本發(fā)明屬于智能機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在惡劣室內(nèi)環(huán)境下能夠智能避障、自主探測(cè)生命體的機(jī)器人，在探測(cè)生命體的同時(shí)能夠返回周圍環(huán)境地圖并在地圖中實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人自身的坐標(biāo)位置和歷史軌跡記錄。

背景技術(shù)：

無(wú)論在生產(chǎn)還是在生活中，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的地質(zhì)或人為災(zāi)害時(shí)，如：火災(zāi)、高?；瘜W(xué)品泄漏、建筑物塌陷等，惡劣的環(huán)境和二次災(zāi)害的不可控性都給救援人員的工作開(kāi)展帶來(lái)了極大的困難，浪費(fèi)了寶貴的救援時(shí)間，甚至還將危及救援人員的生命安全。因此，人們希望能夠在救援人員進(jìn)入事發(fā)建筑內(nèi)前使用帶有生命探測(cè)功能的機(jī)器人來(lái)幫助救援人員來(lái)尋找搜救目標(biāo)。

而在現(xiàn)階段的救援領(lǐng)域中，很少使用這樣的探測(cè)機(jī)器人，而且需要更多的人為遠(yuǎn)程操控，無(wú)法進(jìn)一步減輕救援人員的工作負(fù)擔(dān)和縮減人為操控帶來(lái)的時(shí)間消耗。傳統(tǒng)的生命探測(cè)機(jī)器人往往只具備單純的待救人員檢測(cè)的功能，救援人員還是無(wú)法獲得救災(zāi)建筑內(nèi)環(huán)境概況和待救人員在該環(huán)境中的準(zhǔn)確位置信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種自主定位與地圖構(gòu)建的智能生命探測(cè)機(jī)器人，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的只是從單一方面探測(cè)生命體的問(wèn)題。智能避障、自主檢測(cè)生命體的實(shí)現(xiàn)，減輕了遠(yuǎn)程操控帶來(lái)的工作負(fù)擔(dān)，也縮短了生命體的檢測(cè)時(shí)間。激光掃描系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境的地圖構(gòu)建，幫助救援人員掌握更多環(huán)境信息。同時(shí)，定位系統(tǒng)將檢測(cè)到的待救人員的坐標(biāo)位置信息顯示在室內(nèi)環(huán)境地圖上，并記錄機(jī)器人的歷史探測(cè)軌跡，以供救援人員制定有效的救援方案。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是：

一種自主定位與地圖構(gòu)建的智能生命探測(cè)機(jī)器人，它包括：移動(dòng)系統(tǒng)、終端系統(tǒng)及定位系統(tǒng)，移動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線連接實(shí)現(xiàn)與終端系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的雙向信息交互，定位系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線連接向終端系統(tǒng)單向傳輸數(shù)據(jù)；其中，所述的移動(dòng)系統(tǒng)包括行走模塊、微處理單元、生命探測(cè)模塊、遠(yuǎn)程報(bào)警模塊、激光掃描模塊、無(wú)線模塊和定位標(biāo)簽?zāi)K；所述的終端系統(tǒng)包括主控單元和無(wú)線通信模塊；所述的定位系統(tǒng)包括定位基站模塊和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊；其中：

所述移動(dòng)系統(tǒng)的行走模塊由小車、驅(qū)動(dòng)小車的直流電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和直流電機(jī)通過(guò)有線連接，并安裝在小車上；

所述移動(dòng)系統(tǒng)的定位標(biāo)簽?zāi)K由啟動(dòng)休眠模塊、調(diào)制模塊、UWB發(fā)射模塊組成，啟動(dòng)休眠模塊、調(diào)制模塊、UWB發(fā)射模塊通過(guò)有線電路集成；啟動(dòng)休眠模塊與調(diào)制模塊連接，調(diào)制模塊與UWB發(fā)射模塊連接；

所述移動(dòng)系統(tǒng)的激光掃描模塊包括激光掃描電機(jī)模塊和激光掃描邏輯模塊；激光掃描電機(jī)模塊和激光掃描邏輯模塊通過(guò)有線連接；

所述定位系統(tǒng)的定位基站模塊包括UWB接收模塊和解調(diào)模塊，UWB接收模塊與解調(diào)模塊通過(guò)有線電路集成，定位基站模塊與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊有線連接；

所述終端系統(tǒng)的主控單元與無(wú)線通信模塊有線連接；

所述的行走模塊、生命探測(cè)模塊、遠(yuǎn)程報(bào)警模塊、無(wú)線模塊、定位標(biāo)簽?zāi)K、激光掃描模塊與微處理單元通過(guò)有線連接，實(shí)現(xiàn)信息交互；所述的移動(dòng)系統(tǒng)的定位標(biāo)簽?zāi)K通過(guò)內(nèi)置的UWB發(fā)射模塊向定位系統(tǒng)的定位基站模塊發(fā)送UWB信號(hào)，定位基站模塊再通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與主控單元的信息交互；終端系統(tǒng)的主控單元通過(guò)無(wú)線通信模塊將處理完的信息發(fā)送給移動(dòng)系統(tǒng)的微處理單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)的控制；其中：

激光掃描模塊通過(guò)激光掃描來(lái)產(chǎn)生所在空間的平面點(diǎn)云地圖信息并判斷與周圍障礙物的距離和位置；微處理單元利用激光掃描模塊采集的距離和位置信息來(lái)控制行走模塊實(shí)現(xiàn)自主行走；終端系統(tǒng)利用激光掃描模塊采集的環(huán)境平面點(diǎn)云信息來(lái)構(gòu)建周圍環(huán)境地圖；生命探測(cè)模塊檢測(cè)環(huán)境中的生命特征，當(dāng)檢測(cè)到生命時(shí)，將電信號(hào)反饋給微處理單元，微處理單元控制遠(yuǎn)程報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警；定位系統(tǒng)向終端系統(tǒng)提供行走模塊在所處環(huán)境中的實(shí)時(shí)坐標(biāo)信息并記錄歷史運(yùn)動(dòng)軌跡。

所述的無(wú)線模塊的最大通訊距離為150米，支持UART協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸模式，高達(dá)1M緩存空間，最高支持波特率460800bps。

所述的生命探測(cè)模塊的紅外輻射范圍為3～50μm。

所述激光掃描模塊具有360度的掃描區(qū)域，有效測(cè)距為5～8米，距離和角度分辨率分別為10～15毫米和0.5～1度。

所述定位基站模塊定位精度達(dá)10～15厘米，射頻帶寬為2～3GHz。

所述定位標(biāo)簽?zāi)K標(biāo)簽的更新速率為1～10Hz，標(biāo)簽中心頻率為6～7GHz。

所述無(wú)線模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊及無(wú)線通信模塊結(jié)構(gòu)相同。

在本發(fā)明中，激光掃描模塊的運(yùn)用一方面使機(jī)器人在惡劣環(huán)境中能夠自主進(jìn)行生命檢測(cè)，而不需要人的遠(yuǎn)程操控；另一方面構(gòu)建的環(huán)境地圖能夠在沒(méi)有人員進(jìn)入的情況下展現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境信息，有利于救援策略的制定，降低了救援的難度。

定位系統(tǒng)的運(yùn)用不僅提供了檢測(cè)到的待救人員在環(huán)境中的坐標(biāo)信息，還記錄了機(jī)器人的歷史探測(cè)軌跡，提高了傷員搜救工作效率的同時(shí)減少了高危環(huán)境下救援人員的傷亡。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為本發(fā)明定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖5為本發(fā)明激光掃描模塊與微處理單元通訊圖；

圖6為本發(fā)明UWB信號(hào)定位流程圖；

圖7為本發(fā)明自主定位測(cè)距原理圖；

圖8為本發(fā)明激光掃描模塊的地圖構(gòu)建流程圖。

具體實(shí)施方式

為了便于理解，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明涉及的一種自主定位與地圖構(gòu)建的智能生命探測(cè)機(jī)器人的實(shí)施方式作進(jìn)一步闡明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、工作原理及工作過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖。

參閱圖1，本發(fā)明包括移動(dòng)系統(tǒng)1、終端系統(tǒng)2、定位系統(tǒng)3三大系統(tǒng)，移動(dòng)系統(tǒng)1通過(guò)無(wú)線連接實(shí)現(xiàn)與終端系統(tǒng)2、定位系統(tǒng)3的雙向信息交互，定位系統(tǒng)3通過(guò)無(wú)線連接向終端系統(tǒng)2單向傳輸數(shù)據(jù)。

圖2為本發(fā)明移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

參閱圖2，移動(dòng)系統(tǒng)1由生命探測(cè)模塊11、遠(yuǎn)程報(bào)警模塊12、激光掃描模塊13、行走模塊14、微處理單元15、定位標(biāo)簽?zāi)K16、無(wú)線模塊17組成。其中，所述激光掃描模塊13包括激光掃描電機(jī)模塊131和激光掃描邏輯模塊132；所述的行走模塊由小車141、驅(qū)動(dòng)小車的直流電機(jī)142以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊143組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊143和直流電機(jī)142通過(guò)有線連接，并安裝在小車141上；所述的定位標(biāo)簽?zāi)K16由啟動(dòng)休眠模塊161、調(diào)制模塊162、UWB發(fā)射模塊163組成。

微處理單元15通過(guò)控制行走模塊14中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊143來(lái)控制直流電機(jī)142的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)智能小車的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向，在行進(jìn)的過(guò)程中激光掃描模塊13實(shí)時(shí)對(duì)前方障礙物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并返回微處理單元15，微處理單元15通過(guò)返回信號(hào)判斷前方障礙物的位置，并驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)142進(jìn)行避障動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主生命探測(cè)。由于激光掃描模塊13所采集的數(shù)據(jù)是點(diǎn)集，通過(guò)無(wú)線模塊17傳送給終端系統(tǒng)2后，再經(jīng)過(guò)濾波除去雜點(diǎn)后進(jìn)行特征提取，用來(lái)構(gòu)建智能小車周圍的環(huán)境地圖。與此同時(shí)，定位系統(tǒng)3對(duì)正在監(jiān)控的定位標(biāo)簽?zāi)K16進(jìn)行確定，并將獲取到的定位標(biāo)簽?zāi)K16的方位信息發(fā)送到終端系統(tǒng)2，從而在終端系統(tǒng)2的環(huán)境地圖坐標(biāo)系統(tǒng)中能夠?qū)崟r(shí)顯示定位標(biāo)簽?zāi)K16的位置信息。當(dāng)生命探測(cè)模塊11探測(cè)到生命體時(shí)，微處理單元15將控制遠(yuǎn)程報(bào)警模塊12發(fā)出警報(bào)，并通過(guò)無(wú)線模塊17將警報(bào)發(fā)送給終端系統(tǒng)2。終端系統(tǒng)2的環(huán)境地圖上將顯示探測(cè)到的生命體的位置坐標(biāo)以及智能小車的歷史運(yùn)動(dòng)軌跡記錄。

移動(dòng)系統(tǒng)1在電路設(shè)計(jì)上主要采用集成電路來(lái)完成，特別是微處理單元15的主控芯片是采用基于Arduino平臺(tái)的Atmel Atmega328單片機(jī)。主控芯片的穩(wěn)定性好，反應(yīng)速度快，以數(shù)字方式處理信號(hào)，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的波形輸出失真，測(cè)量誤差多，程控反應(yīng)慢。由于主控芯片采用具有大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的Arduino開(kāi)放平臺(tái)，從而解決了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，體積笨重，難以達(dá)到較高控制精度等問(wèn)題。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊143的主芯片為L(zhǎng)298N，可以直接驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)，使整個(gè)移動(dòng)系統(tǒng)1保持在較低的功耗下工作。無(wú)線模塊17采用是Nordic公司的nRF24L01芯片，具有130μs的快速切換和喚醒時(shí)間，工作于2.4GHz～2.5GHz ISM頻段，數(shù)據(jù)傳輸率為2Mb/s，最大SPI速率為10Mb/s，由于融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，因而其通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置，不僅可用來(lái)實(shí)現(xiàn)微處理單元15與終端系統(tǒng)2的數(shù)據(jù)通信，還可用來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)系統(tǒng)1與定位系統(tǒng)2之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖3為本發(fā)明終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

參閱圖3，終端系統(tǒng)2包括無(wú)線通信模塊21和主控單元22。主控單元22進(jìn)行總體數(shù)據(jù)分析，處理由無(wú)線通信模塊21接收的包括移動(dòng)系統(tǒng)1和定位系統(tǒng)3的數(shù)據(jù)。主控單元22在接收移動(dòng)系統(tǒng)1的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行濾波除去雜點(diǎn)以及特征提取，用來(lái)構(gòu)建移動(dòng)系統(tǒng)1周圍的環(huán)境地圖。主控單元又通過(guò)接收定位系統(tǒng)3的數(shù)據(jù)，在構(gòu)建的環(huán)境地圖上實(shí)時(shí)顯示移動(dòng)系統(tǒng)1的位置。

圖4為本發(fā)明定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

參閱圖4，定位系統(tǒng)3由定位基站模塊31和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊32組成。其中，定位基站模塊31包括UWB接收模塊311和解調(diào)模塊312。定位系統(tǒng)3通過(guò)UWB接收模塊311來(lái)接收移動(dòng)系統(tǒng)1發(fā)射的UWB信號(hào)，并根據(jù)多次的UWB信號(hào)確定移動(dòng)系統(tǒng)1的位置，再將移動(dòng)系統(tǒng)1的位置信息通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊32發(fā)送給終端系統(tǒng)2。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)核心是實(shí)現(xiàn)智能探測(cè)、自主定位及環(huán)境地圖構(gòu)建，具體實(shí)施過(guò)程如下：

(1)智能探測(cè)

圖5為激光掃描模塊與微處理單元通訊圖。如圖5所示，微處理單元15通過(guò)TTL電平的UART串口信號(hào)與激光掃描模塊13的測(cè)距核心進(jìn)行通訊。激光掃描模塊13采用的是RoboPeak團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的低成本二維激光雷達(dá)解決方案RPLIDAR。微處理單元15向RPLIDAR發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文，RPLIDAR執(zhí)行完對(duì)應(yīng)的處理后向微處理單元15發(fā)送應(yīng)答報(bào)文。只有在微處理單元15發(fā)送了開(kāi)始掃描測(cè)距的請(qǐng)求后，RPLIDAR才會(huì)開(kāi)始掃描工作。RPLIDAR采用了激光三角測(cè)距技術(shù)，能夠發(fā)射經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外激光信號(hào)，該信號(hào)在照射到目標(biāo)物體后產(chǎn)生的反光將被RPLIDAR的視覺(jué)采集模塊接收，經(jīng)過(guò)嵌入在RPLIDAR內(nèi)部的DSP處理器實(shí)時(shí)解算，被照射到的目標(biāo)物體與RPLIDAR的距離值以及當(dāng)前的夾角信號(hào)將通過(guò)通訊接口輸出給微處理單元15，微處理單元15根據(jù)返回的數(shù)據(jù)值判斷障礙物的具體位置，然后控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)智能避障功能。

生命探測(cè)模塊11可以集中探測(cè)紅外輻射為3～50μm的紅外線，而人體皮膚的紅外輻射范圍也為3～50μm，其中8～14μm占全部人體輻射能量的46％，因此當(dāng)生命探測(cè)模塊11在檢測(cè)到的紅外輻射中，8～14μm波長(zhǎng)的紅外輻射占所有紅外輻射能量的40％～50％時(shí)，微處理單元15將控制遠(yuǎn)程報(bào)警模塊12發(fā)出警報(bào)。

(2)自主定位

圖6是UWB信號(hào)定位流程圖。如圖6所示，本發(fā)明涉及的UWB信號(hào)定位，包括以下步驟：①啟動(dòng)：微處理器15通過(guò)控制啟動(dòng)休眠模塊161將定位標(biāo)簽?zāi)K16從休眠狀態(tài)調(diào)至工作狀態(tài)；調(diào)制模塊162對(duì)標(biāo)簽的標(biāo)識(shí)等基帶信息進(jìn)行處理，然后通過(guò)UWB發(fā)射模塊163發(fā)射給UWB接收模塊311；

②解調(diào)：解調(diào)模塊312對(duì)UWB接收模塊311接收到的UWB信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，對(duì)正在監(jiān)控的定位標(biāo)簽?zāi)K16進(jìn)行確定，并獲取標(biāo)簽的方位信息；

③定位：定位系統(tǒng)3的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊32把定位基站模塊31測(cè)得定位標(biāo)簽?zāi)K16的精確的定位信息發(fā)送到終端系統(tǒng)2，由終端系統(tǒng)2進(jìn)行進(jìn)一步的處理；

④實(shí)時(shí)監(jiān)控：終端系統(tǒng)2的無(wú)線通信模塊21接收無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊32發(fā)送的定位標(biāo)簽?zāi)K16方位信息，實(shí)時(shí)對(duì)獲取的方位信息進(jìn)行交叉定位處理，獲得精確地位置信息并在二維坐標(biāo)系中呈現(xiàn)出來(lái)，實(shí)現(xiàn)定位標(biāo)簽?zāi)K16的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

為了避免由于定位基站模塊31和定位標(biāo)簽?zāi)K16的時(shí)鐘鐘差帶來(lái)的測(cè)量誤差，本發(fā)明采用雙向測(cè)距發(fā)來(lái)測(cè)量單個(gè)定位基站模塊31與定位標(biāo)簽?zāi)K16間的實(shí)際距離。

圖7為自主定位測(cè)距原理圖。如圖7所示，設(shè)節(jié)點(diǎn)A的計(jì)時(shí)時(shí)間(從節(jié)點(diǎn)A發(fā)送測(cè)距數(shù)據(jù)到B接收數(shù)據(jù)，并返回確認(rèn)幀給節(jié)點(diǎn)A的總時(shí)間)為T(mén)_A，節(jié)點(diǎn)B的計(jì)時(shí)時(shí)間(接受到A發(fā)送的測(cè)距數(shù)據(jù)并返回確認(rèn)幀的時(shí)間)為T(mén)_replyB，設(shè)測(cè)距信號(hào)的傳播延時(shí)為T(mén)_R，根據(jù)TWR測(cè)距模型，我們可以得出下面的計(jì)算公式：

T_A＝2T_R+T_replyB (1)

由公式(1)可以推出：

根據(jù)公式(2)就可以得到未知節(jié)點(diǎn)到基站的距離：

本發(fā)明中，將定位標(biāo)簽?zāi)K16是屬于移動(dòng)系統(tǒng)1的一部分，因此在二維坐標(biāo)系中實(shí)時(shí)顯示的坐標(biāo)信息便是移動(dòng)系統(tǒng)1在整個(gè)環(huán)境中的位置。當(dāng)生命探測(cè)模塊11檢測(cè)到生命體時(shí)，微處理單元15將激光掃描模塊13測(cè)量到的智能小車與生命體之間的距離與角度信息通過(guò)無(wú)線模塊17傳輸給終端系統(tǒng)2，終端系統(tǒng)2的人機(jī)交互界面上便可以顯示生命體在環(huán)境中的坐標(biāo)信息。

(3)環(huán)境地圖構(gòu)建

圖8為激光掃描模塊的地圖構(gòu)建流程圖。如圖8所示，激光掃描模塊13將采集到的激光原始數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊17傳輸給終端系統(tǒng)2。由于RPLIDAR所采集的數(shù)據(jù)是點(diǎn)集，終端系統(tǒng)2在接收到原始數(shù)據(jù)后進(jìn)行濾波和特征提取，再對(duì)特征提取處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行線段擬合，即可輸出地圖，通過(guò)對(duì)不同角度掃描的地圖進(jìn)行匹配得到最終的智能小車環(huán)境地圖。由于在室內(nèi)結(jié)構(gòu)環(huán)境下，本發(fā)明選擇直線作為特征來(lái)構(gòu)建環(huán)境地圖。首先將室內(nèi)環(huán)境下的掃描模型用若干段近似的直線段來(lái)表示，然后計(jì)算當(dāng)前掃描模型中每個(gè)點(diǎn)到掃描模型中各直線段距離中的最近距離，并以此作為各掃描點(diǎn)到參考模型的相似度，然后利用聚類法將符合目標(biāo)特征的點(diǎn)合并成一條線段。在得到多條線段后，利用最小二乘法對(duì)所得到的線段進(jìn)行擬合從而得到實(shí)際的直線特征，用擬合后的直線便可以表示智能小車的環(huán)境。最后，終端系統(tǒng)2通過(guò)將激光掃描模塊13從不同角度掃描的地圖進(jìn)行匹配后可得到最終的環(huán)境地圖。這樣，智能小車及探測(cè)到的生命體的坐標(biāo)信息便可顯示在環(huán)境地圖中，而智能小車的實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置的顯示可生成自身的運(yùn)動(dòng)軌跡，這些運(yùn)動(dòng)軌跡保存在主控單元中，方便調(diào)用和查詢。