CN103135551B

CN103135551B - 一种精确定位火灾搜救机器人

Info

Publication number: CN103135551B
Application number: CN201310062621.8A
Authority: CN
Inventors: 唐智杰; 罗均; 刘平龙; 沈佳丽; 谢少荣; 彭艳
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: CN103135551A

Abstract

本发明公开了一种精确定位火灾搜救机器人。它包括机器人本体，机器人本体上安装有一个主控制系统、三个GPS卫星定位模块、一个姿态传感系统、一个GSM彩信模块、五个串口摄像机、环境探测系统、一个无线数据传输模块、履带驱动机构和高性能蓄电池，所述主控制系统与所述姿态传感系统相连，获得机器人的当前多轴姿态信息，所述主控制系统与三个所述GPS模块相连，获得三组定位信息，并与姿态信息相关联，通过精确定位算法获得机器人精确定位信息，所述主控制系统与所述履带驱动机构相连，实现机器人运动控制。本火灾搜救机器人可适用于火灾环境下搜救等应用。

Description

一种精确定位火灾搜救机器人

技术领域

本发明涉机器人控制领域，特别是涉及一种精确定位火灾搜救机器人。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，搜救机器人应运而生。针对火灾中搜救的移动机器人应用而言，为了提高救援的有效性和准确度，关键在于机器人的精确定位和环境信息的可靠反馈。

目前，定位系统大多采用GPS定位技术，但单一GPS定位误差比较大，约5米误差，对于搜救精度不够。

中国实用新型专利ZL 201020505319.7公开了“一种简易搜救机器人”，该机器人可以搜救机器人的图像信息反馈，但是其没有提供就机器人定位信息，信息反馈采用无线数据通讯，信道单一，可靠性不足。

中国发明专利申请号200810002005.2公开了“移动机器人的定位方法”，该机器人采用环境图像定位方式，不适应于未知环境的搜救机器人作业需要。

中国发明专利申请号201210040112.0公开了“自主移动设备精确定位导航系统”，该机器人采用红外RFID定位，必须事先布置RFID定位点，不适应于未知环境的搜救机器人作业需要。

中国发明专利申请号201210269218.8公开了“用于室内移动机器人的快速精确定位系统及其工作方法”，该机器人定位必须先设定红外定位点，不适应于未知环境的搜救机器人作业需要。

中国发明专利申请号201210048887.2公开了“室外移动机器人的精确定位系统”，该定位系统需要额外设置基站，并且必须知道机器人与基站之间的距离，这对于搜救机器人实现具有难度，故该方法只能适用于室外移动机器人。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，提供一种精确定位火灾搜救机器人，实现双通道环境信息数据图像通讯的火灾搜救，以满足火灾搜救的需要。

为达到上述目的，本发明的构思是：本发明采用三个GPS定位模块联合姿态传感系统，通过精确定位算法实现机器人精确定位；采用GSM彩信模块和无线数据传输模块实现环境数据图像等信息的双通道可靠通讯；采用多摄像数据融合获得机器人的五方向图像数据；采用温度传感器、湿度传感器和激光测距仪等环境监测系统实现环境数据的获取；

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种精确定位火灾搜救机器人，包括机器人本体，机器人本体上安装有一个主控制系统、三个GPS卫星定位模块、一个姿态传感系统、一个GSM彩信模块、五个串口摄像机、环境探测系统、一个无线数据传输模块、履带驱动机构和高性能蓄电池，其特征在于所述主控制系统与所述姿态传感系统之间采用RS232相连，所述主控制系统分别与三个所述GPS卫星定位模块之间采用RS232相连，所述主控制系统分别与五个所述串口摄像机之间采用RS232相连，所述主控制系统与所述环境探测系统之间采用RS232相连，所述主控制系统与所述GSM彩信模块之间采用RS232相连，所述主控制系统与所述无线数据传输模块之间采用RS232相连，所述主控制系统与高性能蓄电池相连，完成系统供电功能，所述主控制系统与所述履带驱动机构相连。

上述精确定位火灾搜救机器人，其特征在于所述主控制系统包括一个主控制微处理器，所述主控制微处理器连接一个串口扩展电路、一个电源控制监测电路、一个通讯接口电路、一个电机驱动电路、按键、指示灯、SD卡等，用于实现机器人精确定位的计算、机器人环境信息、定位信息和图像信息等信息的GSM彩信发送、GSM远程指令接收和处理、机器人环境信息、定位信息和图像信息等信息的无线数据发送、无线数据远程控制指令的处理、电源监测和指示、履带驱动机构的控制。

上述机器人，其特征在于所述精确定位算法是通过GPS模块获得三组定位信息，通过姿态传感系统获得机器人姿态角度信息，两者相联合，通过已知三个GPS卫星定位模块固定安装位置三角形和机器人姿态角度信息获得安装位置三角形的水平影射三角形，通过进行归一化最小误差比较确定两组可信定位信息，通过三角形重心计算算法获得机器人精确定位信息。

上述机器人，其特征在于所述三个GPS卫星定位模块分别布置于机器人本体上三个具有有效距离的固定位置，用于获得机器人三点固定位置所对应的GPS定位信息，并把信息通过RS232传输给所述主控制系统，为机器人精确定位提供数据信息。

上述机器人，其特征在于所述姿态传感系统用于获得机器人的姿态信息，包括多轴姿态角度、加速度等姿态信息，并把信息通过RS232传输给所述主控制系统，为机器人精确定位提供数据信息。

上述机器人，其特征在于所述GSM彩信模块通过RS232与所述主控制系统相连，用于将机器人的精确定位信息、机器人环境信息、机器人所处环境的图像信息发送给控制中心，并接收控制中心的GSM信息，实现远程控制；所述无线数据传输模块通过RS232与所述主控制系统相连，用于将机器人的精确定位信息、机器人环境信息、机器人所处环境的图像信息发送给控制中心，并接收控制中心的无线控制信息，实现远程控制；最终实现数据图像等信息的双通道可靠传输。

上述机器人，其特征在于所述串口摄像机分别布置于机器人的前后左右上五个方向，获得机器人所处环境的五方向图像信息，并通过串口RS232分别传输给所述主控制系统，提供救援图像信息；

上述机器人，其特征在于所述环境探测系统包括温度传感器、湿度传感器和激光测距仪，主要用于获取机器人的环境温度、湿度信息和环境障碍物信息等环境信息，并传输给所述主控制系统，提供救援环境信息；

上述机器人，其特征在于所述履带驱动机构用于实现机器人的前进、后退和转向等驱动，与所述主控制系统相连，实现机器人的移动控制；

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：本发明采用三个GPS定位模块联合姿态传感系统，通过精确定位算法实现机器人精确定位，采用GSM彩信模块和无线数据传输模块实现环境数据图像等信息的双通道可靠通讯，采用多摄像数据融合获得机器人的五方向图像数据，采用温度传感器、湿度传感器和激光测距仪等环境监测系统实现环境数据的获取，能够很好的满足火灾搜救的需要。

附图说明

附图1是本发明一个实施例的框图。

附图2是图1示例中机器人的主控制系统示意图

附图3是本发明的精确定位算法的示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

如图1所示，本精确定位火灾搜救机器人包括一个主控制系统（1）、三个GPS卫星定位模块（2a、2b、2c）、一个姿态传感系统（3）、一个GSM彩信模块（4）、五个串口摄像机（5a、5b、5c、5d、5e）、环境探测系统（6）、一个无线数据传输模块（7）、履带驱动机构（8）和高性能蓄电池（9），其特征在于所述主控制系统（1）与所述姿态传感系统（3）之间采用RS232相连，用于获得机器人姿态信息，所述主控制系统（1）分别与三个所述GPS卫星定位模块（2a、2b、2c）之间采用RS232相连，用于获得三组GPS定位信息，所述主控制系统（1）分别与五个所述串口摄像机（5a、5b、5c、5d、5e）之间采用RS232相连，用于获得机器人前后左右上五方向的环境图像数据，所述主控制系统（1）与所述环境探测系统（6）之间采用RS232相连，用于获得机器人环境温湿度数据和环境障碍物信息数据，所述主控制系统（1）与所述GSM彩信模块（4）之间采用RS232相连，用于实现环境数据信息、定位信息和环境图像的远程发送和远程指令接收，所述主控制系统（1）与所述无线数据传输模块（7）之间采用RS232相连，用于实现环境数据信息、定位信息和环境图像的远程快速传输和远程指令接收，所述主控制系统（1）与高性能蓄电池（8）相连，完成系统供电功能，所述主控制系统（1）与所述履带驱动机构（9）相连，用于实现机器人驱动和转向灯控制。

所述GPS卫星定位模块（2a、2b、2c）采用HOLUX M-89高精度GPS定位模块，定位精度为3米，用于接收GPS定位信息。

所述姿态传感系统（3）采用3DM-GX1，可以实现六自由度姿态信息。

所述环境探测系统（6）包括温度传感器、湿度传感器和激光测距仪，主要用于获取机器人的环境温度、湿度信息和环境障碍物信息等环境信息，并传输给所述主控制系统（1），提供救援环境信息。

所述无线数据传输模块（7）采用433M透明数据无线传输模块SV6202，可以实现RS232转无线透明数据传输。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

参见图2，所述的精确定位火灾搜救机器人的主控制系统（1）包括一个主控制微处理器（101），所述主控制微处理器（101）连接有一个串口扩展电路（102）、一个电源控制监测电路（103）、一个通讯接口电路（104）、电机驱动电路（105）、按键（106）、指示灯（107）、SD卡（108）和一个复位调试电路（109），所述主控制微处理器（101）分别与所述串口扩展电路（102）、电源控制监测电路（103）、串口接口电路（104）、电机驱动电路（105）、按键（106）、指示灯（107）、SD卡（108）和复位调试电路（109）相连，所述串口接口电路（104）与所述串口扩展电路（102）连接，该控制系统用于获取机器人三组GPS定位信息和姿态信息，通过精确定位算法实现机器人精确定位的计算，并将机器人环境信息、定位信息和图像信息等信息的通过GSM彩信发送、GSM远程指令接收和处理、机器人环境信息、定位信息和图像信息等信息的无线数据发送、无线数据远程控制指令的处理、电源监测和指示、履带驱动机构的控制；

所述微处理器（101）采用美国NXP公司的LPC1778微处理器，内含Cortex-M3内核，运行速度高达120MHz，芯片内置有96KB片内SRAM、4KB片上EEPROM，SD卡接口 5个UART接口、具有PWM脉宽调制输出控制功能和模拟-数字转换器等，可以非常高效地完成控制系统所需要的全部功能。

所述串口扩展电路（102）采用美国菲利普公司的SC28L198芯片，弹片可以实现8个串口的扩展功能，用于连接所述串口接口电路（104），实现RS232通讯。

所述串口接口电路（104）采用13片SP3232E芯片，实现了13个RS232硬件接口，为所述主控制系统（1）提供通讯接口，用于了连接所述GPS卫星定位模块（2a、2b、2c）、姿态传感系统（3）、GSM彩信模块（4）、五个串口摄像机（5a、5b、5c、5d、5e）、环境探测系统（6）和无线数据传输模块（7）等设备。

所述电源控制监测电路（103）用于实现电源监测和控制的功能。

所述电机驱动电路（105）与所述履带驱动机构（8）相连，受所述微处理器（101）控制，实现机器人移动和转向控制。

所述按键（106）用于实现机器人设置。

所述指示灯（107）用于机器人状态显示。

所述SD卡（108）用于数据保存和记录。

所述复位调试电路（109）用于所述主控制系统（1）的复位和调试。

实施例三：

如图3所示，所述精确定位算法就是通过GPS模块获得三组定位信息，通过姿态传感系统获得机器人姿态角度信息，两者相联合，通过已知三个GPS卫星定位模块固定安装位置三角形和机器人姿态角度信息获得安装位置三角形的水平影射三角形，通过进行归一化最小误差比较确定两组可信定位信息，通过三角形重心计算算法获得机器人精确定位信息，具体计算如下：

（1）首先，如图3（A）所示，三组GPS定位模块（2a、2b、2c）的固定位置为三角形ABC（三角形ABC的顶点间长度和三个角的角度在安装时固定并测得）,通过姿态传感器获得机器人姿态角φ,以三角形ABC其中一顶点为坐标原点，然后通过三角形投影计算可以获得固定位置ABC的水平投影三角形A’B’C’的顶点坐标，并分别计算A’B’C’三点之间的距离、和。

（2）通过三组GPS定位模块（2a、2b、2c）获得三组定位信息(P2a、P2b和P2c)，然后分别计算三点之间的距离、和。

（3）分别比较三组长度与、和、和之间的误差、和，具体计算，，。

（4）采用归一化误差计算、和。

（5）比较归一化误差、和，取归一化误差最小者对应的定位信息为可信有效定位坐标。具体而言，最小时，A’和B’的水平坐标就是P2a和P2b；最小时，A’和C’的水平坐标就是P2a和P2c；最小时，C’和B’的水平坐标就是P2c和P2b。

（6）根据已知三角形A’B’C’和在步骤（5）所得的2点定位信息，通过三角形法则，可以轻松获得另一点的计算定位信息，这样A’、B’和C’三点的GPS定位信息都求得。

（7）如图3（B）所示，以模块的定位精度作为误差半径，分别以点A’、B’和C’为圆心，获得定位误差圈QA、QB和QC。

（8）通过误差圈的交点获得三角形MNP。

（9）对三角形MNP求得重心G，该点G的GPS定位信息即为机器人的精确定位信息。

以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围

Claims

1.一种精确定位火灾搜救机器人，包括机器人本体，机器人本体上安装有一个主控制系统（1）、三个GPS卫星定位模块（2a、2b、2c）、一个姿态传感系统（3）、一个GSM彩信模块（4）、五个串口摄像机（5a、5b、5c、5d、5e）、一个环境探测系统（6）、一个无线数据传输模块（7）、履带驱动机构（8）和高性能蓄电池（9），其特征在于所述主控制系统（1）与所述姿态传感系统（3）之间采用RS232相连，所述主控制系统（1）分别与三个所述GPS卫星定位模块（2a、2b、2c）之间采用RS232相连，所述主控制系统（1）分别与五个所述串口摄像机（5a、5b、5c、5d、5e）之间采用RS232相连，所述主控制系统（1）与所述环境探测系统（6）之间采用RS232相连，所述主控制系统（1）与所述GSM彩信模块（4）之间采用RS232相连，所述主控制系统（1）与所述无线数据传输模块（7）之间采用RS232相连，所述主控制系统（1）与高性能蓄电池（9）相连，完成系统供电功能；所述主控制系统（1）与所述履带驱动机构（8）相连，通过精确定位算法获得机器人精确定位信息，通过图像拼接技术获得机器人所处环境的环境图像信息，通过GSM彩信和无线数据传输技术保证双通道数据可靠传输；所述精确定位算法是通过三个GPS卫星定位模块（2a、2b、2c）获得三组定位信息，通过姿态传感系统（3）获得机器人姿态角度信息，两者相联合，通过已知三个GPS卫星定位模块（2a、2b、2c）固定安装在机器人本体上三个位置的位置三角形和机器人姿态角度信息，获得安装位置三角形的水平影射三角形，通过进行归一化最小误差比较确定两组可信定位信息，通过三角形重心计算算法获得机器人精确定位信息。

2.根据权利要求1所述的精确定位火灾搜救机器人，其特征在于所述主控制系统（1）包括一个主控制微处理器（101）、串口扩展电路（102）、一个电源控制监测电路（103）、一个通讯接口电路（104）、一个电机驱动电路（105）、按键（106）、指示灯（107）、SD卡（108）和一个复位调试电路（109），所述主控制系统（1）用于实现机器人精确定位的计算、机器人环境信息、定位信息和图像信息的GSM彩信发送、GSM远程指令接收和处理、机器人环境信息、定位信息和图像信息的无线数据发送、无线数据远程控制指令的处理、电源监测和指示、履带驱动机构的控制。

3.根据权利要求1所述的精确定位火灾搜救机器人，其特征在于所述三个GPS卫星定位模块（2a、2b、2c）分别布置于机器人本体上三个相互具有有效距离的固定位置，用于获得机器人三点固定位置所对应的GPS定位信息，并把信息通过RS232传输给所述主控制系统（1），为机器人精确定位提供数据信息。

4.根据权利要求1所述的精确定位火灾搜救机器人，其特征在于所述姿态传感系统（3）用于获得机器人的姿态信息，包括多轴姿态角度和加速度信息，并把信息通过RS232传输给所述主控制系统（1），为机器人精确定位提供数据信息。

5.根据权利要求1所述的精确定位火灾搜救机器人，其特征在于所述GSM彩信模块（4）通过RS232与所述主控制系统（1）相连，用于将机器人的精确定位信息、机器人环境信息、机器人所处环境的图像信息发送给控制中心，并接收控制中心的GSM信息，实现远程控制；所述无线数据传输模块通过RS232与所述主控制系统相连，用于将机器人的精确定位信息、机器人环境信息、机器人所处环境的图像信息发送给控制中心，并接收控制中心的无线控制信息，实现远程控制；最终实现数据图像信息的双通道可靠传输。

6.根据权利要求1所述的精确定位火灾搜救机器人，其特征在于所述五个串口摄像机（5a、5b、5c、5d、5e）分别布置于机器人的前后左右上五个方向，获得机器人所处环境的五方向图像信息，并通过串口RS232分别传输给所述主控制系统（1），提供救援图像信息。

7.根据权利要求1所述的精确定位火灾搜救机器人，其特征在于所述环境探测系统（6）包括温度传感器、湿度传感器和激光测距仪，主要用于获取机器人的环境温度、湿度信息和环境障碍物信息，并传输给所述主控制系统（1），提供救援环境信息。

8.根据权利要求1所述的精确定位火灾搜救机器人，其特征在于所述履带驱动机构（8）用于实现机器人的前进、后退和转向驱动，与所述主控制系统（1）相连，实现机器人的移动控制。