有统一集成,数据不便于远距离传输。本文针对灾后废墟内部环境的搜救任务,提出了一种细长型多传感器移动机器人设计方案。该机器人的机构由主动段和被动段构成。主动段是三连杆衔接的爬行驱动机构,实现机器人的爬行运动及姿态调整。被动段是多关节自由度的细长传感器软管(FST),每个关节上都带有电阻片式的测角编码器,可以实现高精度的全身三维定位。主动段和被动段都带有标准化的机械和电气接口便于多段的扩展,实现废墟内深入和长距离探测。设计的前端多传感器单元,能够进行视频、音频、温度和二氧化碳浓度的数据采集和网络传输,高集成度嵌入式系统和微型传感器的集成,来提高系统小型化水平和狭窄环境的通过能力。本文的研究内容概述如下:1.提出了由多关节自由度的被动段机构和三连杆主动段机构组成机器人本体机构的方案。机器人被动段里安装电阻片式测角编码器,能够获取各个关节的旋转角度。主动段的电机单元上安装1个运动控制模块内含1个控制板、驱动板和3个直流电机,一起完成主动段的爬行驱动和姿态调整。2.设计了一个机器人前端嵌入式多传感器单元。基于嵌入式系统,设计实现了多传感器功能应用电路,能够获取搜救前端视频、温度、二氧化碳等信息,以及提供机器人前端照明,并带有双向的语音通信功能。3.通过机器人主动段和被动段的关节角度值,建立了机器人的正运动学模型,实现了机器人三维定位的功能。通过OpenGL显示机器人的三维图形,可视化废墟搜救环境的地形状况。通过建立主动段机构的逆运动学模型,配合姿态驱动电机的位置闭环控制算法,完成搜救机器人姿态控制。4.编写了人机接口软件,实现了操作人员与机器人之间的通信和控制,完成机器人的三维显示定位、机器人控制以及前端多传感器单元监控等功能。5.在模拟废墟环境下的机器人样机实验演示了系统搜救性能,验证了本机器人具有在废墟环境下的移动能力,能够实现封闭环境的三维定位以及废墟环境下的多传感器信息的探测搜救等功能。本机器人能够运用于废墟环境下的探索和人员搜救,提高搜救效率,保障搜救人员的安全等。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 搜救机器人概述
• 1.2.1 搜救机器人研究现状
• 1.2.2 搜救机器人的典型应用
• 1.3 当前研究的主要难点及不足
• 1.4 本文研究内容及章节安排
• 第二章 机器人系统设计
• 2.1 机器人系统设计
• 2.2 机器人被动段
• 2.2.1 被动段机构组成
• 2.2.2 被动段上编码器
• 2.2.3 被动段机构功能
• 2.3 机器人主动段
• 2.3.1 主动段机构
• 2.3.2 主动段功能
• 2.4 运动控制模块
• 2.4.1 控制板
• 2.4.2 直流电源驱动板
• 2.4.3 USB-CAN 适配器
• 2.5 主被动段控制系统
• 2.5.1 控制系统结构
• 2.5.2 主动段运动控制算法软件
• 2.6 本章小结
• 第三章 前端多传感器单元设计
• 3.1 前端多传感器单元方案设计
• 3.1.1 前端多传感器单元功能模块方案设计
• 3.1.2 前端多传感器单元硬件设计方案
• 3.2 前端多传感器单元设计
• 3.2.1 前端多传感器处理器
• 3.2.2 前端多传感器单元功能模块设计
• 3.2.3 前端多传感器单元开发制作
• 3.3 本章小结
• 第四章 机器人运动学模型
• 4.1 被动段正运动学
• 4.1.1 被动段正运动学
• 4.1.2 姿态变量的计算
• 4.2 主动段正运动学
• 4.2.1 主动段衔接模型
• 4.2.2 主动段虚拟关节角与姿态传动轴的运动学关系
• 4.2.3 主动段正运动学
• 4.3 主动段逆运动学
• 4.4 本章小结
• 第五章 人机交互接口
• 5.1 机器人三维显示定位
• 5.1.1 计算机三维图形显示过程
• 5.1.2 机器人三维显示定位
• 5.2 机器人操纵指令生成
• 5.3 多传感器监控
• 5.3.1 视频监控
• 5.3.2 音频双向通信
• 5.3.3 其他传感器接收
• 5.4 本章小结
• 第六章 实验研究与分析
• 6.1 实验平台介绍
• 6.2 实验过程与分析
• 6.2.1 定位性能测试
• 6.2.2 移动性能测试
• 6.2.3 姿态控制实验
• 6.2.4 多传感器搜救测试
• 6.3 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文