CN204287967U - 基于多智能体理论的搜救机器人系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于多智能体理论的搜救机器人系统。运用于大规模、高效率机器人群的搜救技术不全面，特别是搜救机器人群的群体行为控制比较匮乏。本实用新型的车体内设有Arduino Uno R3单片机、扩展板、电机控制电路、定位系统、Zigbee模块、红外生命探测模块、第一直流电源和第二直流电源；电机控制电路由第二直流电源供电，并通过四个减速电机控制四个轮子的运转；无线网络系统用Zigbee模块构建自主网络，远程控制设备和多智能体机器人群均通过Zigbee模块接入无线网络系统。本实用新型大大提高了搜救机器人的自动性、协同性和可控性，减少了搜救时间，满足了大规模搜救的要求。
Description
技术领域
本实用新型属于智能控制领域，涉及搜救机器人，具体涉及基于多智能体理论的搜救机器人系统。
背景技术
多智能体系统(Multi-Agent System)是多个智能体组成的集合，它们共同组成一个将大而复杂的系统建设成小的、便于通信协调管理的控制系统。多智能体系统的研究涉及到智能体的知识、目标、技能、规划和如何使智能体采取协调行动解决问题等。学者们主要对智能体之间的交互通信、协调合作和冲突消解等进行研究。多智能体系统强调智能体之间的紧密合作，而非单个智能体的自治和功能发挥。由于智能体体现了人类社会或者自然界中的生物群体的自治性和适应性，因此多智能体系统具有很强的群体性。随着研究的深入，很多学者已经将MAS的相关技术应用到电子商务、交通控制、分布式智能决策、多机器人系统、智能电网、军事和网络化的办公自动化等诸多领域中。
在灾难救援中使用搜救机器人有如下优点：①可以连续执行艰难的搜索救援任务，如深入危险地带拍摄资料供研究人员分析查找，而不会像人一样感到疲倦；②可以进入那些人和搜救犬无法进入的危险地带，且引起建筑物二次坍塌的可能性较小；③不怕火焰、浓烟等危险和有害因素的干扰。
目前机器人搜救工作大多集中于单个机器人的研究，而单个机器人适用于小规模的搜救。当发生地震、森林火灾等大规模自然灾害需要搜救时，单个机器人的作用将减小。运用于大规模、高效率机器人群的搜救技术还不是很全面，特别是搜救机器人群的研究还比较匮乏。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于多智能体理论的搜救机器人系统，使机器人系统能更有效地运用于搜救领域，大大提高搜救机器人的自动性、协同性和可控性，增加搜救效率，减少搜救时间，满足了大规模搜救的要求。
本实用新型包括远程控制设备、多智能体机器人群和无线网络系统；所述的多智能体机器人群包括领导者机器人和跟随者机器人；领导者机器人和跟随者机器人均包括摄像头模块、车体和四个轮子；所述的摄像头模块设置在车体顶部；车体内设有Arduino Uno R3单片机、扩展板、电机控制电路、定位系统、Zigbee模块、红外生命探测模块、第一直流电源和第二直流电源；所述的电机控制电路由第二直流电源供电，并通过四个减速电机控制四个轮子的运转；所述的扩展板采用Arduino IO传感器扩展板 V6；所述的定位系统包括GPS模块和电子罗盘；所述的GPS模块和Zigbee模块均设有天线；无线网络系统用Zigbee模块构建自主网络，远程控制设备通过USB口与Zigbee模块相连，多智能体机器人群通过Zigbee模块接入无线网络系统。
所述的Arduino Uno R3单片机接第一直流电源，并接入扩展板。摄像头模块的RX引脚接扩展板的0引脚，TX引脚接扩展板的1引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。Zigbee模块的RXD引脚接扩展板的8引脚，TXD引脚接扩展板的9引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。红外生命探测模块的信号输出口接扩展板的10引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。GPS模块的RX引脚接扩展板的12引脚，TX引脚接扩展板的13引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。电子罗盘的SCL引脚接扩展板的SCL引脚，SDA引脚接扩展板的SDA引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。
所述的电机控制电路包括第一减速电机M1、第二减速电机M2、第三减速电机M3、第四减速电机M4、编码器B1、第一直流电机驱动板和第二直流电机驱动板。所述的第一减速电机M1和第二减速电机M2接领导者机器人或跟随者机器人左侧的两个轮子，第三减速电机M3和第四减速电机M4接领导者机器人或跟随者机器人右侧的两个轮子。所述第一直流电机驱动板的ENA和ENB引脚均接扩展板的第一PWM引脚5，IN1和IN3引脚均接扩展板的A5引脚，IN2和IN4引脚均接扩展板的A4引脚，OUT1和OUT2引脚接第一减速电机M1，OUT3和OUT4引脚接第二减速电机M2；所述的第二直流电机驱动板的ENA和ENB引脚均接扩展板的第二PWM引脚6，IN1和IN3引脚均接扩展板的A3引脚，IN2和IN4引脚均接扩展板的A2引脚，OUT1和OUT2引脚接第三减速电机M3，OUT3和OUT4引脚接第四减速电机M4；第一直流电机驱动板和第二直流电机驱动板的驱动部分均由第二直流电源供电，PWM控制部分均由扩展板供电，VCC引脚均接扩展板的5V电源引脚，GND引脚均接扩展板的GND引脚；第一减速电机M1和第二减速电机M2的编码器B1的输出信号引脚A均接扩展板的第一中断引脚2；第三减速电机M3和第四减速电机M4的第四编码器B1的输出信号引脚A接扩展板的第二中断引脚3；第一减速电机M1、第二减速电机M2、第三减速电机M3和第四减速电机M4的编码器B1的VCC引脚均接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。
本实用新型的有益效果：
本实用新型的电机使用了编码器，形成反馈控制，加强了对单个机器人的可控性，也加强了整个多智能体机器人群的稳定性。Zigbee模块自组网，增加了对多智能体机器人群的运动控制。与传统单机器人的搜救方式相比，搜救的效率有了极大的提升，节约了搜救时间。远程控制系统的加入，使工作人员只需要通过远程PC机控制领导者搜救机器人，而无需控制跟随者，简化了控制方式，增加了机器人之间的高度一致性和自适应性。
附图说明
图1 为本实用新型中多智能体机器人群的结构示意图；
图2为本实用新型中远程控制设备与Zigbee模块的连接示意图；
图3为本实用新型中单个机器人的结构示意图；
图4为本实用新型中车体内部元器件的系统结构框图；
图5为本实用新型中电机控制电路的电路图。
具体实施方式
如图1、2、3和4所示，基于多智能体理论的搜救机器人系统，包括远程控制设备1、多智能体机器人群2和无线网络系统；多智能体机器人群2包括领导者机器人和跟随者机器人；领导者机器人和跟随者机器人均包括摄像头模块4、车体5和轮子6；轮子6设置在车体5底部；摄像头模块4设置在车体5顶部，起避障作用；车体5内设有Arduino Uno R3单片机、扩展板8、电机控制电路、定位系统、Zigbee模块11、红外生命探测模块7、5V直流电源和12V直流电源；扩展板8采用Arduino IO传感器扩展板 V6；定位系统包括GPS模块12和电子罗盘9；GPS模块12和Zigbee模块11均设有天线3；无线网络系统用Zigbee模块11构建自主网络，远程控制设备1通过USB口与Zigbee模块11相连，多智能体机器人群通过Zigbee模块接入无线网络系统。
Arduino Uno R3单片机接5V直流电源，并接入扩展板8，提供足够多的5V电源引脚和接地引脚。摄像头模块4的RX引脚接扩展板的0引脚，TX引脚接扩展板的1引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。Zigbee模块11的RXD引脚接扩展板的8引脚，TXD引脚接扩展板的9引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。红外生命探测模块7的信号输出口接扩展板的10引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。GPS模块12的RX引脚接扩展板的12引脚，TX引脚接扩展板的13引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。电子罗盘9的SCL引脚接扩展板的SCL引脚，SDA引脚接扩展板的SDA引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。
如图4和5所示，电机控制电路包括第一减速电机M1、第二减速电机M2、第三减速电机M3、第四减速电机M4、编码器B1、第一直流电机驱动板10-1和第二直流电机驱动板10-2。第一减速电机M1和第二减速电机M2接领导者机器人或跟随者机器人左侧的两个轮子6，第三减速电机M3和第四减速电机M4接领导者机器人或跟随者机器人右侧的两个轮子。
第一直流电机驱动板10-1的ENA和ENB引脚均接扩展板的第一PWM引脚5，IN1和IN3引脚均接扩展板的A5引脚，IN2和IN4引脚均接扩展板的A4引脚，OUT1和OUT2引脚接第一减速电机M1，OUT3和OUT4引脚接第二减速电机M2；第二直流电机驱动板10-2的ENA和ENB引脚均接扩展板的第二PWM引脚6，IN1和IN3引脚均接扩展板的A3引脚，IN2和IN4引脚均接扩展板的A2引脚，OUT1和OUT2引脚接第三减速电机M3，OUT3和OUT4引脚接第四减速电机M4；第一直流电机驱动板10-1和第二直流电机驱动板10-2的驱动部分均由12V直流电源供电，PWM控制部分均由扩展板供电，VCC引脚均接扩展板的5V电源引脚，GND引脚均接扩展板的GND引脚；第一减速电机M1和第二减速电机M2的编码器B1的输出信号引脚A均接扩展板的第一中断引脚2；第三减速电机M3和第四减速电机M4的第四编码器B1的输出信号引脚A接扩展板的第二中断引脚3；第一减速电机M1、第二减速电机M2、第三减速电机M3和第四减速电机M4的编码器B1的VCC引脚均接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。
该基于多智能体理论的搜救机器人系统的工作原理：
打开5V直流电源和12V直流电源之后，Arduino Uno R3单片机控制Zigbee模块，根据预设的波特率、端口和校验位打开串口，建立自主网，多智能体机器人群和远程控制设备都加入无线网络系统。Arduino Uno R3单片机接收电子罗盘发来的信号，结合Zigbee模块的RSSI值，可以得到每个机器人到与它相邻机器人的位置信息。通过多智能体输出协议，多智能体机器人群形成预定队形。工作人员通过远程控制设备控制领导者机器人进入搜索区域完成相应的搜索工作。电机控制使用了PID控制器，编码器返回的实际速度值与PID控制器设定值形成差值，这个差值作为PID控制器的输入信号，而PID控制器的参数通过试凑法得到。摄像头模块用于避障，摄像头模块自带驱动，由一块单片机单独控制，当发现前方有障碍时，通过串口给Arduino Uno R3单片机发送信号，Arduino Uno R3单片机收到信号后执行避障程序。红外生命探测模块检查周围是否有生命体，如果有就给Arduino Uno R3单片机发一个高电平信号，Arduino Uno R3单片机把高电平信号通过无线网络系统发回给远程控制设备。
多智能体机器人群2进入搜索区域，若领导者机器人通过GPS模块发现这是一块未搜救区域，留下一个跟随者机器人后继续前进，队形通过多智能体输出协议保持。领导者机器人通过工作人员的远程控制设备控制。领导者机器人继续搜索未知区域，被留下的跟随者机器人搜索指定区域，搜索完成后借助无线网络系统知道领导者机器人所在位置，通过多智能体输出协议快速跟随领导者机器人，并在多智能体输出协议的控制下保持原来队形继续前进。
Claims (2)
1. 基于多智能体理论的搜救机器人系统，包括远程控制设备、多智能体机器人群和无线网络系统，其特征在于：
所述的多智能体机器人群包括领导者机器人和跟随者机器人；领导者机器人和跟随者机器人均包括摄像头模块、车体和四个轮子；所述的摄像头模块设置在车体顶部；车体内设有Arduino Uno R3单片机、扩展板、电机控制电路、定位系统、Zigbee模块、红外生命探测模块、第一直流电源和第二直流电源；所述的电机控制电路由第二直流电源供电，并通过四个减速电机控制四个轮子的运转；所述的扩展板采用Arduino IO传感器扩展板 V6；所述的定位系统包括GPS模块和电子罗盘；所述的GPS模块和Zigbee模块均设有天线；无线网络系统用Zigbee模块构建自主网络，远程控制设备通过USB口与Zigbee模块相连，多智能体机器人群通过Zigbee模块接入无线网络系统；
所述的Arduino Uno R3单片机接第一直流电源，并接入扩展板；摄像头模块的RX引脚接扩展板的0引脚，TX引脚接扩展板的1引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚；Zigbee模块的RXD引脚接扩展板的8引脚，TXD引脚接扩展板的9引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚；红外生命探测模块的信号输出口接扩展板的10引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚；GPS模块的RX引脚接扩展板的12引脚，TX引脚接扩展板的13引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚；电子罗盘的SCL引脚接扩展板的SCL引脚，SDA引脚接扩展板的SDA引脚，VCC引脚接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。
2.根据权利要求1所述的基于多智能体理论的搜救机器人系统，其特征在于：所述的电机控制电路包括第一减速电机M1、第二减速电机M2、第三减速电机M3、第四减速电机M4、编码器B1、第一直流电机驱动板和第二直流电机驱动板；所述的第一减速电机M1和第二减速电机M2接领导者机器人或跟随者机器人左侧的两个轮子，第三减速电机M3和第四减速电机M4接领导者机器人或跟随者机器人右侧的两个轮子；所述第一直流电机驱动板的ENA和ENB引脚均接扩展板的第一PWM引脚5，IN1和IN3引脚均接扩展板的A5引脚，IN2和IN4引脚均接扩展板的A4引脚，OUT1和OUT2引脚接第一减速电机M1，OUT3和OUT4引脚接第二减速电机M2；所述的第二直流电机驱动板的ENA和ENB引脚均接扩展板的第二PWM引脚6，IN1和IN3引脚均接扩展板的A3引脚，IN2和IN4引脚均接扩展板的A2引脚，OUT1和OUT2引脚接第三减速电机M3，OUT3和OUT4引脚接第四减速电机M4；第一直流电机驱动板和第二直流电机驱动板的驱动部分均由第二直流电源供电，PWM控制部分均由扩展板供电，VCC引脚均接扩展板的5V电源引脚，GND引脚均接扩展板的GND引脚；第一减速电机M1和第二减速电机M2的编码器B1的输出信号引脚A均接扩展板的第一中断引脚2；第三减速电机M3和第四减速电机M4的第四编码器B1的输出信号引脚A接扩展板的第二中断引脚3；第一减速电机M1、第二减速电机M2、第三减速电机M3和第四减速电机M4的编码器B1的VCC引脚均接扩展板的5V电源引脚，GND引脚接扩展板的GND引脚。
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