单桂军，李正明，夏显忠

(1.镇江高等专科学校电子与信息工程系，江苏镇江 212003;2.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江 212003;3.江苏捷诚车载电子信息有限公司副总经理室，江苏镇江 212028)

自世界上第一台机器人诞生至今的70多年时间里，机器人技术取得了长足的进步和发展，出现了若干功能各异的机器人。

日本是最早开展消防机器人研究和开发的国家。早在1984年，日本消防部门就开始了警用侦察救援机器人的研究。其次是美国、英国和俄罗斯等发达国家。消防机器人的研究大致分为3个阶段。第一代是遥控消防机器人，第二代是计算机辅助遥控具有感觉功能的消防机器人，第三代是具有自适应能力的智能消防机器人。第一代和部分第二代消防机器人已投入使用，且不同国家所研制的机器人在功能和结构方面各有千秋。目前，发达国家正在加快开发第二代实用型消防机器人，第三代智能型消防机器人尚在探索之中，日本、美国和英国已进入预研和论证阶段。发达国家正加快开发具有感觉功能的多功能实用型消防机器人，并把智能型消防机器人的开发列入本国的近期科学技术发展规划［1］。

我国针对消防机器人的科研开发始于1997年，已经取得一些进展，消防机器人在消防战场上显示了巨大优势。但目前国内自主研发的消防机器人基本还是第一代遥控机器人，操作较复杂，稳定性欠缺，难以在实战中广泛推广，极其欠缺更为先进的第二代或第三代消防机器人。开展先进的消防机器人的研制与列装具有特殊紧迫的意义。

1 研究内容

图1是警用侦察救援机器人系统总体框图。整个系统分为后台指挥控制系统、通信子系统和机器人车载系统3个部分。其中，通信子系统是连接后台指挥控制系统和机器人车载系统的桥梁。

图1 警用侦察救援机器人系统总体框图

1.1 机械子系统

机械子系统是移动机器人的载体，必须具备移动、越障功能，防水、耐高温的特性。本项目将设计通用的机器人底盘系统，主要包括主履带结构、辅助履带结构、框架结构和其他附属结构，是机器人的基本部分。重点需要考虑的是:

1)快速性。有较快的运动能力，要求平地运动速度大于2 m/s。

2)越障能力。如爬楼梯和翻越坍塌的建筑物等。

3)防水性。完全密封以保护内部电气等。

4)耐高温。能够禁得住火场周围的高温，且对内部的电气系统有一定的保护作用。

5)电磁隔离作用。能够隔离火场中可能存在的针对电气部分的电磁干扰。

1.2 电气控制子系统

电气控制子系统主要完成机械结构的运动控制，实现警用侦察救援机器人的正常运行。要求稳定且具有较强的扩展性，主要包括ETX嵌入式计算机模块和控制电路。

本项目的ETX嵌入式计算机模块是警用侦察救援机器人车载系统的核心，主要包括ETX CPU模块和ETX自定义载板。ETX嵌入式计算机模块将为救援机器人提供强大的决策和规划能力，感知子系统、通信子系统和控制电路等均围绕该模块设计和组织。该模块将运行嵌入式Linux系统。

本项目的控制电路主要包括DSP电路、电机驱动电路、电源管理电路、状态显示电路等。重点研究:

1)基于DSP和CPLD结构的控制电路设计。该电路需要实现4路以上伺服电机+码盘反馈的闭环控制算法和相应的PWM信号生成。

2)电机驱动电路设计。该电路需要将PWM信号转化为电机的伺服电压，驱动电机运动。

3)电源管理电路设计。该电路管理并监控电池的电压、电流和温度等信息，并把24 V电池电压转为控制电路、驱动电路等需要的5 V，12 V等电压。

4)状态显示电路设计。该电路需要将电池监控的信息和部分感知监控子系统得到的信息在显示屏上显示。

1.3 感知子系统

感知子系统是警用侦察救援机器人的核心，取决于机器人所携带的感知设备，包括2部分:周围环境感知和自身状态感知。前者感知机器人周围环境信息，为后台指挥控制系统提供决策依据;后者监控机器人自身的状态，以保证机器人能够稳定、鲁棒和连续工作。

本项目中，周围环境感知主要包括必备的和可选的感知设备。必备的感知设备为机器人必须携带的感知设备，包括可见光摄像机、热成像摄像机、气体成分感知及分析仪、温度感知系统;可选的感知设备可根据需要定制，用以提高侦察救援机器人的性能，包括激光扫描仪、超宽带生命感知仪、辐射感知设备等。自身状态感知采用的设备包括安装在机器人车体、主/辅履带的倾角仪，布置在机器人表面的温度传感器、力传感器等。

1.4 机械臂子系统

机械臂子系统是警用侦察救援机器人的扩展设备，用于增强机器人对火场环境的处理能力。项目中的机械臂子系统为两级伸缩式机械臂(臂展＞1 m)，并携带多路可见光摄像机。利用机械臂上的摄像机探知复杂狭小环境中的信息，借助机械臂推/拉开消防通道中虚掩的门，便于机器人进一步探测。

1.5 人机交互界面

人机交互界面提供指挥人员与后台指挥控制系统之间的人机接口。指挥人员可以选择多种输入设备，如模拟操纵杆或者模拟方向盘、鼠标、键盘、多点触摸屏等，对警用侦察救援机器人进行遥控。通过显示终端的数据显示监视机器人的现场工作状态，通过车载端的视频采集系统直接观察机器人工作环境。人机交互支持语音对讲功能，能够和现场求救人员或消防人员进行语音交互。

1.6 后台操控子系统

后台操控子系统通过人机交互界面，为后台指挥人员提供方便的操作方式以遥控机器人工作。本项目中的后台操纵子系统为机器人提供了一系列半自动操作功能，以减轻操作人员的操作负担。例如，操作人员可以直接选取人机交互界面中显示的现场图像中的某一点，机器人可以自动规划路径，避障运动到指定的位置。又如，后台操控子系统可以自动监控并标记感知的一些重点区域和对象，供操作人员判读。

1.7 后台监测子系统

后台监测子系统以液晶显示屏和电视屏幕为显示终端，采用组合显示方式显示现场图像和各种检测参数。通过该系统，后台指挥人员可以了解灾害现场的情况。该系统还将机器人状态参数、环境参数等数据分类处理后以直观的方式显示出来，便于后台指挥人员监控和分析机器人的运行状态。

1.8 通信子系统

通信子系统主要保证指挥控制系统和机器人车载系统间的通信，关系到整个系统工作的可靠性和控制性能。本项目中的通信子系统采用消防用数字图像传输系统。该系统在城市环境中的有效传输距离大于1 000 m，一方面，将车载子系统中各种感知设备感知的信息，包括可见光/红外摄像机采集的图像、气体成分、车体状态等信息实时传输到后台指挥控制系统;另一方面，将指挥控制系统下达的各种命令稳定、可靠、快捷地传输给车载子系统。

2 系统实现

2.1 系统框架设计

警用侦察救援机器人系统设计效果图见图2。

图2 警用侦查救援机器人效果图

2.2 针对项目的技术关键拟采用的技术路线和实施方案

2.2.1 通用防水、耐高温机械结构

本项目的机器人采用主履带与副履带结合的复合式履带结构，要求机器人能够行进、转弯，且副履带能够升降，并和主履带同步运动。机械结构如图3所示。本项目基于现有履带机器人的机械结构，进一步改进设计。对机器人移动载体进行动力学分析，确定其在不同情况下的受力变化，进而确定满足机器人运动和负载性能的直流伺服电机型号，并设计机器人的主履带。机器人的副履带由同一电机通过涡轮蜗杆结构控制，且可以和主履带联动。履带材料要具有一定的抗高温性能。机器人机械结构将被完全密封，且表面做防水处理。

图3 履带机器人结构

2.2.2 电气控制子系统

本项目中的ETX嵌入式计算机模块采用高性能的Core 2 Duo处理器，支持高达2 G的内存，拥有图形和内存控制器集线器，4路PCI Express总线，1路 EIDE(UDMA-66/100)，2 路 Express Card，6 路USB接口，兼容快速以太网，支持MPEG2硬件加速，高质量、高位率MPEG2媒体回放等。

项目中的控制电路主要包括DSP电路、驱动电路、电源管理电路和状态显示电路。各部分的结构如图4所示。控制电路的核心为DSP电路和电机驱动电路。DSP电路基于TI公司的DSP TMS320F2812，配合USB接口、eCAN接口、串口等。电机驱动电路为采用大功率场效应管搭建的H桥电路。为实现控制智能化，驱动电路中增加了DSP2808，用以提供自诊定的PID控制和eCAN接口。

图4 控制电路结构

2.2.3 感知子系统技术实现途径

感知子系统是机器人的眼睛，既要感知周围环境信息，又要监控自身状态。它的实现依赖于机器人系统添加的传感器和对传感器获取信息的处理［2］。

感知周围环境信息的传感器主要包括:

1)可见光和热成像摄像机，用于感知机器人周围，特别是前方的环境信息。可见光摄像机可用时，它是机器人的主要感知系统;可见光摄像机不可用(如烟雾环境)时，热成像摄像机将起主要作用。

2)气体成分和分析设备，用以感知火场的气体成分，特别是有毒气体的浓度。

3)辐射感知设备，用来感知火场的辐射强度。

4)温度传感器，用以确定火场所在的方位和火势的蔓延情况。

5)激光雷达，用以感知机器人周围的障碍信息，并搜索机器人可通行的区域。

6)超宽带(UWB)生命探测仪，用以感知并搜索火场中可能存在的生命迹象。

感知的周围环境信息可以提供给后台指挥控制系统，供指挥人员决策并控制机器人运动，还可以提供给ETX嵌入式计算机，使机器人具有一定的自主性。

感知机器人自身状态的传感器主要包括:安装在机器人车载系统主/辅履带的倾角传感器、GPS/北斗接收器，放置在机器人表面的温度传感器、电池电压测量等。

2.2.4 机械臂子系统的技术实现途径

机械臂子系统用以提高机器人的性能，该系统采用两级伸缩结构，并配备若干台必要的摄像机。

基于正在设计的上述机械臂系统，首先，进行两级机械臂子系统动力学分析，分别建立机械臂系统的运动学和动力学仿真系统。而后，根据具体的设计指标确定机械臂各分系统的性能参数，并借助Solidwork等机械设计软件作初步的装配图。接着，组装并调试机械臂直至其满足给定的性能。最后，加装需要的传感器。

2.2.5 后台指挥控制系统的技术实现途径

后台指挥控制系统包括人机交互界面、后台操控子系统、后台监测子系统3个部分。该系统的开发基于多点触摸平台和Linux操作系统［3］。

人机交互界面可视化显示感知子系统感知的信息，提供方便、易操作的机器人遥控方式，其核心在于直观、易控。本项目基于PAD的Linux系统，采用C++语言实现。机器人感知子系统提供的视频信息被解压缩后，分路显示在PAD的显示屏上。激光雷达的信息应用二维激光建图算法，形成机器人周围的地图信息后显示。火场温度传感器和生命探测仪的信息以伪彩色图的方式直观地显示。机器人自身状态的感知信息用来重建机器人的姿态和运动，以机器人运动动画的形式显示。指挥人员对机器人的控制主要通过多点触摸屏实现，同时根据需要提供鼠标、键盘和操纵杆等。

后台操纵子系统通过检测机器人的可通行路径、机器人自身的状态和火场态势等，为机器人提供一定程度的自主操纵能力，以减轻操作人员的操作负担。以警用侦察救援机器人从一个位置自动运动到另一个位置为例。后台操作人员在触摸屏上选择机器人运动的目标点，机器人将结合激光传感器和视觉摄像机感知的周围环境信息，实时规划一条路径，自动导航运动到目标点。机器人的自主运行能力将随着技术的研发不断增强［4－6］。

后台监测子系统以PAD显示屏和额外的显示终端来实现。机器人感知的传感信息，在后台实时处理，提取并强化有用的目标信息，以直观的方式显示，辅助指挥人员决策。例如，系统利用感知的机器人自身状态信息，结合机器人的结构，实时三维重建机器人的运动状态并可视化显示。

2.2.6 通信系统的技术实现途径

通信系统设计需要考虑通信的可靠性和实时性。消防机器人是在恶劣的火场环境工作，采用可靠的、抗干扰能力强的无线通信方式，在传输系统中加入某种类型的差错控制机制和数据重传机制，可以保证通信质量。采用多机器人协作系统技术能够完成机器人之间数据共享与Ad Hoc网络［7］的组建，各机器人根据现场环境自主保持特定距离，保证机器人之间、机器人与后台控制系统之间的通信可达性。

项目中采用消防用图像传输系统。该系统在城市环境中可靠性及传输能力强大，有效传输距离大于1 000 m。

4 项目研究的创新点

1)多机器人协作与Ad Hoc网络通信设计。通过多台机器人合作作业，自主组建一个Ad Hoc网络，保证了机器人在复杂的环境下通信的可靠性。

2)智能构建地形图能力。根据机器人所处地形自动构建周围的地形图，用户在后台控制系统即可全面了解灾难现场内部地形，提高救援能力。

3)优越的环境适应能力。采用全加固技术克服普通机器人不适应雨淋潮湿、高温高热的环境的难点，机器人能够无故障地完成1 m水深的涉水。采用防火材料，保证机器人具备一定的防火性能。

4)作业系统采用ETX嵌入式模块化设计，根据使用需求选择合适的传感器、作业模块进行安装，保证机器人适应多种灾难环境。

5 结束语

本项目研制的消防侦察救援特种机器人投入生产后，经济效益和社会效益相当可观。同时，它的相关领域拓展、相关产品研发优势将进一步显现。该装备的最终列装必将大大提高我国公安消防警察部队在火灾等现场的生命救援效率以及作战部队的战场作战能力。相关成果还可转化为其他产品，在以下领域获得推广应用:消防排烟机器人、反恐作战机器人、无人巡逻机器人战车等。

［1］罗均，谢少荣，翟宇毅，等.特种机器人［M］.北京:化学工业出版社，2006:1－23.

［2］王典洪，孙蒙，黄小辉，等.基于单片机及传感器的机器人设计与实现［J］.微计算机信息，2007，23(3－2):246－247，275.

［3］晁衍凯，徐昱琳，杨永焕.基于嵌入式Linux的视觉伺服系统设计［J］.计算机技术与发展，2012(5):6－9.

［4］黄大志，张元良，陈劲松.基于模糊控制的自主寻迹机器人研究［J］.机床与液压，2012(9):35－37.

［5］Xu X，Liang Y C，Lee H P，et al.A stable adaptive neuralnetwork-based scheme for dynamical system control［J］.Journal of sound and vibration，2005(285):653 －667.

［6］王三秀，徐建明.基于神经网络的机器人鲁棒跟踪控制［J］.机械设计与制造，2012(6):148 －150.

［7］曲大鹏，王兴伟，黄敏，等.移动自组织网络下的基本蚁群路由算法［J］.计算机应用，2011(5):1166－1170.