多环境下的智能探测机器人的研究

多环境下的智能探测机器人的研究

摘要：通过分析灾害发生后的道路状况恶劣、现场环境复杂、救援设备不力等

实际问题，根据对国内外灾后探测设备的研究，自主研制了一种多环境智能探测

机器人。该机器人是一种可在灾害发生后代替救援人员进入救援现场，实施搜索

和救援废墟中的被困人员以及探测现场情况的多功能机器人，它具备越障功能、

清障功能、搜索功能、救援功能和应急救助功能，具有不依赖于电力设施、环境

适应能力强、体积小、重量轻、成本低等特点。

关键字：探测机器人多环境履带小车

1 前言

近年来，国内外地震、煤气泄漏、火灾等灾害频发。这些灾害造成了严重的人员伤亡和

财产损失。这些灾害发生后首要的任务是现场状况和被困人员的探测工作。然而这些探测行

动都遇到了同一个难题，因灾害过后现场情况复杂（如：有害物质泄露、现场高温、灾后空

间狭小），致使救援人员无法进入现场了解情况，救援工作难以展开。现在的探测机器人一

方面其优势在于多自由度，运动灵活，但是体积大、价格昂贵；另一方面是体积小巧、运动

灵活但功能单一，可靠性不高。为了有效回避以上探测机器人的缺点，我们设计了一种能在

多种环境下进行智能探测的机器人，它具有体积小，运动灵活，能适应多种复杂情况、进行

简单救援的优点。

2 系统结构设计

首先是小车硬件的搭建，要求硬件必须能适应多种环境，故此机器人我们不采用传统的

轮胎，而是采用了履带作为动力结构，由两个减速电机作为动力，具有大扭矩，满足工作环境。车前后各有两个机械支架，当遇到不可越障碍和涉水情况时，可以通过启动支架越过障碍。在车子前面装配有机械铲子，遇到障碍物时可以将障碍物移开。小车中间装设一个可

360度旋转的可夜视红外摄像头，即使在黑夜的情况下也可以实施探测，可以对环境进行实

时观测，寻找最佳的路径，方便工作员的操作。还带有车载麦克风，在获取现场声音信号的

同时还可以与被困人取得联系。为搜救人员了解被困人的情况以制定救援方案提供便利。小

车上还搭建有必要的传感器，如烟雾传感器，CO传感器，温湿度传感器，以及可燃气体传感器等，获取尽可能多的现场的环境情况数据。

手机端主要是app的编写，采用Android Studio开发环境，使用java语言编写。主要实现网

络的连接，视频及音频信号的获取并显示，各种传感器数据的获取，同时完善的操作按键布

局给用户提供便利的可操作性。整个系统通过wifi连接，构成一个局域网。利用wifi进行数

据传输快速，实时性高，传输距离也满足要求。

3 硬件的选型

对硬件的选择必须满足多环境适应性的要求，故除了小巧之外，还必须具有足够的硬度，防尘、防水等功能。

3.1 树莓派

树莓派基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有1/2/4

个USB接口和一个10/100 以太网接口(A型没有网口)，具备所有PC的基本功能。具有40个

输入输出引脚。树莓派作为小车整体的控制器，承担视频、音频信号的处理发送，小车的运

动控制等。树莓派被称之为卡片电脑，其抗干扰能力强，体积小，功能强大，满足此系统的

要求。

3.2 夜视红外摄像头

采用1/2.7 OV2710 CMOS Sensor，拥有很好的低照度，照度可达星光级0.05Lux，搭配

1/2.7" 3.6mm 1080P高清镜头，支持USB2.0，可以使用在树莓派上提供视频采集功能。其帧

数是由清晰度而确定的，在高速分辨率为640X480时，帧数可达120fps，在分辨率为

1280X720时帧数可达60fps，在分辨率为1920X1080是可达30fps。实际工作中我们采用

640X480的分辨率，帧数控制在30左右即可。夜视功能满足在夜晚观察的能力。

3.3 无线WIFI视频、音频传输系统

该系统所使用的无线WIFI视频、音频传输机制是利用WIFI原理，将采集的视频信号经

特殊算法处理后通过树莓派自身WIFI模块发送到手机app，手机app通过JPEG视频编解码

技术处理变成实时图像。

3.4 稳压部分电路设计

该系统所涉及的稳压电路输入为12V，输出电压有8V，5V，3.3V，以满足系统中电机的

12V供电要求，舵机8V的供电要求以及其他传感器，芯片的5V，3.3V供电要求。

3.5 履带小车

履带小车再用铝合金制成，净重1.2kg，足够的轻便。长300mm，宽230mm，高370mm，足够小巧。电机转速可达160转/秒，通过PWM调速可随意改变速度大小。履带采用的工程

塑料，坚固耐用，摩擦力大，使用于多种环境。机械铲与机械支架均采用铝合金制成，配合MG996R模拟舵机使用，可以进行多环境路面的行走与障碍物的搬移工作。

3.6 其他

CO传感器采用MQ-9，用于可燃气体与CO气体的检测，所使用的气敏材料是在清洁空

气中电导率较低的二氧化锡。采用高低温循环检测的方式检测CO，其电导率随空气中CO的

浓度的增大而增大。成本低廉，还可以对甲烷，液化气进行检测，但对一氧化碳的灵敏度最高。

烟雾气敏传感器MQ-2，其工作原理同MQ-9，但它对液化气，丙烷，氢气的灵敏度较高，对天然气和其他可燃气体的检测也比较理想。是一种多功能的可燃气体传感器，符合本系统

所需的要求。

温湿度传感器DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传

感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓

越的长期稳定性。该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。同

时由于其超小的体积、极低的功耗本系统的制作。

4 软件设计

此项目硬件系统的执行代码采用Python编写，Python作为树莓派上使用的主要编程语言，具有开发快速，代码可读性高等特点，适合快速开发。摄像头的视频信号的采集使用OpenCV框架，OpenCV是一个开源的视觉库，其中包括很多计算机视觉的算法实现，利用此

框架，可以更加方便的对视频信号进行采集，同时还可以识别特定的事物，比如人脸，方便

对特定的事物进行定位，更具可擦作性。树莓派将采集到的各种信号用特定的处理算法打包

一次性由WIFI发送到手机上。手机app的开发用Android Studio开发环境，用java语言进行

编写，可以快速开发高效的应用程序，完成信号的解码显示工作，同时还将控制信号实时发

送到小车端。

5 实验结果

通过实物的制作，此系统一切都正常运行，可以实现手机对机器人整体工作，运动的操作，还可以获取到机器人端环境的各种信号数据，视频、音频信号等，可以实现手机端与机

器人端的语音通话。实验结果表明。该系统具有灵活，可靠，便捷，成本低廉以及可扩展的

特性，具有一定的商用价值。

6 结语

该文对多环境探测机器人的硬件制作，电路原理以及软件控制原理都做了系统的介绍。

系统结合的硬件电路模拟以及单片机程序控制两种方式，又采用了WIFI无线控制技术，实现手机端与机器人端的正常通信。通过不断的硬件与软件的调试，最终完成了此系统的设计。

该系统表现出稳定、灵活、高效的特点。能够应用在下水管道，危险灾区，有害有毒气体区域，可燃气体区域等，具有广阔的应用前景和市场价值。

参考文献

[1] Matt Richardson, Shawn Wallace著.李凡希译者.爱上Raspberry Pi[M].科学出版社,2013.

[2] 郭金尚著.Android经典项目案例开发实战宝典[M].清华大学出版社.,2013.

（西北民族大学中央高校基本科研业务费资金资助项目，项目编号：Z17006，指导教师：刘

文博）