智能水面搜救机器人设计方案研究

熊天健　肖珍

摘要：智能水面搜救机器人坚持以人为本的设计理念，采用人工手动控制和智能自动化控制为一体的控制方式，通过机器人底座皮划艇上配备的三轴陀螺仪、三轴加速度计、全向压力传感器、电子罗盘传感器、碰撞传感器、回充传感器等的驱动装置正常、快速运行，利用机体内的人体红外感应器、LDS 激光测距传感器、超声波传感器和图像成影防水摄像及视频装置进行搜索并定位被搜救对象，借助可伸缩承重机器人长臂、360度旋转腰部的伸缩调控以及具有轻柔微调性能的机器力量托抱起被救对象，采用光电编码器、电动船控制器、钓鱼船速度控制器等配合实现水面灵活回转快速靠站功能，第一时间把被搜救对象托放至水上救援艇上，实现省时、省力、精准、安全的水面救援。

关键词：水面搜救;智能;人体红外感应;全向压力传感;光电编码器

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.15.094

1方案概述

本方案产品坚持以人为本的设计理念，采用人工手动控制和全智能机器人自动化为一体的合二为一的控制方式，通过机器人底座皮划艇的驱动装置快速运行于水面，利用机体内的红外线装置和图像成影或防水摄像头视频装置进行搜索并定位被搜救对象，使用机械臂灵活的伸缩调控性能和强大的又具有温柔微调性能的机器力量托抱起被救对象，再加上水面灵活回转快速靠站功能，快速高效安全第一时间把被搜救对象托放至水上救援艇上，实现省时、省力、精准、安全的水面救援。

水面搜救机器人主要有两部分构成：智能驱动皮划艇底座和长手臂智能机器人。皮艇底座采用环保PVC材料，使用热熔压合技术工艺，保障船体不开胶、不脱胶、寿命长、耐用。配置船绳或牵引绳1条。机器人底座采用电动推进器，采用人工手动控制和智能自动化控制两种受控方式为一体的控制方式。

智能控制程序在“中学生机器人投篮大赛”中机器人控制程序的基础上进行修改，设计出能识别人体、追踪人体、抱住人的身体并把被救者准确放入救生艇内的一系列程序控制的智能搜救机器人程序，从而实现水面搜救机器人的全智能自动控制模式和人工手动控制模式。

一次搜救过程，可以只出动一个水面搜救机器人，也可以出动一个机器人装备队，如图1。

2总体设计原理

2.1智能水面搜救机器人的机械结构

智能水面搜救机器人主要由机体机构、控制机构、运行机构、救援机构组成。机体机构由长手臂智能机器人主体和智能驱动皮划艇底座组成。控制机构主要为声音传感器、主控电路板、伺服电机和中央处理主板等。运行机构主要为智能方向速度控制主板、运行电机和螺旋桨推进器。救援机构主要为可伸缩承重机器人长臂、360度旋转支架机器人腰、人体红外感应机器人鼻子、长焦摄像头机器人眼和目标定位机器人头等。

智能水面搜救机器人的机构如图2。

2.2智能水面搜救机器人的追踪搜救控制程序（以“萝卜太辣”机器人控制程序设计为例）

*****************************************************/

#include "ROBOTERRA.h"

/*--------------------- STEP 1 ---------------------*/

/************电子元器件的定义*****************/

RoboTerraRoboCore tom;

RoboTerraRedLight find;//红外扫描（根据具体红外扫描仪产品的参数再定）

RoboTerraServo catch1;

RoboTerraServo catch2;

/*--------------------- STEP 2 ---------------------*/

void attachRoboTerraElectronics（） {

/*************电子元器件的连接**************/

tom.attach（find，DIO_3）;

tom.attach（catch1，DIO_1）;

tom.attach（catch2，DIO_2）;

}

/*--------------------- STEP 3 ---------------------*/

if （EVENT.isType（ROBOCORE_LAUNCH）） { //激活

find.activate（）;

catch1.activate（180）;

catch2.activate（180）;

}

void catch（）{//抓住

catch1.rotate（60，5）;

catch2.rotate（60，5）;

}

void free（）{//放下

catch1.rotate（180，5）;

}

if（EVENT.isType（RedLight_ture））{

//测距（根据具体测距产品的参数再定）

tom.time（0.5）;

catch（）;

//返航（根据测距算出的具體位置）

tom.time（0.5）;

free（）;

}

2.3智能水面搜救机器人的工作机制

2.3.1支持机器人工作的核心部件

（1）配备三轴陀螺仪和三轴加速度计。

在机身上配备三轴陀螺仪和三轴加速度计。三轴陀螺仪可以检测在 yaw / pitch / roll 方向的角度变化，从而判断机器朝向，而三轴加速度计则可以判断扫地机器人在 X / Y / Z 三个轴的加速度，用来判定机器是否倾斜或有无突然的碰撞等状况。

（2）配备全向压力传感器。

机体船身的前、后、左、右、左前、右前、左后、右后共八个地方，以及机器人头顶上盖、船底螺旋桨周围低于螺旋桨部位，各配备一个全向压力传感器，实行360度全方位灵敏感应轻微碰撞，防止机器人被水面或水中物体卡住。

（3）配备电子罗盘传感器。

通过电子罗盘传感器的磁场感应，准确识别虚拟墙。当遇到虚拟墙时，会主动避开，不擅自进入被虚拟墙隔离的區域。在非施救区域、无工作环境区域或其它危险区域，使用虚拟墙进行隔离，保障搜救工作顺利完成。

（4）碰撞传感器。

在智能驱动皮划艇底座距离水面上下各20cm处安装一圈碰撞板，在碰撞板前后左右四个方向各装有一个光电开关。光电开关由一对红外发射对管组成，发光二极管发射的红外光线通过搜救机器人智能驱动皮划艇底座特制的小孔被光敏二极管接受，当机身碰撞板受到碰撞时，碰撞板就会挡住皮划艇底座特制小孔，阻碍红外线的接受从而向控制系统传达信息。此结构可避免测量盲区带来的误差，以保证搜救机器人和附近物品的安全。

（5）配备回充传感器。

有了回充传感器，控制器会向红外线发射器发送信号，红外线发射器向四周发射红外线。充电基座安装有红外线传感器，感受到来搜救机器人发射来的红外线后，会向搜救机器人发射红外线。搜救机器人内部的红外线传感器接收到后会向控制器发送信号，控制器就会控制搜救机器人按照接收到红外线的方向找到充电基座，并在备用电量启动之时自动返回进行充电，以保证搜救工作继续，直到全部完成。

（6）配备手动遥控装置。

本搜救机器人同时配备船模遥控器、机器人遥控器、监控视频遥控器等操控设备，可以实现人工手动操作。在必要的时候，通过视频传输，远程同步，采用人工手动遥控操作，以确保达到营救安全系数最大化。

2.3.2水面搜救定位

（1）配备人体红外感应器。

在机身上配备被动红外探测器，当被搜救人体进入搜救感应区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，开关自动接通负载，启动驱动设备靠近人体实施营救。当人体离开搜救感应区，开关及时自动关闭并启动“目标消失”报警。

（2）配备LDS 激光测距传感器。

在机身上配备LDS 激光测距传感器，获取距离信息。当激光投射到人体特征的物品上时，会在传感器里形成光斑。同时，图像传感器会根据光斑的像素序号来计算到激光测距传感器的中心距离。

（3）配备超声波传感器。

在机身上同时配备超声波传感器，传感器由负责发射超声和负责接收超声两部分组成，声波在水中传播的速度是1500m/s，根据发射和接收的时间差可以计算并得到与被救物之间的距离，并根据直线距离和水域情况制定搜救路线。根据发射和接收的时间差还可以计算并得到与障碍物之间的距离，从而避免碰撞，透明物体也能正确感应提前减速并采取绕道或清理措施。

2.3.3操控模式

（1）自动模式工作状态。

当开关启动，工作模式激活，人体红外感应机器人鼻子、长焦摄像头机器人眼和目标定位机器人头进入工作状态，搜救系统筛选出目标信号，判断出救人方位，运动系统开始驱动运行，在运行过程中规划路线，并根据实际情况需要随时修改重新规划路线。

距被救人员9米时，360度旋转支架机器人腰进入工作状态，随即，可伸缩承重机器人长臂开始根据实际情况判断并调节作业长度。

待运行系统找到最佳营救位置的时候，360度旋转支架机器人腰旋转到正面朝施救方向，可伸缩承重机器人长臂往水中伸长，把机器手掌至于被救人身下，平托举被救人出水面，然后360度旋转支架机器人腰旋转180度，把被救人投放在搜救机器人身后跟着的皮划艇上。

若有第二个，第三个……被营救目标，重复上面的工作。期间若电量消耗过大，启用了备用电池，则中断营救工作，寻找回充传感器，返回充电，并通知其它机器人队员接替工作。若施救工作完成，则胜利返航。

（2）手动模式工作状态。

启用手动模式，可由工作人员使用遥控器操作控制系统，激活工作模式，使人体红外感应机器人鼻子、长焦摄像头机器人眼和目标定位机器人头进入工作状态，使搜救系统筛选出目标信号，判断出救人方位。

或者遥控调节监控器，从视频搜索判断被救人方向和具体方位。然后手动遥控船模遥控系统驱动水面搜救机器人前行。

到达营救位置后，通过遥控机器人驱动360度旋转支架机器人腰旋转到正面朝施救方向，驱动伸缩承重机器人长臂往水中伸长，从视频中判断被救人的方位和状况，驱动机器手掌至于被救人身下，平托举被救人到空中，驱动360度旋转支架机器人腰旋转180度，把被救人投放在搜救机器人身后跟着的皮划艇上。

施救工作完成，手动遥控船模遥控系统驱动水面搜救机器人胜利返航。遥控工作人员可以在岸边遥控，也可以在皮划艇上、机器人旁遥控操作搜救、施救过程。

（3）自动模式和手动模式的切换。

自动模式和手动模式的切换，由遥控器上的切换按钮来完成。默认模式为自动模式，当按下手动模式的按钮后，自动模式停止运行，手动模式开始运行;当按下自动模式的按钮后，手动模式停止运行，自动模式开始运行。

当水面搜救机器人处在充电状态时，手动模式、自动模式都停止运行。

智能水面搜救机器人运行流程图，如图3所示。

3结语

本智能水面搜救机器人体积不大，灵活多用，可随意单用或组合用，适应于各种水域，比如海面、河面、湖面、水库、小溪、水池、大型游泳馆等，甚至适合极其恶劣环境中使用，如台风、海啸等的水域，以及洪涝、水涝灾害发生地，高温、低温水域，有毒物质渗入水域，有潜在危险的水域等等。

本智能水面搜救机器人智能化强，可自我定位，及时实施搜救;可调节救援速度，应对复杂水域;可自行充电，确保全面完成施救;可自动操控和手动操控自由切换，便于随时更有效地保证救援效果;可自带救生艇和救援医疗设备，以及操控工作人员、医护救治人员，为更有效地实施搜救，进行施救，完成护救提供了条件。

相信，这样一款智能水面搜救机器人的研发，会为人类带来福音，会为人类在自然灾害面前减少损失提供很大的帮助。

本机器人的不足之处是还没有实现工作状态中对皮划艇底座的紧急抢修，一旦在施救过程出现底座损坏泄露影响机械操作情况，只能中断救援工作返航维修。所以，每次救援最好准备多台机器人，以便紧急替换。

参考文献

[1]刘思.未来机器人的现状及发展趋势探讨[J].现代商贸工业，2017，（13）.