CN102913275B - 一种基于爬虫机器人的搜救系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于爬虫机器人的搜救系统，由中继机器人、前端机器人、尾端机器人三类爬虫机器人组成网络系统，机器人之间通过ZigBee技术进行组网通信，通过机器人的行进搭建搜救网络，在整个系统中包含对被困人员的搜索、位置确定、热红外图像传输、蓝牙语音对讲。该系统将ZigBee的快速组网策略应用于机器人身上，利用机器人的动态并行组网搭建井下救援网络，实现在矿难发生时对井下人员的定位以及环境信息的采集。

Description

一种基于爬虫机器人的搜救系统

技术领域

本发明属于机器人救援通信系统领域，具体涉及爬虫机器人的动态并行组网和定位以及相关数据、图形、语音的传输转发，为一种基于爬虫机器人的搜救系统。 

背景技术

目前中国煤矿的安全系统的相关研究与应用已经取得了很大进步。但随着能源需求量的不断增大，煤矿的开采力度也日益增强，然而矿难事故也随之增多。矿难一旦发生，井下通信设施多遭到破坏而无法使用，并且井下环境复杂危险。救援机器人可以先行完成对井下人员的定位和环境信息的获取，从而为人员营救提供有效的信息支持。 

随着物联网、无线传感器网络以及ZigBee等无线通信技术的发展，各种应用型矿难救灾机器人的研究也受到越来越多的关注。如中国专利公开号CN202130523公开了一种旋转足式两栖矿难搜救机器人，包括壳体、壳体上盖、伺服驱动电机、两栖腿、陆地腿，两栖腿和陆地腿安装在壳体的两侧，每个两栖腿、陆地腿均连有一个伺服驱动电机，所有伺服驱动电机均安装在壳体里，壳体上盖固定在壳体上。此发明是一种新的高效率、体积小、具有仿生特征的搜救机器人，在事故发生后能够迅速准确地到达灾难现场，及时得到现场的准确信息。如中国专利公开号CN101201626A公开了一种机器人自主定位系统，属于机器人智能控制装置，解决机器人在地下环境作业的高精度自主定位问题。本发明包括安装平台、设置于安装平台上的传感器子系统、数据处理子系统以及电压转换模块；安装 平台上部为承载传感器子系统的转台，安装平台下部的固定基座为密封 腔式结构，内部安装数据处理子系统和电机驱动模块；传感器子系统包 括惯性传感器模块和三维数字罗盘，数据处理子系统包括中央控制器及装载于其内部的数据预处理模块、数据融合模块和航迹推算模块；本发明可用于在煤矿、隧道、溶洞等地下环境工作的智能机器人，如机器人，盾构机，地铁机车等的自主定位，为智能机器人在地下环境完成勘测、探险和搜索等任务提供有效的位姿信息。 

又如，中国专利授权公告号为CN 201901186 U公开了一种灾难探测机器人。一种灾难探测机器人，包括车体(1)和探测支架(2)，探测支架(2)上设置有摄像头(3)，其特征在于：所述的车体(1)一端设置有行走电机(4)，行走电机(4)的输出端设有链轮(5)，链轮(5)通过链条(6)与主动链轮(7)相连，与主动链轮(7)同轴的主动行走轮(8)上配有履带(9)，履带(9)还与支撑在车体(1)上的从动行走轮(10)相配，在车体(1)与靠近地面的从动行走轮(10)之间还设置有缓冲支撑装置(11)，在车体(1)和探测支架(2)之间还设置有转动装置(12)，探测支架(2)由相互铰接的主支架(13)和副支架(14)组成，主支架(13)与副支架(14)上分别通过主支架摆动系统(22)和副支架摆动系统(23)控制，与摄像头(3)还连接有信号发射装置(15)。可以进入各种恶劣灾害现场，将被困人员的情况通过视频信号告知搜救人员。 

以上专利着重于单一机器人的设计和实施，没有考虑机器人的能量损耗和多机器人之间的动态组网，也没有考虑矿井、巷道、城市地下管网对无线信号的影响。随着技术的发展，特别是无线传感器网络技术的发展，多机器人之间除了可以动态搭建搜救网络以外，还可以实现现场语音数据的传输和被困人员红外图像的获取等等。另外，还可以读取幸存的RFID标签中的位置信息提高自身的定位精确度。 

综上所述，现有的机器人救援系统在动态网络搭建、语音数据传输、红外图像的获取以及矿井巷道对无线传输信号的影响方面存在不足。    

发明内容

 针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是，在考虑矿井巷道对无线信号的影响下，利用ZigBee技术实现多个机器人之间的并行动态网络的搭建、解决搜救模式与蓝牙语音模式的切换问题、红外图像的获取以及机器人自身的定位等问题，使其更加有利于矿难的搜救工作。 

 本发明采用下述技术方案解决所述技术问题。 

一种基于爬虫机器人的搜救系统，由中继机器人、前端机器人、尾端机器人三类爬虫机器人组成网络系统，机器人之间通过ZigBee技术进行组网通信，爬虫机器人带有ZigBee模块，中继机器人、前端机器人、尾端机器人分别携带有ZigBee路由器、ZigBee终端和ZigBee协调器，所有机器人组成树状拓扑网络、并行结构，通过机器人的行进搭建搜救网络，在整个系统中包含对被困人员的搜索、位置确定、热红外图像传输、蓝牙语音对讲。 

所述的前端机器人携带有超声波智能寻路系统和红外摄像系统，当井下矿道被岩石封堵时，蜘蛛机器人能利用该系统自动寻找缝隙，并根据背包算法、贪心算法选择路径，然后爬过缝隙，到达人无法到达的地方进行探测；前端机器人携带的红外摄像系统，在黑暗环境中拍摄红外照片并传送回来，观察到生命存活的具体情况。 

所述的中继机器人上集成蓝牙音频接收转发器，类似于蓝牙语音基站，能够搭建无线蓝牙语音通话系统，让救援人员与被困人员通话，前端机器人身上集成麦克风和音频功放装置，中继机器人接收前端机器人发出的信息并转发给尾端机器人。 

所述的尾端机器人携带有ZigBee协调器，与电脑或者手持终端相连。 

系统具有中继算法，即前端机器人到达拐弯点或岔路口，通信信号强度下降到维持正常通信的阀值时，系统会根据中继算法触发回缩功能，前端机器人沿原路返回到通信信号强度大于阀值的位置，中继机器人爬向前端机器人的位置，作为通信中继站，前端机器人再继续向前爬行搜索。 

系统具有定位算法，即位置的确定是由爬虫机器人通过彼此之间的RSSI获得，另外，还可以利用预先设置在矿井中的信标节点，如RFID、二维码定位标签的位置信息，依据算法来修正RSSI获得的坐标位置使得定位更加准确。 

采用ZigBee技术解决机器人之间的动态组网和并行搜索问题。 考虑到矿井无线电波的传输特性巷道的拐弯、分支、倾斜会加大无线传输的衰减，为了避免信号中断，所有机器人网络采用短距离无线通信，而且节约成本，降低功耗。当机器人到达拐弯或分支路口时，通信信号会急剧下降，在此定义一个瓶颈阈值，当小于等于该值时系统根据特定算法触发回缩功能，前端机器人回缩中继机器人替代前端机器人，然后前端机器人继续前行。在此该瓶颈阈值的定义为节点间的信号强度与节点间距离的比值。 

ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协定，底层是采用IEEE802.15.4标准规范的媒体存取层与实体层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee协定层从下到上分别为实体层（PHY）、媒体存取层（MAC）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。网络装置的角色可分为ZigBeeCoordinator、ZigBeeRouter、ZigBeeEndDevice等三种，其中ZigBeeCoordinator、ZigBeeRouter必须为FFD节点。节点之间的动态组网流程如图1所示。当第一个FFD设备被激活后，首先扫描物理层默认的有效信道，检测干扰。同时，对检测到的信道按能量值进行排序。然后执行主动扫描过程选择一个最佳信道作为当前工作信道。协调器为第一个成功建立的网络节点（在MSSTATE_LRWPAN协议栈中，协调器节点在网络建立过程中不进行信道扫描，直接根据天线的设计频点采用指定的信道进行通信，以达到最佳通信效果）。网络建立后，所有的其他节点（FFD或RFD）均作为网络中的子节点发送入网请求，寻找其通信范围内的网络，如果发现网络节点根据所获取的网络信息选择一个父节点发送入网申请，然后等待父节点的响应。父节点收到子节点的入网请求后，根据请求内容作出判断是否允许加入网络，若允许加入，父节点向子节点发送请求响应告知。子节点收到请求响应后，并同时获知父节点短地址分配算法分配的的网络地址（短地址）作为网络内的唯一身份标识。由此节点成功加入网络。在实际应用中第一个激活的为协调器节点并广播信标帧，同时接受新节点的入网请求。这样通过不断的分配短地址，网络内的所有节点将组成树形的网络拓扑结构。 

考虑到矿难的黄金救援时间为72小时，为了抓紧时间，所有组网机器人采用树状网络、并行结构，不断向每条岔路延伸。所有机器人在井下组成的这一个网络具有路线记忆功能，能记住所有机器人爬行的路线并计算上下和左右角度，将信息保存到定义的栈中方便机器人的回退，同时计算出被困人员所在位置对应到地面的GPS定位。 

机器人节点间的定位采用ZigBee的RSSI定位和井下RFID辅助定位相结合的方式。ZigBee组建基本的网络后，通过节点接收RSSI值的大小来进行距离计算，然后通过距离以及参考节点的位置来计算定位节点(盲节点)位置，最后采用一定的修正算法对距离进行修正确定盲节点的位置。鉴于在实际的应用中RFID的煤矿人员定位系统得到普遍应用。因此，RFID的辅助定位系统就是基于矿井内幸存的RFID标签而设置的，其中RFID中存储着标签的位置信息，爬行机器人身上携带有RFID读写器。在实际应用中，爬行机器人之间通过彼此的RSSI实现自身的定位，当前端机器人在搜寻过程中读取到幸存标签的信息时，可以利用标签内的位置信息来修正机器人的位置提高定位的精确度。 

前端机器人（带有ZigBee终端）身上携带有红外热成像仪，当机器人在搜索过程中可以不定时的拍摄红外图像，监控中心可以根据红外图像进一步了解地下被困人员所处姿势以及周围的环境信息。 

该爬行机器人存在搜救模式和蓝牙语音模式的切换。在开始工作时机器人处于搜救模式并在网络组建过程中尝试搭建蓝牙语音网络，但以搭建搜救网络为主，蓝牙网络在搜救网络搭建完成并发现目标后通过补充中继机器人完成未成功的蓝牙网络搭建。当机器人发现遇难人员时将现场的图像信息传输到客户端，客户端根据图像信息确定是否切换到语音模式，用于和现场的遇难人员进行通信。搜救模式可以按前述所说的ZigBee组网策略实现，考虑到ZigBee的带宽有限语音模式采用蓝牙的语音通信技术实现。在前端机器人身上集成麦克风和音频功放装置，中继机器人上面集成蓝牙音频接收转发器类似于蓝牙语音基站。前端机器人身上的麦克风接收到音频信号经过处理器的相关操作转换成数字信号后，将数据通过机器人依次传输到地面的监控中心同时，建立一条蓝牙语音通道使地面人员可以与被困人员通信，从而可以更加准确的了解被困人员情况（如位置、被困人员数量、所处的状态等重要信息）开展高效的救援。 

利用蝙蝠超声波探路原理，前端机器人携带有超声波智能寻路系统，当井下矿道被岩石封住时，蜘蛛机器人利用该系统自动寻找缝隙，并根据特定的算法（如蚁群算法）选择路径，然后爬过缝隙，到达人无法到达的地方进行探测。 

本发明技术方案中，将现有的通信技术整合集成在爬行机器人身上，以ZigBee技术为核心构建了新型的搜救系统。该系统能够完成自动搜索被困人员、井下人员定位、红外图像传输、蓝牙语音对讲功能。从而降低了在对井下事故不明的情况下，人员主动施救的危险。系统将现有的通信技术集成，使其更加具有实用性和可扩展性。其中，所说的被困人员搜索，井下人员定位、红外图像传输、蓝牙语音对讲均属于现有的成熟技术在本方案中可以直接借鉴利用。爬虫机器人本身也使用现有的解决方案，如Arduino Hexapod六足蜘蛛机器人、HelloRobot 9G舵机六足机器人等。这些具体实现过程均可以采用成熟的现有技术，故不在此详细介绍。 

综上所述，本发明将现有的机器人系统、人员搜索系统、井下人员定位系统、红外图像传输系统、蓝牙语音对讲系统进行集成开发创新。同时解决了多机器人协同搜救问题、矿下人员位置的确定和人员所处的状态信息的采集以及临时搭建与被困人员语音通话信道的问题。减少了矿难发生时，不必要的人员牺牲，缩短了营救时间，第一时间对被困人员进行安抚，使得下一步决策更加科学有效。 

附图说明

图1 为本发明携带ZigBee节点的机器人动态组网流程图； 

图2 为本发明移动节点代表的机器人搜索示意图；

图3 为本发明机器人网路矿下搜索示意图；

其中，A——Rotbot1尾端节点；B——Rotbot2中继节点；A——Rotbot3前端节点；1——尾端机器人；2——中继机器人；3——前端机器人；4—— 被困矿工。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。 

具体实施方式一：一种基于爬虫机器人的搜救系统，根据携带ZigBee节点的类型不同可以分为三类，分别是尾端机器人（携带ZigBeeCoordinator）、中继机器人（携带ZigBeeRouter）、前端机器人（携带ZigBeeEndDevice）。多个机器人之间可以按照图1所示步骤组成一个动态搜救网络。当第一个FFD设备被激活后，首先扫描物理层默认的有效信道，检测干扰。同时，对检测到的信道按能量值进行排序。然后执行主动扫描过程选择一个最佳信道作为当前工作信道。协调器为第一个成功建立的网络节点（在MSSTATE_LRWPAN协议栈中，协调器节点在网络建立过程中不进行信道扫描，直接根据天线的设计频点采用指定的信道进行通信，以达到最佳通信效果）。网络建立后，所有的其他节点（FFD或RFD）均作为网络中的子节点发送入网请求，寻找其通信范围内的网络，如果发现网络节点根据所获取的网络信息选择一个父节点发送入网申请，然后等待父节点的响应。父节点收到子节点的入网请求后，根据请求内容作出判断是否允许加入网络，若允许加入，父节点向子节点发送请求响应告知。子节点收到请求响应后，并同时获知父节点短地址分配算法分配的的网络地址（短地址）作为网络内的唯一身份标识。由此节点成功加入网络。在实际应用中第一个激活的为协调器节点并广播信标帧，同时接受新节点的入网请求。这样通过不断的分配短地址，网络内的所有节点将组成树形的网络拓扑结构。 

考虑到矿井环境对无线信号的影响，为了避免信号中断，所有机器人网络采用短距离无线通信，而且节约成本，降低功耗。中继节点位置的判断可根据定义瓶颈阈值获得，当小于等于该瓶颈阈值时，触发相应的回缩系统，中继节点朝前端节点行进，并替换前端节点所在的位置，前端节点继续往前移动。如图2所示为机器人出现分支路径时机器人组网示意图。在分支路口为了防止信号中断，系统根据触发阈值利用回缩算法使得其中一个Robot 2停留在路口充当中继节点，两个Robot 3同时继续往前行走搜寻目标，缩短搜寻时间。 

具体实施方式二：利用该系统实现被困人员状态的识别和定位。如图3所示的机器人搜救网络，前端机器人身上携带有红外热成像仪，当机器人在搜索过程中可以不定时的拍摄红外图像，中继机器人能接收前端机器人通过各种传感器或红外设备所获取的一切信息，监控中心可以根据红外图像进一步了解地下被困人员所处姿势以及周围的环境信息。机器人节点间的定位采用ZigBee的RSSI定位和井下RFID辅助定位相结合的方式。ZigBee组建基本的网络后，通过节点接收RSSI值的大小来进行距离计算，然后通过距离以及参考节点的位置来计算定位节点(盲节点)位置，最后采用一定的修正算法对距离进行修正确定盲节点的位置。鉴于在实际的应用中RFID的煤矿人员定位系统得到普遍应用。因此，RFID的辅助定位系统就是基于矿井内幸存的RFID标签而设置的，其中RFID中存储着标签的位置信息，爬行机器人身上携带有RFID读写器。在实际应用中，爬行机器人之间通过彼此的RSSI实现自身的定位，当爬行机器人在搜寻过程中读取到幸存标签的信息时，可以利用利用标签内的位置信息来修正机器人的位置提高定位的精确度。同时，所有机器人在井下组成的这一个网络具有路线记忆功能，能记住所有机器人爬行的路线并计算上下和左右角度，同时计算出被困人员所在位置对应到地面的GPS定位，从而给地面人员实施打井施救提供客观的位置信息。 

具体实施方式三：采用该系统完成语音对讲。该爬行机器人存在搜救模式和语音模式的切换。在开始工作时机器人处于搜救模式，并在搜索组网的过程中尝试搭建蓝牙网络，记录搭建失败的位置，当机器人发现遇难人员时将现场的图像信息传输到客户端，客户端根据图像信息确定是否切换到语音模式，用于和现场的遇难人员进行通信。通过补充中继机器人完成未搭建完成的蓝牙网络。搜救模式可以按前述所说的ZigBee组网策略实现，考虑到ZigBee的带宽有限语音模式因此在这采用蓝牙的语音通信技术实现。在携带有ZigBee终端的前端机器人身上集成麦克风和音频功放装置，中继机器人上面集成蓝牙音频接收转发器类似于蓝牙语音基站。前端机器人身上的麦克风接收到音频信号经过处理器的相关操作转换成数字信号后，将数据通过机器人依次传输到地面的监控中心同时，建立一条蓝牙语音通道使地面人员可以与被困人员通信，从而可以更加准确的了解被困人员情况（如位置、被困人员数量、所处的状态等重要信息）开展高效的救援。 

爬虫机器人系统除了在矿井进行搜救定位，还可以用于地震、洪灾等灾害搜救行动，可以到达人员无法到达的地方进行探测搜索，还可以用于各种管网检修、城市下水道等检修。对机器人进行功能的改进，还可以用在更多的方面，比如在机器人的触手上加上一个吸盘、小型空压机，它就能够在高楼大厦或者跨江大桥上爬行，协助相关人员进行察看、清洁或者维修。 

综上所述是对本发明的进一步详细说明而不是限制，为本发明较佳的实施方式，凡依本发明技术方案所做的改变，所生产的功能作用未超出本发明技术方案的范围时均属于本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种基于爬虫机器人的搜救系统，其特征在于由中继机器人、前端机器人、尾端机器人三类爬虫机器人组成网络系统，机器人之间通过ZigBee技术进行组网通信，爬虫机器人带有ZigBee模块，中继机器人、前端机器人、尾端机器人分别携带有ZigBee路由器、ZigBee终端和ZigBee协调器，通过机器人的行进搭建搜救网络，在整个系统中包含对被困人员的搜索、位置确定、热红外图像传输、蓝牙语音对讲，具体地，所述的前端机器人携带有超声波智能寻路系统和红外摄像系统，当井下矿道被岩石封堵时，蜘蛛机器人能利用超声波智能寻路系统自动寻找缝隙，并根据背包算法、贪心算法选择路径，然后爬过缝隙，到达人无法到达的地方进行探测；前端机器人携带的红外摄像系统，在黑暗环境中拍摄红外照片并传送回来，观察到生命存活的具体情况；所述的中继机器人上集成蓝牙音频接收转发器，作为蓝牙语音基站，能够搭建无线蓝牙语音通话系统，让救援人员与被困人员通话，前端机器人身上集成麦克风和音频功放装置，中继机器人接收前端机器人发出的信息并转发给尾端机器人。

2.根据权利要求1所述的一种基于爬虫机器人的搜救系统，其特征在于所述的尾端机器人携带有ZigBee协调器，与电脑或者手持终端相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于爬虫机器人的搜救系统，其特征在于具有中继算法，即前端机器人到达拐弯点或岔路口，通信信号强度下降到维持正常通信的阀值时，系统会根据中继算法触发回缩功能，前端机器人沿原路返回到通信信号强度大于阀值的位置，中继机器人爬向前端机器人的位置，作为通信中继站，前端机器人再继续向前爬行搜索。

4.根据权利要求1所述的一种基于爬虫机器人的搜救系统，其特征在于具有定位算法，即位置的确定是由爬虫机器人通过彼此之间的RSSI获得，另外，利用预先设置在矿井中的信标节点，RFID、二维码定位标签的位置信息，依据算法来修正RSSI获得的坐标位置使得定位更加准确。

5.根据权利要求1所述的一种基于爬虫机器人的搜救系统，其特征在于所有机器人组成树状拓扑网络、并行结构。