CN106737544A - 基于多种生命传感器和3d摄像头的搜索机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多种生命传感器和3D摄像头的搜索机器人，包括:控制器、电源模块、多传感器模块、图像采集模块等。多传感器模块采用心率传感器和人体红外传感器进行生命信号的检测，图像采集模块采用双3D摄像头进行被困人员周围地形环境图像的采集，控制器将处理好的关于被困人员位置的信息及其周围地形环境信息通过标准化接口传送到灾害现场搜索救援服务中心，让指挥人员能够制定出合理的救援方案，最大限度的保障被困人员的生命安全。

Description

基于多种生命传感器和3D摄像头的搜索机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于多种生命传感器和3D摄像头的搜索机器人。

背景技术

近年来，各种灾害频繁发生，自2008年四川汶川地震以来，我国又先后经历了青海玉树地震，四川庐山地震、甘肃舟曲泥石流、天津塘沽爆炸，湖北洪涝等众多自然和非自然灾害。这些灾害严重威胁着人们的生命安全，而且大多数灾害的情况已经远远超出了人工救援的能力范围，许多人也因为没有得到及时的救助而离开了亲人。

如何在保证救援人员安全的情况下更快、更好的解救被困人员，有效降低灾害损失成为社会大众越来越关注的问题。

各种搜索被困人员的装置层出不穷，从最开始的搜救犬到各式各样的生命探测仪，它们也确实起到了一定的积极作用。但是搜救犬依赖人工训练，而某些生命探测仪也存在定位不够准确、装置较大，搜索效率不高等缺点。

随着机器人时代的到来以及搜救人员无法及时到达受灾现场的情况，搜索机器人应运而生。但是相较于工业机器人的蓬勃发展，搜索机器人还处于起步阶段。针对受灾现场环境发生了巨大变化的情况，目前的搜索机器人更多是从结构和外形上进行考虑的，如蛇形机器人、多节履带机器人、可变形(多态)机器人等。蛇形机器人能够进入狭小的缝隙，履带式机器人有较好的越障能力，可变形(多态)机器人能够根据环境的不同改变的自己的形态，这些都是这类机器人的优点，但是搜索机器人最重要的功能是找到被困人员，并让他们能够尽快的获救。关于这一点，国内的搜索机器人基本采用单一的传感器进行生命信息的检测，再将检测到的信息传回灾害现场搜索救援服务中心进行数据处理，这样做的不足之处在于：

第一，每种生命传感器都有其缺点，有的传感器只能确定有生命迹象，但无法确定是否为人，有的传感器能够判断有人被困但无法确定有几人，搜索的准确度将受到影响

第二，将检测到的信息传回灾害现场搜索救援服务中心进行数据处理，效率比较低，很有可能导致被困人员错过黄金救援时间而失去生命。

此外，虽然很多的搜索机器人都带有摄像头，能够获取被困人员附近环境图像，但是多为一般的摄像头，即使是激光扫描或者红外扫描的摄像头拍摄出的图像也需要经过复杂的算法进行从2D到3D的地形环境建模，仍然存在效率问题而且也无法确保所建的模型能够完全反映实际的地形环境。

“灾情就是命令，时间就是生命。”越快找到被困人员，他们获救的概率就越大。因此本发明一种基于多种生命传感器和3D摄像头的搜索机器人有着广阔的应用前景和较高的实用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多种生命传感器和3D摄像头的搜索机器人，有效的避免了2D到3D的复杂建模，确保图像的真实准确，大大提高了搜索效率，有较高的实用价值。

为实现上述发明目的，本发一种基于多种生命传感器和3D摄像头的搜索机器人，其特征在于，包括：

一柔性机械臂，将3D摄像头安装在柔性机械臂的顶部，人体红外传感器和心率传感器交叉安装在柔性机械臂上，控制器安装于柔性机械臂的底部；当搜索机器人工作时，柔性机械臂能够伸入到有缝隙的废墟之中，使其臂上的3D摄像头、人体红外传感器和心率传感器能够搜索被困人员；

一电源模块，与搜索机器人中其它各个模块相连，为各个模块提供能量；

多传感器模块，包括心率传感器和人体红外传感器，主要用于检测生命信息，并将检测到的生命信息发送给控制器；

其中，心率传感器和人体红外传感器均匀分布在机器人的可伸展部位；人体红外传感器测量量程范围以内是否存在被困人员，如果有，则输出一个正信号至控制器；如果没有，则输出一个负信号至控制器；当人体红外传感器输出正信号时，控制器控制心率传感器感应被困者的心率，并对心率进行滤波、去噪，再使用ECG算法进行处理，得到ECG图，再根据ECG图大致确定出被困者的年龄、位置，最终得到由被困者年龄、心率、被困位置组成的生命信息；

一图像采集模块，采用带有左右两个镜头的3D摄像头，主要用于完成被困人员周围环境图像的采集，其中，将左镜头拍摄的图像称为左图像，把右镜头拍摄的图像称为右图像；

当确定被困者大致位置以后，控制器控制3D摄像头采集被困人员周围环境的图像，其中，左右两个镜头同时采样图像信息，并上传至3D摄像头内置的CCD图像传感器、滤波去噪电路和A/D转换电路处理，得到左右数字图像并传送给控制器；

一控制器，主要完成生命信息和左右数字图像的处理；其中，通过SAD算法对左右数字图像进行左右匹配，再将匹配后的图像通过标准化接口传送到灾害现场搜索救援服务中心，指挥人员根据上传信息快速制定救援方案，完成搜索工作。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种基于多种生命传感器和3D摄像头的搜索机器人，包括:控制器、电源模块、多传感器模块、图像采集模块等。多传感器模块采用心率传感器和人体红外传感器进行生命信号的检测，图像采集模块采用双3D摄像头进行被困人员周围地形环境图像的采集，控制器将处理好的关于被困人员位置的信息及其周围地形环境信息通过标准化接口传送到灾害现场搜索救援服务中心，让指挥人员能够制定出合理的救援方案，最大限度的保障被困人员的生命安全。

同时，本发明一种基于多种生命传感器和3D摄像头的搜索机器人还具有以下有益效果：

(1)、本发明具有整体结构简单，功能明确，可以用于受灾现场被困人员的搜索，具有较高的实用价值；

(2)、本发明使用双3D摄像头采集图像，有效的避免了2D到3D的复杂建模，同时确保了图像真实准确，大大提高了搜索效率；

(3)、本发明采用多种生命传感器配合使用方法进行生命信号的检测，克服了单一传感器探测遗漏或错误的缺点。

附图说明

图1是本发明所述搜索机器人的控制系统框图；

图2是本发明所述搜索机器人的传感系统工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明所述搜索机器人的控制系统框图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于多种生命传感器和3D摄像头的搜索机器人，包括：3D摄像头1、人体红外传感器2、心率传感器3、控制模器4和电源模块5。在本实施例中，搜索机器人为常见的四轮小车造型，上有一可伸展的柔性机械臂，3D摄像头1安装在柔性机械臂的顶部，人体红外传感器2和心率传感器3数量各两个，交叉安装在柔性机械臂上，控制器4位于柔性机械臂的底部，电源模块5则位于小车底部。

下面结合图2，对本发明所述搜索机器人的各个子模块的工作流程进行详细描述。

电源模块，与搜索机器人中其它各个模块相连，为各个模块提供能量，可以采用高性能的可充电锂电池。

多传感器模块，包括心率传感器和人体红外传感器，主要用于检测生命信息，并将检测到的生命信息发送给控制器；

心率传感器是利用人体血液中血红蛋白的吸光度变化来测量心率，可以采用光电测量方式，在本实施例中，采用BMD101心率传感模块，它自带数字信号处理结构，能够进行数字滤波；

人体红外传感器采用HC-SR501模块，它采用LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强；

其中，心率传感器和人体红外传感器均匀分布在机器人的可伸展部位；人体红外传感器测量量程范围以内是否存在被困人员，如果有，则输出一个正信号至控制器；如果没有，则输出一个负信号至控制器；当人体红外传感器输出正信号时，控制器控制心率传感器感应被困者的心率，并对心率进行滤波、去噪，再使用ECG算法进行处理，得到ECG图，再根据ECG图大致确定出被困者的年龄、位置，最终得到由被困者年龄、心率、被困位置组成的生命信息。

图像采集模块，采用带有左右两个镜头的3D摄像头，均采用Astra-Mini型号，3D摄像头的左右两个镜头均能通过三维软件实现360度旋转，主要用于完成被困人员周围环境图像的采集，其中，将左镜头拍摄的图像称为左图像，把右镜头拍摄的图像称为右图像；

当确定被困者大致位置以后，控制器控制3D摄像头采集被困人员周围环境的图像，其中，左右两个镜头同时采样图像信息，并上传至3D摄像头内置的CCD图像传感器、滤波去噪电路和A/D转换电路处理，再利用SAD算法对处理后的左右图像进行匹配，得到数字图像信号并传送给控制器。

控制器，采用ARM芯片加上Linux操作系统实现，主要完成生命信息和数字图像信号的处理，再将处理的结果通过标准化接口传送到灾害现场搜索救援服务中心，指挥人员根据上传信息快速制定救援方案，完成搜索工作；

其中，在控制器中，利用SAD算法对处理后的左右图像进行匹配的方法为：

设左图像为L(x,y)，右图像为R(x,y)，在左右图像中均设有一矩形窗口w，以左图像L(x,y)为基准，对右图像R(x,y)进行匹配；

先对左右图像进行灰度变换，设F(x,y)为像素点(x,y)的灰度值，F(x+m,y+n)为当前像素点(x+m,y+n)的灰度值，则对像素点(x,y)进行灰度变换为：

r(x,y)＝∑_(m,n)H(F(x,y),F(x+m,y+n))

(m,n)表示像素点(x,y)与图像中心像素点的坐标偏差；r(x,y)为整数，表示图像中心像素点的灰度值在矩形窗口内的灰度值排序序号，再结合整数r(x,y)，利用SAD算法计算左右图像的相似性度量；

其中，w表示矩形窗口，k表示搜索范围；r_L表示左图像中心像素点的灰度值在矩形窗口内的灰度值排序序号；r_R表示右图像中心像素点的灰度值在矩形窗口内的灰度值排序序号；

当SAD(x,y,k)取值最小时，得到左右视图的最佳匹配。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种基于多种生命传感器和3D摄像头的搜索机器人，其特征在于，包括：

一柔性机械臂，将3D摄像头安装在柔性机械臂的顶部，人体红外传感器和心率传感器交叉安装在柔性机械臂上，控制器安装于柔性机械臂的底部；当搜索机器人工作时，柔性机械臂能够伸入到有缝隙的废墟之中，使其臂上的3D摄像头、人体红外传感器和心率传感器能够搜索被困人员；

一电源模块，与搜索机器人中其它各个模块相连，为各个模块提供能量；

多传感器模块，包括心率传感器和人体红外传感器，主要用于检测生命信息，并将检测到的生命信息发送给；

其中，心率传感器和人体红外传感器均匀分布在机器人的可伸展部位；人体红外传感器测量量程范围以内是否存在被困人员，如果有，则输出一个正信号至控制器；如果没有，则输出一个负信号至控制器；当人体红外传感器输出正信号时，控制器控制心率传感器感应被困者的心率，并对心率进行滤波、去噪，再使用ECG算法进行处理，得到ECG图，再根据ECG图大致确定出被困者的年龄、位置，最终得到由被困者年龄、心率、被困位置组成的生命信息；

一图像采集模块，采用带有左右两个镜头的3D摄像头，主要用于完成被困人员周围环境图像的采集，其中，将左镜头拍摄的图像称为左图像，把右镜头拍摄的图像称为右图像；

当确定被困者大致位置以后，控制器控制3D摄像头采集被困人员周围环境的图像，其中，左右两个镜头同时采样图像信息，并上传至3D摄像头内置的CCD图像传感器、滤波去噪电路和A/D转换电路处理，得到左右数字图像并传送给控制器；

一控制器，主要完成生命信息和左右数字图像的处理；其中，通过SAD算法对左右数字图像进行左右匹配，再将匹配后的图像通过标准化接口传送到灾害现场搜索救援服务中心，指挥人员根据上传信息快速制定救援方案，完成搜索工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于多种生命传感器和3D摄像头的搜索机器人，其特征在于，所述的心率传感器可以采用光电测量方式。

3.根据权利要求1所述的一种基于多种生命传感器和3D摄像头的搜索机器人，其特征在于，所述的SAD算法对左右数字图像进行匹配的方法为：

设左图像为L(x,y)，右像为R(x,y)，在左右图像中均设有一矩形窗口w，以左图像L(x,y)为基准，对右图像R(x,y)进行匹配；

先对左右图像进行灰度变换，设F(x,y)为像素点(x,y)的灰度值，F(x+m,y+n)为当前像素点(x+m,y+n)的灰度值，则对像素点(x,y)进行灰度变换为：

r(x,y)＝∑_(m,n)H(F(x,y),F(x+m,y+n))

(m,n)表示像素点(x,y)与图像中心像素点的坐标偏差；r(x,y)为整数，表示图像中心像素点的灰度值在矩形窗口内的灰度值排序序号，再结合整数r(x,y)，利用SAD算法计算左右图像的相似性度量；

其中，w表示矩形窗口，k表示搜索范围；r_L表示左图像中心像素点的灰度值在矩形窗口内的灰度值排序序号；r_R表示右图像中心像素点的灰度值在矩形窗口内的灰度值排序序号；

当SAD(x,y,k)取值最小时，得到左右视图的最佳匹配。

4.根据权利要求1所述的一种基于多种生命传感器和3D摄像头的搜索机器人，其特征在于，所述的3D摄像头的左右两个镜头均能通过三维软件实现360度旋转。