CN102340894B - 基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统及控制方法 - Google Patents

基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统及控制方法 Download PDF

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CN102340894B CN201110249051.4A CN201110249051A CN102340894B CN 102340894 B CN102340894 B CN 102340894B CN 201110249051 A CN201110249051 A CN 201110249051A CN 102340894 B CN102340894 B CN 102340894B
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Abstract

基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统,包括ZigBee无线传感器节点、移动机器人平台和机器人遥控操作装置。ZigBee无线传感器节点包括控制器、环境监测传感器接口、工作指示灯、射频模块和电源模块。移动机器人平台包括控制器、六轮式移动底盘、摄像头模块、无线影音传输模块、节点投放模块、无线通信模块、大功率电机驱动模块和电源模块。机器人遥控操作装置包括控制器、摇杆手柄模块、视频管理模块、无线通信模块和电源模块。本发明采用六轮机器人底盘,移动速度快,适应多种复杂地形并具有减震装置。机器人高度较低,能充分利用地面附近能见度较高的空间。利用ZigBee协议进行无线通信,通信可靠,范围广且能耗低。

Description

基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线传感器网络、灾难救援领域,具体涉及基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统及控制方法。

背景技术

[0002] 在地形与环境都十分复杂的情况下,例如灾难现场,救援人员无法在保证人身安全的前提下迅速、顺利地进入现场进行救援,并且有些现场的废墟中空间狭小,救援人员很难进入。这就需要使用机器人来辅助完成救援任务。救援机器人大都采用遥控操作的方式,高可靠的通信方式是当前救援机器人领域的研究热点之一。目前,在控制信号的稳定性与能耗等方面的技术尚不完善,这也在一定程度上制约的救援机器人的推广和应用。

发明内容

[0003] 针对现有技术之不足,本发明提供一种基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统,在灾难现场进行传感器网络的部署,救援机器人携带无线传感器节点,组建低功耗、高可靠性的ZigBee无线传感器网络,远程遥控救援机器人,及时发现潜在的危险并帮助搜寻

幸存者。

[0004] 本发明的技术方案是:基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统,包括:ZigBee无线传感器节点、移动机器人平台和机器人遥控操作装置。

[0005] ZigBee无线传感器节点包括控制器、环境监测传感器接口、工作指示灯、射频模块和电源模块。环境监测传感器接口连接环境监测传感器,包括温度传感器、光线传感器和有害气体传感器的输出。控制器采用单片机,用于控制ZigBee无线传感器节点组建ZigBee无线网络,收发无线信号和接收传感器信号。环境监测传感器接口为标准的IO 口,根据具体环境和实际需要连接多种类型的传感器。工作指示灯用于指示该节点是否工作,射频模块用于发射接收无线信号,电源模块为节点供电。

[0006] 所述ZigBee无线传感器节点控制器单片机的GPIO端口外接环境监测传感器接口,射频模块输入端连接到单片机的射频端口,电源模块的输出端接至单片机的电源接口,工作指示灯的输入接至单片机的IO 口。

[0007] 移动机器人平台包括控制器、六轮式移动底盘、摄像头模块、无线影音传输模块、节点投放模块、无线通信模块、大功率电机驱动模块和电源模块。控制器用于控制移动机器人平台移动、节点投放、收发信号。移动底盘的六个轮子为独立悬挂式的。摄像头模块包括云台和一个双面摄像头,摄像头固定在云台上,云台由两个舵机控制可进行水平方向和垂直方向的转动。无线影音传输模块用于传输摄像头采集到的图像。节点投放模块用于存放无线传感器节点并根据需要投放,节点投放模块包括倾斜底板、挡板、舵机和红外检测模块,舵机的控制端和红外检测模块的输出端均与控制器相连,由控制器直接控制。无线通信模块用于收发控制信号,采用射频电路。

[0008] 所述移动机器人平台的电机驱动模块的输出连接移动底盘的电机驱动接口,电机驱动模块的输入与控制器相连,摄像头模块与控制器连接,输出端连接到无线影音传输模块上,其他各模块均直接与控制器IO端口连接。

[0009] 机器人遥控操作装置包括控制器、摇杆手柄模块、视频管理模块、无线通信模块和电源模块。控制器采用单片机,用于控制机器人遥控操作装置的各项功能,包括影音管理、收发信号等。摇杆手柄模块用于操作移动机器人平台。视频管理模块用于接收视频号。机器人遥控操作装置作为整个网络中的协调器,接收个节点传来的信号,同时也发出对移动机器人平台的控制信号。电源模块为操作装置供电。无线通信模块采用射频电路,射频电路输入端与单片机的射频输出端相连,影音管理模块的输入端与单片机的IO端口相连,摇杆手柄模块与单片机的IO 口相连。

[0010] 本发明机器人系统的控制方法包括以下步骤:

[0011] 步骤1:打开机器人电源开关,携带配置好的ZigBee无线传感器网络节点;

[0012] 步骤2:通过遥控操作装置控制移动机器人平台的移动底盘行驶,根据摄像头实时传送图像操作机器人躲避障碍;

[0013] 步骤3:机器人遥控操作装置的RSSI指示灯亮起时,投放节点作为中转,保持控制信号的强度;

[0014] 步骤4:移动机器人平台进入灾难现场,根据实际地形,每行驶一段路程投放一个节点,在灾难现场组建一个ZigBee无线传感器网络,网络中的每个节点感知的环境信息都传输到机器人遥控操作装置,并由此传到上位机上;

[0015] 步骤5:机器人平台在移动中发现伤员,投放一个节点,摄像头实时传送图像帮助救援人员迅速定位伤员的位置和周围的地理环境,节点上的环境传感器检测伤员所在位置环境信息。

[0016] ZigBee无线传感器节点执行如下步骤:

[0017] 步骤1:初始化单片机,设置晶振频率和无线通信频率,配置各个IO 口的输入和输出,配置ZigBee协议;

[0018] 步骤2:读取节点的通信信息,包括发射/接收控制信号和无线通信接收的信息;

[0019] 步骤3:若节点处于无线接收状态,则不断循环读取发射/接收控制信号和无线通信接收的信息,若节点处于无线发射状态,则将要发送的信息写入无线通信寄存器,该寄存器在工作于发射模式时会将信息通过无线发射出去,发射完成后节点转为无线接收状态。

[0020] 移动机器人平台执行如下步骤:

[0021] 步骤1:初始化单片机,设置晶振频率和无线通信频率,配置IO端口和ZigBee协议;

[0022] 步骤2:接收遥控操作装置发出的无线信号,并根据信号内容进行相应的操作;

[0023] 步骤3:将控制摄像头传输图像的端口置1,即让该端口输出为高电平,该端口与无线影音传输模块的控制端相连,正常运行状态下一直保持高电平使图像一直传输,当需要停止传输时将其置O ;

[0024] 步骤4:发送一个指令已经执行完成的信号给机器人遥控操作装置,使指令得以确认同时遥控操作装置还可以根据此信号得出信号强度。

[0025] 移动底盘行驶的控制流程如下:

[0026] 步骤1:检测到无线通信接收的信息的类型值为O ;[0027] 步骤2:接收到的移动底盘控制信息中,第一位为移动模式标志位,判断该标志位确定移动底盘的是行驶方向是向前还是向后,该标志位为O时表示前进,为I时表示后退,转弯通过控制车轮的转动速度与方向来控制;

[0028] 步骤3:根据接收的信息控制底盘行驶,向前、向后行驶原理相同,只需进行各底盘高控制端口的高低电平调换。

[0029] 节点投放的执行如下步骤:

[0030] 步骤1:在移动底盘行驶的每个动作完成后,进行检测无线通信接收的信息类型,类型值为I则进行节点投放;

[0031] 步骤2:读取红外对射电路的检测值;

[0032] 步骤3:遥控操作装置根据红外信号的检测值控制挡板移动。

[0033] 机器人遥控操作装置具体流程如下:

[0034] 步骤1:初始化单片机,设置晶振频率和无线通信频率,配置IO端口和ZigBee协议;

[0035] 步骤2:由于遥控操作装置每个按键对应一个IO 口,所以采用逐个按键循环检测,各个端口的电压保持高电平即为1,当按键按下时,相应的端口变为低电平,接收到的信号变为O;

[0036] 步骤3:根据被按下的按键编号,转化成相应的指令,最终发射出去的信息包括信息类型、信息内容和信息长度。

[0037] 有益效果

[0038] 本发明采用六轮机器人底盘,移动速度快,可以适应多种复杂地形,并具有减震装置,稳定性好。机器人高度相对较低,能够充分利用灾难现场地面附近的能见度相对较高的空间执行搜索和侦查任务。利用ZigBee协议进行无线通信,可靠性高,通信距离远,范围广,并且能耗较低。采用摄像头实时监控灾难现场的情况,有利于指挥救援以及保障救援人员的安全。

附图说明

[0039] 图1本发明整体结构图;

[0040] 图2本发明ZigBee无线传感器节点结构图;

[0041] 图3本发明ZigBee无线传感器节点最小系统电路图

[0042] 图4本发明ZigBee无线传感器节点软件流程图;

[0043] 图5本发明机器人移动平台结构图;

[0044] 图6本发明节点投放模块示意图;

[0045] 图7本发明节点投放红外检测电路;

[0046] 图8本发明L298N电机驱动电路原理图;

[0047] 图9本发明移动机器人平台软件设计流程图;

[0048] 图10本发明底盘行驶控制软件设计流程图;

[0049] 图11本发明节点投放软件设计流程图;

[0050] 图12本发明机器人遥控操作装置结构图;

[0051] 图13本发明手柄操作示意图;[0052] 图14本发明机器人遥控操作装置软件设计流程图;

[0053] 图15本发明信息遥控发射信息内容与动作指令对照图。

具体实施方式

[0054] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0055] 基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统,包括=ZigBee无线传感器节点、移动机器人平台和机器人遥控操作装置,系统结构如图1所示。ZigBee无线传感器节点放置于移动机器人平台上,可以根据需要进行投放,无线传感器节点的信息可以通过无线传输给控制器。通过机器人遥控操作装置远程遥控移动机器人平台移动。

[0056] 本发明机器人系统的控制方法如下:

[0057] 步骤1:打开机器人电源开关,携带配置好的ZigBee无线传感器网络节点。

[0058] 步骤2:通过遥控操作装置控制移动机器人平台移动,根据摄像头传送回来的图像可以操作机器人躲避障碍,而且凭借机器人高度较低能够利用底面附近能见度较高的空间。

[0059] 步骤3:在机器人遥控操作装置的RSSI指示灯亮起时,投放节点作为中转,保持控制信号的强度。

[0060] 步骤4:移动机器人平台进入灾难现场,根据实际地形,每行驶一段路程投放一个节点,组建Zigbee无线网络,监测该位置的温度、湿度、光线等环境情况。控制机器人尽可能地大范围在灾难现场移动并部署节点,这样在灾难现场组建一个ZigBee无限传感器网络,利用ZigBee网络的特性,使整个网络中的每个节点感知的环境信息都能传输到机器人遥控操作装置,并由此传到电脑上,从而有效地监测灾难现场的环境,了解灾难现场的情况对救援十分有帮助。

[0061] 步骤5:移动机器人平台在移动中发现伤员,投放一个节点,摄像头实时传送的图像可以帮助救援人员迅速定位伤员的位置和周围的地理环境,节点上的环境传感器也可以让救援人员了解该位置的温度、湿度、光线等,这样使救援的效率大大提高。

[0062] ZigBee无线传感器节点根据不同的编程和安装不同的环境监测传感器可分为终端设备RFD和全功能设备FFD。ZigBee无线传感器节点包括控制器、环境监测传感器接口、工作指示灯、射频模块和电源模块,结构图如图2所示,控制器采用型号为CC2430的单片机,该芯片以强大的集成开发环境作为支持,内部线路的交互式调试遵从IDE的IAR工业标准。射频模块、环境监测模块接口、工作指示灯和电源模块与单片机电路连接如图3所示。ZigBee是一种近距离无线组网通信技术,利用ZigBee组网进行通信,具有较高的可靠性与稳定性且能耗较低,十分适用于灾难救援中的通信。CC2430在单芯片上整合了 ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器,在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27mA或25mA,非常适合电池供电的应用。

[0063] ZigBee无线传感器节点的软件设计采用C语言进行设计,流程图如图4。

[0064] ZigBee无线传感器节点执行如下步骤:

[0065] 步骤1:初始化单片机,设置晶振频率和无线通信频率,配置各个IO 口的输入和输出,配置ZigBee协议;

[0066] 设置晶振频率为12MHz,设置无线通信频率为2.4G。配置各个IO 口的输入和输出,将P1.0端口和PL I端口的工作模式设置为输出,其他端口的工作模式均设置为输入。其中Pl.0用来控制无线信号接收指示灯,每当成功接收到一个信号时将Pl.0置1,点亮指示灯,接收不到信号时熄灭;P1.1用来控制无线信号发射指示灯,每当成功发射一个信号时将Pl.1置1,点亮指示灯,接收不到信号时熄灭。

[0067] 配置ZigBee协议,依次分为对应用层、网络层、物理层、媒体访问层和安全机制的配置,本发明中采用成都无线龙公司开发编写的适用于CC2430芯片的C语言程序进行配置,将程序下载进单片机即可完成对ZigBee协议的配置。

[0068] 步骤2:读取节点的通信信息,包括发射/接收控制信号和无线通信接收的信息。

[0069] 步骤2.1:编写receiveradioO函数用于接收无线通信信息,该函数直接调用CC2430芯片的无线通信寄存器中的信息,将该寄存器中的信息保存作为无线通信的接收信

肩、O

[0070] 步骤2.2:设置一个变量res,令res=receiveradio O ,大部分时间内节点工作在无线接收状态,res的值为I ;根据步骤I中配置的ZigBee协议,当需要网络中某一个节点发射信息时,先停止它的无线接收状态,则此时receiveradio O无效,res的值为O。

[0071] 步骤2.3:根据res的值对无线通信控制寄存器进行配置,若res为1,将无线通信设置为接收模式,若res为0,将无线通信设置为发射模式。

[0072] 步骤3:若节点处于无线接收状态,则不断循环读取发射/接收控制信号和无线通信接收的信息,若节点处于无线发射状态,则将要发送的信息写入无线通信寄存器,该寄存器在工作于发射模式时会将信息通过无线发射出去,发射完成后节点转为无线接收状态。

[0073] 移动机器人平台采用Arduino的六轮移动环境监测传感器接口用来安装环境监测传感器,可针对不同情况安装不同的传感器。环境监测传感器包括温湿度传感器、光线传感器、有害气体传感器等,可根据实际应用的需要选择。通过传感器接口连接,将环境状况通过无线传感器网络传送出去。工作指示灯为LED灯,用于指示工作状态。射频模块为滤波电路和全方向天线,利用ZigBee网络进行发射和接收无线信号。ZigBee是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,具有省电、成本低、时延短、网络容量大、自组网、可靠性高、安全等优点,在电子设备、建筑自动化设备、灾难救援中得到了广泛应用。

[0074] 移动机器人平台包括控制器、六轮式移动底盘、摄像头模块、无线影音传输模块、节点投放模块、无线通信模块、大功率电机驱动模块和电源模块。结构如图5所示,电机驱动模块的输出连接移动底盘的电机驱动接口,电机驱动模块的输入与控制器相连,摄像头模块与控制器连接,输出端连接到无线影音传输模块上,其他各模块均直接与控制器连接。

[0075] 移动机器人平台控制器采用Chipcon公司的CC2430型ZigBee芯片,与ZigBee无线传感器节点的控制器相同,最小系统电路图与ZigBee无线传感器节点相同。

[0076] 移动底盘的高度约为15厘米,六个轮子为独立悬挂式的,具有很强地面适应能力,载重动力和运动平衡都很好。在驱动方面,留有双排的电机驱动接口,方便控制移动。将控制信号直接接到电机驱动接口即可对底盘的移动进行控制。需要前进时,控制两排车轮同时以相同的速度向前转动,则底盘向前行驶;相应地,后退时,控制两排车轮同时以相同的速度向后转动。利用两排车轮之间的速度差进行转弯行驶,向前行驶转弯时,控制两排车轮向前转动,左排车轮转动速度大于右排车轮,这样移动底盘向右转弯,控制右排车轮转动速度大于左排车轮,则向左转弯;向后倒退行驶转弯同理。当需要原地转向时,控制左排车轮向前,右派车轮向后,两排车轮转动速度相同,则底盘原地向右转;控制右排车轮向前,左派车轮向后,两排车轮转动速度相同,则底盘原地向左转。

[0077] 摄像头t旲块包括z?台和Iv双面摄像头,摄像头固定在z?台上,z?台由两个航机控制可进行水平方向和垂直方向的转动,本实施例摄像头型号为Aoni的S913,最大分辨率640X480,摄像头距地面高度20厘米左右具有较好的视野。云台采用了微型金属齿轮数字舵机MD933,其输出 齿轮特别采用钢材料,强度更高更耐磨,精度更高,保证舵机长时间运行后输出误差依然非常小。

[0078] 无线影音传输模块用于传输摄像头采集到的图像。为了平衡通信距离和机器人使用时间,及尽可能减少对控制信道的影响,采用了通信频率为1.2G的SDY-800型集成无线影音传输模块,其发射功率为800MW,无障碍传输距离可达800至1600米。

[0079] 节点投放模块用于存放无线传感器节点并根据需要投放。投放模块由倾斜底板、挡板、舵机和红外检测模块组成,如图6所示。其中舵机的控制端和红外检测模块的输出端均与移动机器人平台控制器相连,由移动机器人平台控制器直接控制。底板和挡板均采用光滑塑料板,方便节点滑动。舵机采用微型金属齿轮数字舵机MD933,与云台舵机相同。红外检测模块由传感器TCRT5000与相应电路组成,电路连接如图7所示,其中红外发射管位于挡板I上方,接收管安装在挡板I上。节点投放过程如下:如图6 (a)所示,在不需要投放时,挡板将传感器节点挡住;如图6 (b)所示,当需要投放节点时,通过控制器控制挡板2的舵机,使挡板2下降,节点滑落,当有节点滑落至挡板I上时,红外检测模块检测到有节点,输出低电平给控制器,此时控制器控制舵机转动,使先挡板2向上转动,挡住其它节点,保证一次只投放一个节点,然后使挡板I向下倾斜;如图6 (c)所示,节点从挡板I上滑落,此时红外对射模块检测不到节点,输出高电平给控制器,控制挡板I复位,至此完成了一次节点投放。

[0080] 无线通信模块用于收发控制信号,包括全向天线与滤波电路,无线通信功能通过对控制器编程利用ZigBee技术实现。

[0081] 电机驱动模块使用了带光耦隔离的L298N专用大功率电机驱动模块,电路图如图8所示。L298N是专用驱动集成电路,属于H桥集成电路,其输出电流增大,功率增强。其输出电流为2A,最高电流4A,最高工作电压50V,可以驱动感性负载,如大功率直流电机,步进电机等,特别是其输入端可以与单片机直接相联。单片L298N可实现两路电机控制,并可通过EN引脚,实现对电机的PWM调速功能。

[0082] 移动机器人的控制器的端口使用情况如下:

[0083] Pl.0和Pl.1用于控制工作指示灯;P1.2、Pl.3、Pl.4和Pl.5用于控制电机转动驱动底盘移动,Pl.2和Pl.3连接到左排车轮的电机驱动的两个输入端,Pl.4和Pl.5连接到右排车轮的电机驱动的两个输入端;P0.0,P0.1、P0.2和P0.3用于控制摄像头转动,P0.0和P0.1连接到水平方向转动的舵机I的两个输入端,P0.2和P0.3连接到上下转动的舵机2的两个输入端;P0.7用于控制摄像头传输图像,连接到无线影音传输装置的控制端口 ;Pl.6和Pl.7用于控制投放节点,分别连接到挡板I和挡板2的控制端。

[0084] 移动机器人平台采用C语言进行软件设计,流程如图9所示。

[0085] 移动机器人平台执行如下步骤:[0086] 步骤1:初始化单片机,设置晶振频率和无线通信频率,配置IO端口和ZigBee协议。

[0087] 设置晶振频率为12MHz,设置无线通信频率为2.4G。

[0088] 配置各个IO 口的输入和输出,将Pl端口的工作模式设置为输出,P0.0、P0.1、P0.2、P0.3和P0.7端口的工作模式设置为输出,其他端口的工作模式均设置为输入。

[0089] 配置ZigBee协议,依次分为对应用层、网络层、物理层、媒体访问层和安全机制的配置,本发明中采用成都无线龙公司开发编写的适用于CC2430芯片的C语言程序进行配置,将程序下载进单片机即可完成对ZigBee协议的配置。

[0090] 步骤2:接收无线信号,并根据信号内容进行相应的操作。

[0091] 步骤2.1:编写receiveradio O函数用于接收无线通信信息,该函数接收的信息包括信息类型、信息内容和信息长度。

[0092] 步骤2.2:根据信息类型判断是控制摄像头的信号还是控制底盘的信号,若信息类型值为I则是控制摄像头的信号,若信息类型值为O则是控制底盘的信号。

[0093] 步骤2.3:控制摄像头的信号分为舵机I的信号和舵机2的信号,控制舵机I转动由P0.0和P0.1端口输出,将接收来的控制信号经过芯片内的D/A转换由两个端口输出,因此赋给P0.0和P0.1的值越大,舵机转动的角度越大,P0.2和P0.3控制舵机2的原理与此相同。

[0094] 步骤2.4:若接收到的信号为控制底盘的信号,则按照信号命令控制底盘行驶,并且在每一个行驶命令后检查是否有投放节点的信号,如果有则投放节点。

[0095] 步骤3:将P0.7置1,即让该端口输出为高电平,该端口与无线影音传输模块的控制端相连,正常运行状态下一直保持高电平使图像一直传输,当需要停止传输时将P0.7置

O0

[0096] 步骤4:发送一个指令已经执行完成的信号给机器人遥控操作装置,使指令得以确认同时遥控操作装置还可以根据此信号得出信号强度。

[0097] 移动底盘行驶控制软件流程如图10所示。

[0098] 移动底盘行驶的控制流程如下:

[0099] 步骤1:检测到无线通信接收的信息的类型值为O。

[0100] 步骤2:接收到的移动底盘控制信息中,第一位为移动模式标志位,判断该标志位确定移动底盘的是行驶方向是向前还是向后,该标志位为O时表示前进,为I时表示后退,转弯通过控制车轮的转动速度与方向来控制。

[0101] 步骤3:根据接收的信息控制底盘行驶,向前、向后行驶原理相同,只需将Pl.2和Pl.3端口、Pl.4和Pl.5端口的高低电平调换。

[0102] 步骤3.1:将Pl.2端口置1,P1.3端口置0,左排车轮向前转动,将Pl.4端口置1,Pl.5端口置0,右排车轮向前转动,底盘向前行驶JfPl.2端口置0,P1.3端口置1,左排车轮向后转动,将Pl.4端口置0,Pl.5端口置1,右排车轮向后转动,底盘向后行驶;

[0103] 步骤3.2:需要向左转弯前进时,每隔IOms将Pl.2端口置0,持续IOms再置1,如此反复进行,则输入到左排电机的平均电压降为右排的一半,从而左排车轮的转速降为右排的一半,这样底盘就向左侧转弯前进;向右转弯前进于此同理,每隔I Oms将P1.4端口置

O,持续IOms再置I,如此反复进行。[0104] 步骤3.3:需要原地转弯时,将P1.2端口置0,PL 3端口置1,则左排电机驱动车轮向后转动,而此时右排车轮向前转动,则底盘原地向左转;将Pl.4端口置0,Pl.5端口置1,则右排电机驱动车轮向后转动,而此时左排车轮向前转动,则底盘原地向右转。

[0105] 节点投放流程图如图11所示。

[0106] 节点投放执行如下步骤:

[0107] 步骤1:在移动底盘行驶的每个动作完成后,进行检测无线通信接收的信息类型,类型值为I则进行节点投放。

[0108] 步骤2:读取红外对射电路的检测值,该电路当检测到挡板I上有物体时,输出为I,没有物体时输出O。

[0109] 步骤3:根据红外信号的检测值控制挡板移动。

[0110] 步骤3.1:红外检测值为O表示挡板I上没有节点,此时将Pl.7端口置1,控制挡板2向下转动并等待2s,使节点滑落至挡板I上,再控制挡板2向上转动。

[0111] 步骤3.2:红外检测值为I表示挡板I上有节点,此时先将Pl.7端口置0,控制挡板2向上转动,使节点不再滑落,再将Pl.6端口置0,控制挡板I向下转动并等待2s,使节点滑落,再控制挡板I向上转动,这样就完成了一次节点投放。

[0112] 机器人遥控操作装置包括控制器、摇杆手柄模块、视频管理模块、无线通信模块和电源模块,结构图如图12所示。摇杆手柄模块、影音管理模块、无线通信模块与控制器相连。该遥控操作装置有如下作用:首先用于控制移动底盘的移动,摄像头转动以及视角切换;其次,作为ZigBee无线网络中的协调器,接收网络中各节点传来的信息;最后,接收移动底盘上摄像头采集的视频图像。`

[0113] 机器人遥控操作装置控制器用采用Chipcon公司的CC2430型ZigBee芯片,与ZigBee无线传感器节点的控制器相同,最小系统电路图与ZigBee无线传感器节点相同。

[0114] 摇杆手柄模块用于操作移动机器人平台,采用经过改装的北通系列BTP-C036型号游戏手柄,静态最大电流为35mA,具有方向键,八个常用控制键,双模拟摇杆,十字键与摇杆控制精准,用于机器人移动和摄像头视角选择十分方便。手柄按键与对应的操作示意图见图13。

[0115] 视频管理模块用于接收视频号。通过SDY-800 1.2G无线影音接收终端,接收来自机器人采集的影音信息。控制器可通过USB视频采集卡将视频声音信息传送给PC机,通过PC机实现对机器人的操作。

[0116] 无线通信模块用于收发控制信号,采用了与ZigBee无线传感器节点相同的全向天线与滤波电路,同样利用ZigBee网络进行无线通信。

[0117] 电源模块为操作装置供电。

[0118] 控制器的端口使用情况如下:

[0119] Pl.0和Pl.1用于控制工作指示灯;P1.2>1.7,P0.0-ΡΟ.5端口分别与摇杆手柄模块的按键广按键12相连;P0.6与影音接收终端的控制端相连,P0.7用于控制RSSI指示灯。

[0120] 机器人遥控操作装置采用C语言进行软件设计,流程、如图14所示,具体执行如下步骤:

[0121] 步骤1:初始化单片机,设置晶振频率和无线通信频率,配置IO端口和ZigBee协议。

[0122] 设置晶振频率为12MHz,设置无线通信频率为2.4G。

[0123] 配置各个IO 口的输入和输出,将Pl.0和Pl.1端口的工作模式设置为输出,Pl.2>1.7、P0.0-Ρ0.5端口的工作模式设置为输入,P0.6、P0.7端口的工作模式设置为输出,其他端口的工作模式均设置为输入。

[0124] 配置ZigBee协议,依次分为对应用层、网络层、物理层、媒体访问层和安全机制的配置,本发明中采用成都无线龙公司开发编写的适用于CC2430芯片的C语言程序进行配置,将程序下载进单片机即可完成对ZigBee协议的配置。

[0125] 步骤2:由于每个按键对应一个IO 口,所以采用逐个按键循环检测,各个端口的电压保持高电平即为1,当按键按下时,相应的端口变为低电平,接收到的信号变为O。

[0126] 步骤3:根据被按下的按键编号,转化成相应的指令,最终发射出去的信息包括信息类型、信息内容和信息长度。

[0127] 步骤3.1:前两位为信息类型,其中第一位,若是控制摄像头的信号则信息类型值为1,若是控制底盘的信号则信息类型值为O。第二位为控制移动模式标志位,前进时该标志位设为0,后退时该标志位设置为1,在控制摄像头时该标志位无效。

[0128] 步骤3.2:信息内容为共为五位,具体信息内容与指令对照见图15。

[0129] 第一:按键f按键4其中有一个被按下时,将信息标志位第一位置为0,设置为控制底盘的信号,并按照按 键对应的功能生成信息内容,例如按下按键1,信息内容为二进制数10000,底盘的控制器接收到此信号后控制底盘向前行驶。

[0130] 第二:按键5按下生成相应信息内容控制节点投放。另外,节点投放也可以强制通过按键扩按键12来控制,当这些按键中有一个被按下时,会如图15生成相应的信息内容,底盘控制器接收到后会停止当前的动作,转入节点投放控制。

[0131] 第三:控制摄像头转动的四个动作与控制底盘移动的四个动作共用相同的信息内容,具体信息内容见图15。

[0132] 步骤3.3:用SizeOfO函数取出信息内容的长度,作为发送信息的第三个部分。

[0133] 步骤4:将要发送的信息写入无线通信寄存器,该寄存器在工作于发射模式时会将信息通过无线发射出去。

[0134] 此外,在每一个指令结束发送后,通过RSSI寄存器可以读取出ZigBee无线信号的强度,当强度小于_90dB时,P0.7置1,点亮RSSI指示灯,表示信号强度较弱了,此时自动发送投放节点信号进入投放节点步骤。

Claims (7)

1.基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统,其特征在于包括ZigBee无线传感器节点、移动机器人平台和机器人遥控操作装置, 所述ZigBee无线传感器节点包括控制器、环境监测传感器接口、工作指示灯、射频模块和电源模块,环境监测传感器接口连接环境监测传感器,包括温度传感器、光线传感器和有害气体传感器的输出,控制器的GPIO端口外接环境监测传感器接口,射频模块输入端连接到控制器的射频端口,电源模块的输出端接至控制器的电源接口,工作指示灯的输入接至控制器的IO 口 ; 所述移动机器人平台包括控制器、六轮式移动底盘、摄像头模块、无线影音传输模块、节点投放模块、无线通信模块、大功率电机驱动模块和电源模块,摄像头模块包括云台和一个双面摄像头,摄像头固定在云台上,云台由两个舵机控制,节点投放模块包括倾斜底板、挡板、舵机和红外检测模块,舵机的控制端和红外检测模块的输出端均与控制器相连,电机驱动模块的输出连接移动底盘的电机驱动接口,电机驱动模块的输入与控制器相连,摄像头模块与控制器连接,输出端连接到无线影音传输模块上,无线影音传输模块、节点投放模块、无线通信模块和电源模块均直接与控制器IO端口连接; 所述机器人遥控操作装置包括控制器、摇杆手柄模块、影音管理模块、无线通信模块和电源模块,无线通信模块采用射频电路,射频电路输入端与控制器的射频输出端相连,影音管理模块的输入端与控制器的IO端口相连,摇杆手柄模块与控制器的IO端口相连。
2.权利要求1所述的基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统的控制方法,其特征在于:包括如下步骤: 步骤1:打开机器人电源开关,携带配置好的ZigBee无线传感器节点; 步骤2:通过遥控操作装置控制移动机器人平台的移动底盘行驶,根据摄像头实时传送图像操作机器人躲避障碍;· 步骤3:机器人遥控操作装置的RSSI指示灯亮起时,投放节点作为中转,保持控制信号的强度; 步骤4:移动机器人平台进入灾难现场,根据实际地形,每行驶一段路程投放一个节点,在灾难现场组建一个ZigBee无线传感器网络,网络中的每个节点感知的环境信息都传输到机器人遥控操作装置,并由此传到上位机上; 步骤5:机器人平台在移动中发现伤员,投放一个节点,摄像头实时传送图像帮助救援人员迅速定位伤员的位置和周围的地理环境,节点上的环境传感器检测伤员所在位置环境信息。
3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统的控制方法,其特征在于:所述ZigBee无线传感器节点执行如下步骤: 步骤1:初始化单片机,设置晶振频率和无线通信频率,配置各个IO端口的输入和输出,配置ZigBee协议; 步骤2:读取节点的通信信息,包括发射/接收控制信号和无线通信接收的信息; 步骤3:若节点处于无线接收状态,则不断循环读取发射/接收控制信号和无线通信接收的信息,若节点处于无线发射状态,则将要发送的信息写入无线通信寄存器,该寄存器在工作于发射模式时会将信息通过无线发射出去,发射完成后节点转为无线接收状态。
4.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统的控制方法,其特征在于:所述移动机器人平台执行如下步骤: 步骤1:初始化单片机,设置晶振频率和无线通信频率,配置IO端口和ZigBee协议; 步骤2:接收遥控操作装置发出的无线信号,并根据信号内容进行相应的操作; 步骤3:将控制摄像头传输图像的端口置1,即让该端口输出为高电平,该端口与无线影音传输模块的控制端相连,正常运行状态下一直保持高电平使图像一直传输,当需要停止传输时将其置O ; 步骤4:发送一个指令已经执行完成的信号给机器人遥控操作装置,使指令得以确认同时遥控操作装置还可以根据此信号得出信号强度。
5.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统的控制方法,其特征在于:所述移动底盘行驶的控制流程如下: 步骤1:检测到无线通信接收的信息的类型值为O ; 步骤2:接收到的移动底盘控制信息中,第一位为移动模式标志位,判断该标志位确定移动底盘的是行驶方向是向前还是向后,该标志位为O时表示前进,为I时表示后退,转弯通过控制车轮的转动速度与方向来控制; 步骤3:根据接收的信息控制移动底盘行驶,向前、向后行驶原理相同,只需进行各底盘高控制端口的高低电平调换。
6.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统的控制方法,其特征在于:所述节点投放执行如下步骤: 步骤1:在底盘行驶的每个动作完成后,进行检测无线通信接收的信息类型,类型值为I则进行节点投放;` 步骤2:读取红外对射电路的检测值; 步骤3:遥控操作装置根据红外信号的检测值控制挡板移动。
7.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的遥控救援机器人系统的控制方法,其特征在于:所述机器人遥控操作装置执行如下步骤: 步骤1:初始化单片机,设置晶振频率和无线通信频率,配置IO端口和ZigBee协议;步骤2:由于遥控操作装置每个按键对应一个IO端口,所以采用逐个按键循环检测,各个端口的电压保持高电平即为1,当按键按下时,相应的端口变为低电平,接收到的信号变为O ; 步骤3:根据被按下的按键编号,转化成相应的指令,最终发射出去的信息包括信息类型、信息内容和信息长度; 步骤4:将要发送的信息写入无线通信寄存器,该寄存器在工作于发射模式时会将信息通过无线发射出去。
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