智能化应急救援系统的设计与实现.pdf

信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期智能化应急救援系统的设计与实现陈虹安,陈冬昌,马洽颖,刘茂林(江门职业技术学院 广东 江门 529000)【摘摘要要】灾后环境复杂多变,传统的救援方式无法满足智能化应急救援的需求,无法对灾后现场信息进行实时监控,不利于救援工作的开展。本文针对灾后环境的检测及生命探测,设计了一款多功能智能化应急救援系统。该系统可以在危险环境中代替人体进行环境参数的检测及灾后生命体的探测等工作,既可以减少人员的伤亡,又可以精准地检测到环境的参数变化及生命体的位置,为实施救援工作提供重要的依据。【关关键键词词】灾灾后后救救援援;环环境境监监测测;生生命命探探测测;六六足足机机器器人人【中中图图分分类类号号】TP31 【文文献献标标识识码码】A 【文文章章编编号号】1009-5624(2023)07-0194-040 引言近年来,自然灾害频频发生,造成了巨大的损失1。人们不能阻挡灾害的发生,但灾后救援却是力所能及之事,其中伤员救援更是重中之重。灾害发生的 48 h 内是最佳的救援时间,可灾后环境复杂多变,灾后生命体位置无法确定严重阻碍着救援工作的开展,同时也对救援人员的生命造成了威胁2。本文设计了一款多功能智能化应急救援系统。该系统可以在危险环境中代替人体进行环境参数的检测及灾后生命体的探测等工作,为救援工作提供重要的依据。1 系统方案移动机器人可分为轮式机器人、履带式机器人、仿生足式机器人和混合式机器人四大类3,它们各有其优缺点,具体如表 1 所示。由于多足机器人在瓦砾地面、狭窄空间的适应能力和穿越能力非常强4,非常适合灾后环境的救援工作。因此,本课题将六足机器人作为搜索机器人,进行设计和控制技术的研究。表 1 各类移动机器人比较轮式机器人履带式机器人混合式机器人仿生足式机器人优点移动速度快、驱动简单、在平稳路面工作效率高可越凸台、沟槽、阶梯等障碍可越凸台、沟槽、阶梯等障碍腿运动灵活、在未知、复杂、非结构环境下适应能力更强缺点在复 杂、未 知 环 境 下 运 动困难效率低、运动惯性大,在复杂环境下容易翻转、卡轮控制复杂、价格昂贵自由度多、控制复杂 本项目设计的智能化应急救援系统主要以六足机器人越障系统作为载体,搭载灾后环境及生命体探测系统,可在瓦砾地面、狭小空间内穿行,采集灾后信息数据,并基于无线传感网络将采集到的数据传送至手持终端,也可以通过手持终端向机器人发送控制命令。系统总体设计如图 1 所示。图 1 系统总体设计框图2 功能与指标2.1 智能化应急救援系统主要实现功能2.1.1 开发六足机器人越障系统实现六足机器人越障系统的开发。控制六足机器人多条腿协调动作,优化该机器人在瓦砾地面、狭小空间内适应能力与穿越能力,使适应于灾后的复杂、未知环境,能在恶劣的灾后环境中进行越障、探测等灾后救援工作。2.1.2 开发灾后环境与生命体探测系统实现智能救援机器人对灾后环境参数与生命体的实时探测。智能救援小车的生命体探测系统以 STM32 单片机为核心,采用火源检测模块、温湿度检测模块、可燃气检测模块、CO 检测模块等对灾后的火源、温湿度、可燃气体及 CO 等参数进行实时检测,采用红外生命体检测模块对生命体进行检测并且实现实时上传手持终端。2.1.3 开发基于无线传感网络数据传输、手持终端实时显示与控制系统实时上传智能小车采集的灾后环境及生命体参数至手持终端,并且可进行遥控及实时显示,作为救援人员监控、指挥和决策的重要依据。2.2 本系统的技术指标本项目严格按照国家相关标准确定本项目产品的技术条件,同时发挥无线通信技术、地磁感应技术特色,主要达到以下标准。(1)智能化应急救援系统中所有检测参数的检测精度达到国家规定的标准;491信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期(2)控制终端中的遥控流畅,传输的视频清晰;(3)具备完善的保护功能和故障自诊断功能,包括设备过流保护、欠压报警、电池耗尽报警和设备破坏的保护;(4)实现与手持终端的实时传输,可主动发布实时检测信息。3 硬件设计3.1 六足机器人运动学模型六足机器人是由机架、六条腿及相应的关节组成的一个多支连运动结构5,如图 2 所示。为了让机器人实现运动并能灵活地在各种复杂环境移动,需要针对机器人运动位置、每条腿 3 个关节的转动角度、位置关系进行设计6。本文采用 D-H 数学模型建立六足机器人运动学模型。图 2 搜救机器人模型图 3 搜救机器人单腿结构D-H 矩阵为:n-1Tn=Trans(ai,0,di)ro tzn-1(n)ro txn()(1)trans(an,0,dn)=100an0100001dn0001(2)ro tzn-1(n)=cos n-sin n00sin ncos n0000100001(3)ro txn(n)=10000cos n-sin n00sin ncos n00001(4)经计算,可得:n-1Tn=cos n-sin ncos ncos nsin nancos nsin ncos ncos n-cos nsin nansin n0sin ncos ndn0001(5)表 2 各参数意义参数参数意义d为 zn-1与在 zn轴上分别做的两条公垂线的距离为 xn-1绕 zn-1旋转至 xn平行的旋转角度,逆时针为正a称为关节偏移,表示 zn-1与 zn的垂线距离称为关节气团角,表示 zn-1绕 xn-1旋转至 zn平行的旋转角度,逆时针为正3.2 机器人核心控制板设计在该系统中,主要是由 2 个单片机座位电路设计的芯片,其中 stm32F103c8t6 进行传感器信息的收集和传输信息,stm32f103zet6 进行舵机控制运算,核心控制板设计如图 4 所示。图 4 核心控制板设计STM32F103ZET6 是 STM32 家族中性能比较高端的单片机7,将单片机作为智能搜救系统的主控控制器芯片,其内核主要是 Cortex-M3。处理速度快,工作效率高。3.3 电源稳压及其电路设计智能化应急救援系统电源采用的是 2S 锂电池,其输出电压为 7.4 V。由于不同的模块用的电源各不相同8,如 MCU 与空气检测模块所需电压分别是 3.3 V 与 5 V,所以设计了不同的电路来输出不同的电压供各个模块使用,如图 5 所示。MP1584 是一种高性能高频降压芯片9,通过芯片MP1584 来输出稳定的 5 V,并且带负载能力也能达到要求。4 系统软件设计整体程序可划分为 3 大部分:(1)主程序部分。该程序主要进行系统的初始化操作,开外中断、设置定时器,让机器人处于复位状态,然后主程序循环判断命令,如果判断是开启自动运行生命探测系统,机器人就会开始自动运行爬入废墟。同时每隔 2 s就对附近的温度进行检测,同时传出数据。591信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期图 5 电源电路原理图(2)环境检测系统,当机器人处于开机状态时,有害气体的查询也会同时开启,当查询到有害气体时,机器人会大声报警并将数据传输到上位机。(3)外部中断程序。该部分程序主要是当生命检测系统探测到生命体后可以跟受灾者进行语音,同时对受灾者进行物资援救,增加受灾者生存率,也为消防救灾者提供点上的帮助10。5 系统测试5.1 避障测试机器人在行走的过程中,超声波传感器发出超声波信号。遇到障碍后,将数据反馈到机器人,通过时间差来判断机器人与障碍之间的距离。测试超声波避障反馈回来的数据如图 6 所示。图 6 超声波避障反馈回来的数据 5.2 环境参数及生命体检测测试智能化应急救援系统实现对灾后环境参数测量和灾后生命体的实时探测。如图 7 所示。5.3 App 控制测试本作品的 App 的控制键有开、关、坐下、招手、摇手、前进、后退、左转、右转等按键,可进行自动循迹避障,并可图 7 环境参数及生命体检测图传送摄像头画面等数据至上位机。如图 8 所示。图 8 手机控制过程测试6 功能与特色(1)实现六足机器人越障系统的开发。控制六足机器人多条腿协调动作,能在恶劣的灾后环境中进行越障、探测等灾后救援工作,在搜救辅助方面非常有价值。(2)实现对灾后环境参数与生命体的实时探测。智能化应急救援系统集灾后的火源、温湿度及 CO 等多参数检测于一体,实现了复杂多变的灾后环境的实时检测;实现了灾后生命体的探测,为救援人员提供了准确的生命体位置,为救援节省了时间,增加了生命体幸存的概率。(3)实时上传采集的灾后环境及生命体参数至手持终端,并且可进行遥控及实时显示,作为救援人员监控、指挥和决策的重要依据。691信息记录材料 2023 年 7 月 第 24 卷第 7 期7 结语综上所述,智能化应急救援系统采用了六足机器人为载体,能够在灾后形成的瓦砾地面、狭窄空间内稳定穿越,实时监测复杂多变的灾后环境参数,实现灾后生命体的探测;能将相关参数实时传输至控制台,为救援工作的实施提供了重要的依据。【参考文献】1 贾硕,张文昌,吴航,等.救援机器人研究现状及其发展趋势 J.医疗卫生装备,2019,40(8):90-95,100.2 千承辉,胡睿帆,王洪超,等.一种灾后探测救援机器人系统设计 J.实验室研究与探索,2014,33(4):22-25.3 游雪辉,张松.基于 GPS 和 UWB 混合定位的自动搜救机器人设计J.成都工业学院学报,2019,22(02):29-33.4 张航铭.新型智能机器人的控制系统开发应用 J.自动化应用,2018(3):131-132,135.5 钟新华,蔡自兴,邹小兵.移动机器人运动控制系统设计及控制算法研究 J.华中科技大学学报(自然科学版),2004,32(S1):133-136.6 王飞.救援机器人控制系统及信息处理研究 D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2014.7 孙亚飞.基于超声波的自动避障双轮平衡车控制系统设计J.信息通信,2018,31(2):215-217.8 程德福,凌振宝,赵静.传感器原理及应用 M.2 版.北京:机械工业出版社,2019.9 黄一航,解迎刚,马晓宇,等.机器人大赛中的物联网感知和机器视觉的应用 J.物联网技术,2020,10(4):90-92,95.10 陈炜,马利,王立柱.救援机器人通信系统的应用和发展研究综述 J.消防科学与技术,2016,35(8):1117-1120.基金项目:2020 年度江门市基础与理论科学研究类科技计划项目(2020030101590005212);2021 年度广东省科技创新战略专项资金项目(pdjh2021b0966)。作者简介:陈虹安(1989),男,广东江门,硕士,讲师,研究方向:电子产品开发、信号处理及控制。(上接第 193 页)能解决的范围。部分软件在使用后,其内部的数据传输、算力分析可能会出现错误,此时,利用数据挖掘技术的记录功能,能够在系统出现问题时,进行自动地修复和升级。5.5 完善开源软件的挖掘工作开源软件在软件的开发和施工过程中占据很重要的位置,因此,对开放源码软件的研究具有重要的现实意义。其中克隆码的识别是一项非常重要的工作,已被广泛用于开放源软件的开发,它能够高效地实现数据的拷贝与粘贴。在信息化、集约化的发展环境中,软件项目的开发也需要根据市场需求和现实条件进行相应改革。在大数据时代,人们的需求信息、企业发展信息等都已转化为一条条的数据,通过数据挖掘技术对数据进行分析、处理,可以更加了解当下市场的需求,为软件开发企业降低运营风险和管理成本。5.6 通过数据挖掘技术实施对软件项目的管理目前,软件项目的开发工作正朝着系统化、复杂化的方向发展。在软件工程领域,数据挖掘是一个非常重要的研究课题,而数据挖掘过程的执行记录也是数据挖掘技术的一部分。因此,通过执行记录对软件运行的路径进行优化,可以更加清晰地了解软件各模块之间的联系。经济的发展、社会的进步推动着人们生活状态也在发生变化,软件项目为迎合市场需求也会变得越来越庞大,因此,传统的项目管理理念已经无法适用于现代的开发项目,如果不能很好地解决此项问题,不仅会对软件项目本身造成影响,导致项目的进度受阻,更重要的是不完善的软件流到市场后会带来更大的经济损失和社会安全问题。所以,要在软件工程中充分发挥数据挖掘技术的功能,确保软件项目的稳定有序。6 结语综上所述,在信息爆炸时代,人们每天所接收到的信息是不计其数的,仅凭人力已无法有效地处理。随着信息技术的迅速发展,许多新的技术被投入到了研究之中,数据挖掘技术就是其中之一。通过本文介绍可知,数据挖掘技术可以应用于信息挖掘、软件管理、漏洞检测等方面。而要能够有效地利用数据挖掘技术还需要技术人员应不断地更新自己的观念,将数据挖掘技术与软件管理有机地结合起来,简化数据处理工作的同时提升数据信息的利用率,促进整个社会的发展。【参考文献】1 朱赋阳.数据挖掘技术在计算机软件工程中的应用J.数字技术与应用,2023,41(1):126-128.2 孙辉.计算机软件工程中的数据挖掘技术应用J.大众标准化,2022(2):122-124.3 刘知云.关于数据挖掘技术在软件工程中的应用分析J.电脑知识与技术,2021,17(24):27-28.4 井文英.基于计算机软件工程中的数据挖掘技术实践分析J.软件,2022,43(7):72-74.5 常玲霞,宋娅菲,石秀君.基于云计算的计算机软件测试技术分析 J.网络安全技术与应用,2022(3):59-60.作者简介:江诗敏(1968),男,湖北武汉,本科,工程师,研究方向:计算机软件。791