CN101382429A - 一种地空异构多机器人搜救系统 - Google Patents

Abstract

一种地空异构多机器人搜救系统，包括空中飞行机器人、地面多台救援机器人、图像处理计算机、图像采集卡、监控计算机、搜救指挥人员、无线数传电台、无线图传电台、障碍物、待救援目标。空中机器人负责对搜救现场进行迅速和系统的大面积侦察，以便准确的判断搜救现场状况和发现障碍物或待救援目标的位置，帮助搜救指挥人员制定详细的救援方案。地面救援机器人组，根据搜救指挥人员下发的控制指令，合作执行地面搜救现场的待救援目标搜索和救援工作。本系统中的机器人均采用自主智能控制与搜救指挥人员遥控相结合的控制方式，通过地空不同结构的多个机器人的协作，提高了搜救现场环境感知和目标识别的可靠性和准确性，缩减搜索遍历时间并提高救援效率。

Description

一种地空异构多机器人搜救系统

技术领域

本发明属于多机器人系统，特别涉及地空异构多机器人搜救系统，主要应用于灾难现场的搜索、救援场合。

背景技术

近年来多发的自然灾害如雪灾、火灾、水灾、地震，人为的恐怖活动，以及生化病毒和有毒物质等威胁着社会的安全，引起了人们的广泛关注。虽然人们对各种灾难的警觉和反应能力有所提高，但在处理破坏性灾难事件时还是缺乏充分准备，很多人依然死于欠及时和不专业的救援活动。将机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识进行有机的融合，开发和研制用于侦察、搜寻和营救的灾难救援机器人已经成为机器人学科领域中富有挑战性的新方向。

在灾难救援过程中，由于现场环境的复杂性和危险性，使得救援工作变得十分困难。在一些危险性大的灾难中，如随时会引发爆炸的火灾现场；有易燃、易爆或剧毒气体存在的现场；地震后存在易二次倒塌建筑物的现场，施救人员无法探入进行侦察或救援，人们急于探知灾难现场的内部险情，但又难以或无法接近及进入灾难现场。此时，救援机器人的参与可以有效提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，这样不但能帮助工作人员进行侦察和救援工作，而且能够代替工作人员执行并完成救援任务，从而在灾难救援过程中发挥越来越重要的作用。为此，一些先进国家已先后开发和研制出各种各样的面向灾难现场侦察和救援的机器人，如用于废墟瓦砾中的蛇形机器人、在不平整地面上移动的履带式机器人、用于雪后山地抢险的救援机器人等。针对2008年的南方雪灾、汶川地震等灾难，我国有关部门已经启动了“在线除冰机器人”、“地面移动探测机器人”等重大项目。

在各种灾害中，由于天气因素的影响，卫星或载人飞机难以及时获取对灾难救助指挥最有用的实时地面影像与灾难现场数据，尤其是多云、多雾的天气。采用空中飞行机器人，可超低空云下作业，对天气的依赖非常小，而且不需要专用机场，获取地面影像的速度非常快。同时，在救援现场架设计算机处理系统，可马上对获取的影像进行处理，数小时后就可以得到灾难现场的高清晰地面影像与具体的灾难现场数据，对指挥救灾具有极大的意义。从侦察和搜寻目的出发，空中飞行机器人可以发挥其突出的优势，其在灾害环境中可以不受地面状况的影响，机动性强，灵活性高，在较高的角度上具有更加广阔的“视野”，因此可以扩大侦察和搜索面积，提高搜寻效率和效果。另外，飞行机器人在救援行动中也可更多地承担现场勘查和为救援人员探路导航等方面的特殊任务。

然而，相对于复杂多变的救援现场环境和任务而言，单个机器人在信息的获取、处理及控制能力等方面都是很有限的。例如，飞行机器人虽然能够快速地移动，覆盖较大的面积，但是在地面目标的定位上精度不高。而地面机器人能够精确地定位地面目标，但是它们不能迅速地移动进行侦察工作、也不能穿过象建筑、沟壑、篱笆等障碍物。如果把这两种不同结构的地空机器人联合起来，同时应用于灾难救援中，充分发挥它们各自的优点，通过多源信息的融合，实现能力与特性的互补，来降低灾难现场获取信息、目标探测的不确定性，提高救援目标定位的精度，从而能够完成灾难现场的大规模救援任务。而目前尚没有这种系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种地空异构多机器人搜救系统，该系统通过多个机器人的组合完成单个救援机器人无法或难以完成的任务，提高了搜救现场环境感知和目标识别的可靠性和准确性，缩减搜索遍历时间并提高救援效率。

一种地空异构多机器人搜救系统，包括空中飞行机器人、地面救援机器人组、图像处理计算机、图像采集卡、监控计算机、搜救指挥人员、无线数传电台、无线图传电台、障碍物、待救援目标。

空中飞行机器人，采用地面搜救指挥人员的遥控起降、基于GPS和惯性导航技术的智能自主控制相结合的方式实现面向侦察任务的飞行，通过飞行路径的规划与调整、观测地点位置的测量和定位，提供利用价值高的现场环境信息，以便准确的判断搜救现场状况和发现障碍物或待救援目标的位置，指导地面搜救指挥人员与地面救援机器人组制定和实施详细救援方案。飞行机器人由携带有CCD摄像机、无线图像发射模块、自驾仪的小型无人驾驶直升机构成。CCD摄像机与无线图像发射模块固定在无人直升机机身下方的云台上。由CCD摄像机拍摄的侦察图像经过无线图像发射模块下传给地面无线图传电台，再经图像采集卡送入图像处理计算机中进行处理与分析。其自驾仪固定在飞行机器人机身内部，经地面无线数传电台，与监控计算机实现双向通信，将飞行机器人当前的位置、速度、姿态等信息下发给监控计算机，同时接受遥控指令。

图像处理计算机对侦察图像进行处理与分析后，通过交叉网线把搜救现场地理信息、障碍物与待救援目标位置等数据传给监控计算机，以便指挥人员制定救援方案。

地面救援机器人组，采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式，能够深入搜救现场，合作执行对前方环境的检测和对障碍物的发现、待救援目标的救援等工作，并实时回传这些信息和图像，为搜救指挥人员提供重要的现场灾害信息，以便制定和实施下一步的救援方案。地面救援机器人携带有无线通讯模块，通过无线数传电台与监控计算机实现无线双向通信。地面救援机器人还配有视频采集模块，用来完成搜救现场视频信息的采集、对待救援目标的发现等工作。救援机器人组之间采用分布式控制结构，每台机器人要将自己的位置、速度、姿态和运动目标、勘查数据等信息和队列中与之相邻的机器人进行交互。

地面监控计算机，安装有一套监控系统，该监控系统包括数据通讯模块、监控模块和数据存储模块。

1)监控计算机通过数据通讯模块与飞行机器人、地面救援机器人组进行信息、命令的交互，实现地面人员对飞行机器人、地面救援机器人的控制；

2)在监控模块中用各种虚拟仪表、动画、图形为搜救指挥人员提供实时直观的机器人工作状态信息，在地图上实时规划出机器人的运动路线，并利用人机交互界面发送各种控制指令使之完成设定的救援任务；

3)在实时监测和控制工作中，系统还可以由数据存储模块完成各机器人救援作业数据、搜救现场信息的存储分析、回放显示，以供搜救指挥人员制定下一步的详细救援方案。由此3大功能模块形成天地互连的地面监控系统。

本发明通过多源信息的融合，提高了救援目标定位的精度与救援效率，同时本发明为推动我国的机器人侦察/救援事业的发展进程，提高防灾/抗灾能力和救援水平，提供先进的控制理论方法和应用技术储备。本项目的研究成果还可推广应用于国防、军事、以及基于机器人群体的勘察、测量等涉及国家安全和国民经济建设的重要领域，并发挥重要作用。

附图说明

图1为本发明的组织结构示意图。

图中：1 无线图传电台，2 视频线，3 图像采集卡，4 USB数据线，5 图像处理计算机，6 交叉网线，7 监控计算机，8 指挥人员，9 串口线，10 无线图传电台，11、12、13 地面救援机器人，14 无线通讯模块，15 视频采集模块，16 障碍物，17 待救援目标，18 CCD摄像机，19 云台，20 无线图像发射模块，21 自驾仪，22飞行机器人。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明所描述的地空异构多机器人搜救系统作出说明。

该系统主要包括：飞行机器人 22，地面救援机器人 11、12、13，图像处理计算机 5，图像采集卡 3，无线图传电台 1，监控计算机 7，搜救指挥人员 8，无线数传电台 10，障碍物 16、待救援目标 17。

飞行机器人22机身内部装有自驾仪21，在机身下方装有云台19，在云台19上固定有无线图像发射模块20与CCD摄像机18。

无线图传电台1接受来自无线图像发射模块20的图像数据，通过视频线2与图像采集卡3相连，图像采集卡3通过USB数据线4，把图像数据送入图像处理计算机5中进行分析与处理。

监控计算机7通过交叉网线6接受图像处理计算机5的图像分析与处理结果，由搜救指挥人员8作出相应的救援方案。无线数传电台10通过串口线9接受监控计算机7发出的控制指令数据，进而发布给飞行机器人22与地面救援机器人11、12、13。

地面搜救机器人11配有无线通讯模块14与视频采集模块15，机器人12、13的配置类同。

实施例

本例以空中有一台飞行机器人22、地面有3台救援机器人11、12、13为例进行说明。

搜救工作开始后，为了及时而又正确地收集搜救现场的情报，先由地面搜救指挥人员8派出飞行机器人22对搜救现场进行侦察，用于进行搜救现场及有关建筑物的地理信息收集、障碍物与待救援目标的位置定位等工作。飞行机器人22把采集到的现场环境信息送入图像处理计算机5中处理，当在该环境信息中检测出障碍物16与待救援目标17后，然后把它们的位置信息传入监控计算机7中，进而发布给地面救援移动机器人11、12、13，从而驱动机器人组群体合作实施救援任务。

在任务实施过程中，救援机器人11、12、13编队朝待救援目标17方向前进。当遇到障碍物16后，实施避障策略，改变行进方向，重新规划运动路线，直到绕过障碍物16为止。在救援过程中，当某个机器人发现待救援目标17后，通知其它机器人。这样其它的救援机器人就向着待救援目标17所在的方位靠近。当满足救援条件(如不存在障碍物)后，开始对待救援目标17实施救援。在本发明中，当救援机器人11、12、13围靠在待救援目标17周围时，就标志着救援任务成功完成。

如果所有的地面救援机器人都不能感知到待救援目标17的存在，则重新分头搜索待救援目标17。如果发现待救援目标17，则进行靠近和救援；否则继续进行搜索，直到找到为止。

在救援过程中，地面多机器人的组织原则为：发现待救援目标者自动成为组织者，其它机器人则响应该组织者，成为该组织者的支持者。组织者和其对应的支持者将根据任务协作和行为协调的需要组成一个团体，当组织者与其它支持机器人的团体遭到破坏时，可以根据具体情况进行重组或更换组织者。

在地面多机器人执行救援任务过程中，组织机器人和支持机器人都有可能出现故障。当组织机器人出现故障时，交出任务组织权；而在支持机器人出现故障时抛弃该机器人，并将之视作为障碍物。

Claims (4)

1、一种地空异构多机器人搜救系统，包括地面救援机器人组、监控计算机、搜救指挥人员、无线数传电台、障碍物、待救援目标，其特征在于，该系统还包括空中飞行机器人、图像处理计算机、图像采集卡、无线图传电台，飞行机器人把侦察到的搜救现场信息下发给无线图传电台，然后经过图像采集卡送入到图像处理计算机中进行分析与处理，图像处理计算机把分析得到的搜救现场地理信息、障碍物与待救援目标位置数据通过交叉网线传给监控计算机，搜救指挥人员据此制定救援方案，监控计算机把救援指令通过无线数传电台下发给地面救援机器人组，地面救援机器人组根据控制指令，编队朝待救援目标所处的位置方位前进，当遇到障碍物时，实施避障策略，改变运动路线与队形，另行规划新的路径，直到绕过障碍物，再恢复原来的路线与队形。

2、根据权利要求1所述的地空异构多机器人搜救系统，其特征在于：所述空中飞行机器人采用地面搜救指挥人员的遥控起降、基于GPS和惯性导航技术的智能自主控制相结合的方式实现面向侦察任务的飞行，通过飞行路径的规划与调整、观测地点位置的测量和定位，提供现场环境信息；

空中飞行机器人，由携带有CCD摄像机、无线图像发射模块、自驾仪的小型无人驾驶直升机构成；

CCD摄像机与无线图像发射模块固定在无人直升机机身下方的云台上，由CCD摄像机拍摄的侦察图像经过无线图像发射模块下传给地面无线图传电台，再经图像采集卡送入图像处理计算机中进行处理与分析；

自驾仪固定在飞行机器人机身内部，经地面无线数传电台与监控计算机实现双向通信，将飞行机器人当前的位置、速度、姿态等信息下发给监控计算机，同时接受遥控指令。

3、根据权利要求1所述的地空异构多机器人搜救系统，其特征在于：所述的地面救援机器人组，采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式深入搜救现场，合作执行对前方环境的检测和对障碍物的发现、待救援目标的救援，并实时回传这些信息，为搜救指挥人员提供重要的现场环境信息，以便制定和实施下一步的救援方案；

地面救援机器人组均携带有无线通讯模块，通过无线数传电台与监控计算机实现无线双向通信，地面救援机器人还配有视频采集模块，用来完成搜救现场视频信息的采集、对待救援目标的发现；

救援机器人组之间采用分布式控制结构，每台机器人要将自己的位置、速度、姿态和运动目标、勘查数据信息和队列中与之相邻的机器人进行交互。

4、根据权利要求1所述的地空异构多机器人搜救系统，其特征在于：所述的地面监控计算机内部安装有一套监控系统，该监控系统包括数据通讯模块、监控模块和数据存储模块；

监控计算机通过数据通讯模块与飞行机器人、地面救援机器人进行信息的交互，实现搜救指挥人员对各机器人的控制；

监控模块用各种虚拟仪表、动画、图形为搜救指挥人员提供实时直观的机器人工作状态信息，并实时规划出机器人的运动路线，并利用人机交互界面发送各种控制指令使之完成设定的救援任务；

在实时监测和控制工作中，系统由数据存储模块完成各机器人救援作业数据、搜救现场信息的存储分析、回放显示，以供搜救指挥人员制定下一步的详细救援方案。

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