基本信息
- 项目名称：
- 基于无线传感器网络和视觉的灾难搜救机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品针对突发灾难救援，开发了移动机器人系统，用于建立环境监测网络和搜救幸存者。作品采用六轮平台，通过无线进行遥控，可灵活攀爬楼梯；利用六自由度机械臂可在现场部署和组建ZigBee监测网络；设计了新型RF生命标签以标记幸存者，帮助救援人员确定幸存者具体位置；采用了新颖的头部姿态随动视觉系统，使操控者如身临现场，优化了操作体验，从而有效提高救援效率。
- 详细介绍：
- 为了能够帮助救援人员更加高效、安全地执行救援任务，设计了该款能够在灾害现场帮助救援人员执行搜救和侦察任务的遥控机器人系统。该机器人系统的核心功能包括三个方面：（1）移动机器人平台可携带无线传感器网络（WSN）节点，在灾难现场进行传感器网络的部署，并组建ZigBee无线传感器网络系统，及时发现潜在危险并指导救援人员搜寻幸存者；（2）机器人通过携带的基于ZigBee的“RF生命标签”装置，标记所发现的幸存者，并可根据RSSI机制帮助救援人员寻找幸存者;（3）机器人集成了基于视频眼镜的头部随动视觉系统，能够给机器人的遥控者带来更好的操控体验，提高工作效率，更有效地帮助救援人员完成搜索和侦察任务。 移动机器人平台采用了具有较强越野能力的六轮运动平台，能够完成爬楼梯、越障等高机动性动作，非常适合执行灾难现场的搜索与侦查任务。该机器人系统具有较强的的搜索和侦查能力，为了有效地对现场进行信息采集，由机器人携带各种无线传感器网络节点，通过其机械臂在现场部署WSN节点，结合机器人本身携带的移动节点，可构建实时监测的ZigBee传感器网络。操作人员可以根据机器人灾难从现场传来的信息，如是否具有可燃气体或有毒气体或是否具有被困幸存者等，有效地指导救援人员实施救援或躲避潜在危险。该系统除了具有信息收集能力外，还可通过捆绑微型对讲装置的RF生命标签可获得幸存者数量和相对距离信息，并提供语音通讯，辅助救援人员搜寻幸存者。由于搜救机器人需要进入人所不能观察到的灾难现场内部，其图像采集系统的性能对于机器人的搜索侦察能力具有重要影响。为了提高搜索侦察能力，设计了基于视频眼镜的头部随动视觉系统。该系统不但能够将影像和声音实时呈现给操作者，而且能够将操作者头部的运动传递给了机器人高清摄像机云台，使操作者与机器人同步观察，给操作者以完全的第一人称操作感。由于该搜救机器人平台高度相对较低，其摄像机高度低于30cm，能够充分利用火灾现场地面附近的能见度相对较高的空间执行搜索和侦察任务。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品针对突发灾难救援，开发了移动机器人系统，用于建立环境监测网络和搜救幸存者。作品采用六轮平台，通过无线进行遥控，可灵活攀爬楼梯，在现场部署和组建ZigBee监测网络；设计了新型RF生命标签以标记幸存者，帮助救援人员确定幸存者具体位置；采用了新颖的头部姿态随动视觉系统，使操控者如身临现场，优化了操作体验，从而有效提高救援效率。系统视觉清晰度为520电视线，遥控距离大于0.8Km，最大负载为5Kg，翻越楼梯坡度大于45°。
科学性、先进性
- 系统采用六轮独立悬挂式移动平台，运动灵活性优于履带式平台，具有良好的越障和攀爬能力；采用UC/OS-II系统对机器人各项功能进行管理，提高了运行可靠性；携带红外摄像机和辅助光源，可采集黑暗处的影像信息；可部署无线传感器节点到灾难现场并利用ZigBee技术实现自动组网，满足多节点的数据传输要求；捆绑微型对讲装置的生命标签，可获得幸存者数量和相对距离信息，并提供语音通讯，辅助救援人员搜寻幸存者；利用MEMS传感器实现摄像头对操作者头部运动跟踪的交互技术，给操作者更加真实的FPV操作体验，提高机器人操作效率。 参考文献：[1]王忠民．灾难搜救机器人研究现状与发展趋势[J]．测控技术,2007,256(17):152～155.
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物，视频，现场演示，图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品为半自主行驶的遥控机器人系统，操作者根据现场采集图像声音及传感器信息，通过遥控平台对机器人进行控制，结合头部姿态随动的视觉系统和手柄，操作者可获得较好操作体验。通过软件可查看由机器人部署的ZigBee传感器网络结构、生命标签信息及各传感器监测数据，使救援人员充分掌握现场实时情况。本机器人系统广泛适用于灾后废墟等高危环境，能有效减轻救援人员所面临的风险，提高救援行动的效率，具有良好的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 当今世界灾难频发，错综复杂、险象环生的灾害现场给救援人员及幸存者带来巨大的威胁，世界上许多国家已开始从国家安全战略角度研制灾难救援机器人，尤其是美国、日本等西方发达国家，以相继研发出各种用于灾难救援的机器人系统，如履带式搜救机器人、蛇形机器人等。目前灾难救援机器人技术正从理论和试验研究向实际应用发展。 911事件后，救援机器人技术在美国日益受到重视，多个高校的研究中心、国家研究机构和公司也同时进行了救援机器人的研究。南佛罗里达大学研制出安装有医学传感器的救援机器人Bujold；明尼苏达州大学研制出了一种特殊的机器人SCOUT，可用于多机器人并行作业；卡耐基梅隆大学研制出安装在移动平台上的蛇形机器人。作为一个多核能、多地震国家，日本在救援机器人方面开展了相对全面的工作。最近发生的日本地震以及引发的灾难事故，使得国际上对救援机器人的研究又掀起了新一轮的热潮，日本千叶大学紧急研制一款搜救机器人，整机防水防震，并可坚持在20SV的强放射性环境下工作，主要用于灾后地形侦测与放射性强度测量。在我国，灾难救援机器人也逐渐成为研究热点之一，国内许多高校和研究所已开展该领域的研究。其中由公安部上海消防研究所、上海交通大学和上海消防局三家单位共同研制“履带式、轮式消防灭火机器人”已经顺利投入使用并取得了良好的效果。中科院沈阳自动化研究所已经成功研制出针对地震灾害救援的复杂性的地震搜救机器人，可深入废墟、危险化学品环境实行救援，目前已进入示范应用阶段。 随着信息技术发展，传感器融合、无线传感器网络及传感器定位导航技术已成为救援机器人研究的重要领域；高可靠的通讯方式也是当前搜救机器人领域的研究热点之一；各种小型化的传感器检测装置在机器人上得到广泛应用，一些新兴的MEMS传感器也开始出现在各个机器人系统中，搜救机器人正向着小型化和便携式方向发展；智能机器人系统和人机交互技术也是当前搜救机器人领域的一个重要研究方向，得到国内外研究机构的重视。 考虑到废墟救援的实际需求，本机器人系统采用了六轮机器人平台，使用CC2430低功耗单芯片ZigBee的解决方案，实现无线传感器网络节点在灾难现场的部署和组网功能，并通过新颖的生命标签技术，辅助搜寻幸存者。系统具备先进的视觉跟踪系统，为操作者带来了良好的操作体验，有助于提高救援效率。
