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一种灾后救援六足 机器人自主探测系统及方法

阅读：980发布：2020-05-14

专利汇可以提供一种灾后救援六足机器人自主探测系统及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种灾后救援六足机器人自主探测系统及方法，涉及机器人技术应用领域，本系统包括控制模块、感知模块、执行模块以及监控模块；六足机器人采用改进人工势场法进行自主探测，在未检测到灾后伤员时，GPS与惯性测量单元设定值作为六足机器人移动的目标点；在检测到灾后伤员时，六足机器人更改传感器优先级，将灾后伤员位置作为六足机器人移动的目标点。六足机器人通过神经网络算法融合超声波与红外光电开关数据进而实现六足机器人的避障与越障，采用卡尔曼滤波算法融合GPS与惯性测量单元数据完成六足机器人的自主定位与导航，结合红外热释电传感器的合理布置完成对灾后伤员的感知与定位，实现六足机器人的自主探测功能。，下面是一种灾后救援六足机器人自主探测系统及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种灾后救援六足机器人自主探测系统，其特征在于：包括控制模块22、感知模块
23、执行模块24以及监控模块25；
所述控制模块22包括上位机树莓派8和下位机STC单片机12；所述上位机树莓派8和所述下位机STC单片机12采用RS-232转USB串口18以及所述Wi-Fi模块20的连接方式用以实现上位机与下位机之间的信息传输；
所述感知模块23包括1个惯性测量单元2、1个单目摄像头3、1个GPS模块1、4个红外热释电传感器4、3个红外漫反射光电开关5和2个超声波传感器6、6个薄膜压力传感器7和6个电压转换模块19；所述惯性测量单元2置于六足机器人机体中心位置，所述GPS模块1置于惯性测量单元2与六足机器人前进方向相反方向上，所述6个薄膜压力传感器7分别置于六足机器人6条腿的足端位置并通过所述6个电压转换模块19连接所述STC单片机12，所述单目摄像头3、所述2个超声波传感器6和所述3个红外漫反射光电开关5采用分层布局结构：上层单目摄像头3置于所述树莓派8上并通过USB线连接树莓派8，单目摄像头3所朝方向为六足机器人的前进方向；中层2个超声波传感器6所朝方向与单目摄像头3朝向方向夹角30°，两个超声波传感器之间的夹角为60°；下层有3个红外漫反射光电开关5，其中一个红外漫反射光电开关5所朝方向为单目摄像头3朝向方向，其余两个红外漫反射光电开关5与单目摄像头3朝向方向夹角60°，相邻两个红外漫反射光电开关5夹角为60°；4个红外热释电传感器4置于六足机器人顶部，其中一个红外热释电传感器4与单目摄像头3朝向方向为同一直线作为人体感知系统的中心，另外三个红外热释电传感器4以人体感知系统中心的热释电传感器为中心，以中心到单目摄像头距离为半径均匀分布；
所述执行模块24包括18个伺服舵机，18个舵机每3个一组，共分成6组，分别对应六足机器人的六足，每组的3个舵机，分别对应六足机器人的髋关节9、膝关节10和踝关节11；
所述监控模块25包括服务器15、显示器16、鼠标和键盘17，监控模块25通过Wi-Fi模块
20和控制模块22获取感知模块23上传的数据，进而获取六足机器人的本体信息26以及外界环境信息27；操作者通过服务器15、鼠标和键盘17向六足机器人发送指令，辅助六足机器人运动。
2.一种灾后救援六足机器人自主探测方法，通过权利要求1所述的一种灾后救援六足机器人自主探测系统实现，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、操作者通过远程监控模块25向六足机器人上位机树莓派8发送目标点位置，六足机器人向人为设定的目标点移动；
步骤2、在六足机器人向目标点移动的过程中，六足机器人通过红外热释电传感器4探测是否有灾后伤员存在，如果没有探测到灾后伤员，六足机器人继续向操作者设定的目标点移动，如果检测到灾后伤员，六足机器人将灾后伤员的位置作为目标点并向其移动。
3.根据权利要求2所述的一种灾后救援六足机器人自主探测方法，其特征在于，步骤2中所述的六足机器人向目标点移动的过程中，上位机树莓派8通过卡尔曼滤波算法融合GPS模块1和惯性测量单元2的数据实现自主定位，通过神经网络算法融合超声波传感器6和红外漫反射光电开关5的数据实现六足机器人的避障与越障；树莓派8将传感器信息处理后的决策发送给下位机STC单片机12，下位机通过控制18个舵机进而实现六足机器人的运动；
树莓派8处理通过传感器获取的外界环境信息27和六足机器人姿态信息26进而构成闭环控制系统，六足机器人根据当前位置和目标点位置以及机体姿态信息26和外界环境信息
27完成六足机器人的路径规划，进而实现六足机器人的自主探测功能。

说明书全文

一种灾后救援六足机器人自主探测系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人技术应用领域，尤其涉及一种灾后救援六足机器人自主探测系统及方法。

背景技术

[0002] 在世界各地，由于自然灾害、化学药品泄漏以及恐怖活动等原因，灾难时常发生。虽然人们对灾难的警觉和反应能力有所提高,但是灾难发生后由于灾难现场环境复杂，很多人往往死于不及时的救援。如果救援人员贸然进入现场实施救援,极易造成新的伤亡。所以灾难发生后第一时间若能获取现场情况，探明幸存者所在位置，对于之后实施进一步救援工作和减少人员伤亡具有重要的意义。将具有自主智能的救援机器人用于危险和复杂的灾难环境下搜索和营救幸存者，是机器人学中的一个新兴且富有挑战性的领域。六足机器人的步态多样，肢体结构丰富，是仿生足式机器人的代表。相比于传统的轮式,履带式移动机器人，六足机器人具有运动灵活，可靠性高等优点。随着研究人员对六足机器人的研究不断深入，各高校和科研院所在六足机器人的结构、步态、多足控制等方面均取得了显著的研究成果并且研制出了多种性能优良的试验机，在一定程度上实现了机器人的仿生运动。目前机器人的救援工作很大程度上依赖于人工操作。当机器人工作在人类无法辨识的环境时，人类的决策能力有限，很难对机器人下达正确的指令，机器人的自主探测能力有待提高。

发明内容

[0003] 本发明的目的是在远程监控六足机器人的基础上，针对人类难以辨识的环境，提高六足机器人的自主感知和探测能力。

[0004] 为实现上述目的，本发明提供了一种灾后救援六足机器人自主探测系统及方法。

[0005] 一方面，本发明提供了一种灾后救援六足机器人自主探测系统，其特征在于：包括控制模块22、感知模块23、执行模块24以及监控模块25；

[0006] 所述控制模块22包括上位机树莓派8和下位机STC单片机12；所述上位机树莓派8和所述下位机STC单片机12采用RS-232转USB串口18以及所述Wi-Fi模块20的连接方式用以实现上位机与下位机之间的信息传输；

[0007] 所述感知模块23包括1个惯性测量单元2、1个单目摄像头3、1个GPS模块1、4个红外热释电传感器4、3个红外漫反射光电开关5和2个超声波传感器6、6个薄膜压力传感器7和6个电压转换模块19；所述惯性测量单元2置于六足机器人机体中心位置，所述GPS模块1置于惯性测量单元2与六足机器人前进方向相反方向上，所述6个薄膜压力传感器7分别置于六足机器人6条腿的足端位置并通过所述6个电压转换模块19连接所述STC单片机12，所述单目摄像头3、所述2个超声波传感器6和所述3个红外漫反射光电开关5采用分层布局结构：上层单目摄像头3置于所述树莓派8上并通过USB线连接树莓派8，单目摄像头3所朝方向为六足机器人的前进方向；中层2个超声波传感器6所朝方向与单目摄像头3朝向方向夹角30°，两个超声波传感器之间的夹角为60°；下层有3个红外漫反射光电开关5，其中一个红外漫反射光电开关5所朝方向为单目摄像头3朝向方向，其余两个红外漫反射光电开关5与单目摄像头3朝向方向夹角60°，相邻两个红外漫反射光电开关5夹角为60°；4个红外热释电传感器4置于六足机器人顶部，其中一个红外热释电传感器4与单目摄像头3朝向方向为同一直线作为人体感知系统的中心，另外三个红外热释电传感器4以人体感知系统中心的热释电传感器4为中心，以中心到单目摄像头3距离为半径均匀分布；

[0008] 所述执行模块24包括18个伺服舵机，18个舵机每3个一组，共分成6组，分别对应六足机器人的六足，每组的3个舵机，分别对应六足机器人的髋关节9、膝关节10和踝关节11；

[0009] 所述监控模块25包括服务器15、显示器16、鼠标和键盘17，监控模块25通过Wi-Fi模块20和控制模块22获取感知模块23上传的数据，进而获取六足机器人的本体信息26以及外界环境信息27；操作者通过服务器15、鼠标和键盘17向六足机器人发送指令，辅助六足机器人运动。

[0010] 另一方面，本发明提供一种灾后救援六足机器人自主探测方法，通过前述的一种灾后救援六足机器人自主探测系统实现，包括以下步骤：

[0011] 步骤1、操作者通过远程监控模块25向六足机器人上位机树莓派8发送目标点位置，六足机器人向人为设定的目标点移动；

[0012] 步骤2、在六足机器人向目标点移动的过程中，六足机器人通过红外热释电传感器4探测是否有灾后伤员存在，如果没有探测到灾后伤员，六足机器人继续向操作者设定的目标点移动，如果检测到灾后伤员，六足机器人将灾后伤员的位置作为目标点并向其移动；

[0013] 步骤2中所述的六足机器人向目标点移动的过程中，上位机树莓派8通过卡尔曼滤波算法融合GPS模块1和惯性测量单元2的数据实现自主定位，通过神经网络算法融合超声波传感器6和红外漫反射光电开关5的数据实现六足机器人的避障与越障；树莓派8将传感器信息处理后的决策发送给下位机STC单片机12，下位机通过控制18个舵机进而实现六足机器人的运动；

[0014] 树莓派8处理通过传感器获取的外界环境信息27和六足机器人姿态信息26进而构成闭环控制系统，六足机器人根据当前位置和目标点位置以及机体姿态信息26和外界环境信息27完成六足机器人的路径规划，进而实现六足机器人的自主探测功能。

[0015] 本发明的有益效果：

[0016] (1)本发明结构设计巧妙，操作简单，超声波传感器和红外漫反射光电开关的分层布置提升了六足机器人避障和越障性能，RS-232转USB串口和局域网建立通讯系统的设计使感知模块、控制模块、监控模块和执行模块之间的信息传输更加高效可靠，有益于实现人机共享控制。

[0017] (2)本发明对红外热释电传感器在环形布置进行了改进，提高了六足机器人感知人体的性能，使六足机器人能够感知人体的靠近与远离以及人体的方位角度。

[0018] (3)本发明通过编程记录机器人接收的指令次数并结合机器人步长和超声波传感器的数据变化来计算机器人移动的距离，再结合惯性测量单元，实现六足机器人在GPS 信号差的环境下进行自主定位，进而实现改进人工势场法的路径规划。附图说明

[0019] 图1为本发明的系统框架图；

[0020] 图中，1-GPS模块，2-惯性测量单元，3-单目摄像头，4-红外热释电传感器，5-红外漫反射光电开关，6-超声波传感器、7-薄膜压力传感器，8-树莓派，9-髋关节，10-膝关节，11-踝关节，12-STC单片机，15-服务器，16-显示器，17-鼠标和键盘，18-USB串口，19-电压转换模块，22-控制模块，23-感知模块，24-执行模块，25-监控模块；

[0021] 图2为本发明的硬件连接示意图；

[0022] 图3为本发明的前视图；

[0023] 图4为本发明的俯视图；

[0024] 图5为本发明的人体感知系统工作原理图；

[0025] 图6为本发明的自主探测流程图。

具体实施方式

[0026] 本发明提供了一种灾后救援六足机器人自主探测系统及方法。

[0027] 一方面，本发明提供了一种灾后救援六足机器人自主探测系统，如图1，图2所述，包括控制模块22、感知模块23、执行模块24以及监控模块25；

[0028] 所述控制模块22包括上位机树莓派8和下位机STC单片机12；如图3和图4所示，所述上位机树莓派8和所述下位机STC单片机12采用RS-232转USB串口18以及所述Wi-Fi模块20的连接方式用以实现上位机与下位机之间的信息传输；如图4所示，在六足机器人顶部放置4个红外热释电传感器4。如图5所示，将位置2、3、4的热释电传感器4的部分透镜用黑色不透明胶布遮挡，并将热释电传感器4的感知距离设置为1米，使位置2、3、4的传感器的感知区域为B、C、D区。将位置1的热释电传感器的感知距离设置为2米，使其感知区域为A、B、C、D区域之和。通过热释电传感器4的先后触发顺序可以判断机器人是否靠近或者远离灾后伤员。
通过2、3、4位置的传感器可以判断伤员的大致方向；

[0029] 所述感知模块23包括1个惯性测量单元2、1个单目摄像头3、1个GPS模块1、4个红外热释电传感器4、3个红外漫反射光电开关5和2个超声波传感器6、6个薄膜压力传感器7和6个电压转换模块19；所述惯性测量单元2置于六足机器人机体中心位置，所述GPS模块1置于惯性测量单元2与六足机器人前进方向相反方向上，所述6个薄膜压力传感器7分别置于六足机器人6条腿的足端位置并通过所述6个电压转换模块19连接所述STC单片机12，所述单目摄像头3、所述2个超声波传感器6和所述3个红外漫反射光电开关5采用分层布局结构：上层单目摄像头3置于所述树莓派8上并通过USB线连接树莓派8，单目摄像头3所朝方向为六足机器人的前进方向；中层2个超声波传感器6所朝方向与单目摄像头3朝向方向夹角30°，两个超声波传感器之间的夹角为60°；下层有3个红外漫反射光电开关5，其中一个红外漫反射光电开关5所朝方向为单目摄像头3朝向方向，其余两个红外漫反射光电开关5与单目摄像头3朝向方向夹角60°，相邻两个红外漫反射光电开关5夹角为60°；4个红外热释电传感器4置于六足机器人顶部，其中一个红外热释电传感器4与单目摄像头3朝向方向为同一直线作为人体感知系统的中心，如图5所示，另外三个红外热释电传感器4以人体感知系统中心的热释电传感器为中心，以中心到单目摄像头3距离为半径均匀分布；

[0030] 所述执行模块24包括18个伺服舵机，18个舵机每3个一组，共分成6组，分别对应六足机器人的六足，每组的3个舵机，分别对应六足机器人的髋关节9、膝关节10和踝关节11；

[0031] 所述监控模块25包括服务器15、显示器16、鼠标和键盘17，监控模块25通过Wi-Fi模块20和控制模块22获取感知模块23上传的数据，进而获取六足机器人的本体信息26以及外界环境信息27；操作者通过服务器15、鼠标和键盘17向六足机器人发送指令，辅助六足机器人运动。

[0032] 另一方面，本发明提供一种灾后救援六足机器人自主探测方法，如图6所示，通过前述的一种灾后救援六足机器人自主探测系统实现，包括以下步骤：

[0033] 步骤1、操作者通过远程监控模块25向六足机器人上位机树莓派8发送目标点位置，六足机器人向人为设定的目标点移动；

[0034] 步骤2、在六足机器人向目标点移动的过程中，六足机器人通过红外热释电传感器4探测是否有灾后伤员存在，如果没有探测到灾后伤员，六足机器人继续向操作者设定的目标点移动，如果检测到灾后伤员，六足机器人将灾后伤员的位置作为目标点并向其移动；

[0035] 步骤2中所述的六足机器人向目标点移动的过程中，上位机树莓派8通过卡尔曼滤波算法融合GPS模块1和惯性测量单元2的数据实现自主定位，通过神经网络算法融合超声波传感器6和红外漫反射光电开关5的数据实现六足机器人的避障与越障；树莓派8将传感器信息处理后的决策发送给下位机STC单片机12，下位机通过控制18个舵机进而实现六足机器人的运动；

[0036] 树莓派8处理通过传感器获取的外界环境信息27和六足机器人姿态信息26进而构成闭环控制系统，六足机器人根据当前位置和目标点位置以及机体姿态信息26和外界环境信息27完成六足机器人的路径规划，进而实现六足机器人的自主探测功能。

[0037] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

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