輕便抗干擾式排爆機器人及其使用方法與流程

本發(fā)明涉及主要涉及通信信息安全技術、視覺傳感引導技術，以及遙操作控制技術領域，具體涉及一種適合警用的輕便抗干擾式排爆機器人系統(tǒng)及其使用方法。

背景技術：

由于全球政治、經(jīng)濟、民族、宗教等關系的錯綜復雜,國際和地區(qū)恐怖主義在世界各國有泛濫的趨勢，國際恐怖活動日益猖獗。在公共場所安放爆炸物以產(chǎn)生恐慌爆炸恐怖犯罪是其集中表現(xiàn)形式，相對于其他形式的惡性犯罪,恐怖爆炸由于其危害面廣、社會和政治負面影響面大,日益成為令當今世界各國政府頭疼的問題。尤其是最近幾年,隨著國際形勢的動蕩,恐怖爆炸事件更是此起彼伏,接連不斷。就連以往很少有恐怖活動波及的國家和地區(qū)，近年來也接連發(fā)生恐怖爆炸事件。而且,隨著時間的推移,這些活動還愈演愈烈。作為應對,反恐排爆己經(jīng)成為世界各國政府最為關注的問題之一。

排爆機器人是目前較具研究價值的機器人產(chǎn)品，在反恐領域可用來執(zhí)行諸如反恐排爆的任務,戰(zhàn)場上排爆機器人則用以執(zhí)行諸如排除爆炸物、戰(zhàn)場信息收集的任務稍加改造,即可加裝單兵武器用于武裝巡邏、戰(zhàn)斗值勤等高危險任務。由于排爆機器人可以在危險環(huán)境下對可疑的爆炸物品進行檢查、抓取、搬運和銷毀，避免排爆人員和爆炸裝置近距離接觸而受到傷害，是搜爆、排爆作業(yè)的專業(yè)裝備之一，近年來已經(jīng)成為了主要的排爆方法之一。排爆機器人在安防領域占有十分重要的地位，在維穩(wěn)公共場所、保障軍警人員生命安全方面具有不可替代的作用。

排爆機器人技術主要包括計算機技術、遙控制技術、傳感技術和人工智能技術，它是集機械、電子、控制和計算機技術的一項綜合技術。國外的排爆機器人研究較早，技術成熟，先后多次應用于戰(zhàn)爭爆炸物檢測及處理，但其價格十分昂貴，甚至超過100w，不適用于一般的小型爆炸物排除。而國內(nèi)研究開發(fā)的都是大型的排爆機器人，如靈蜥-b，雪豹-10，不易攜帶，操作繁瑣，應用受限，而且只在試驗開發(fā)階段，并沒有量產(chǎn)，同時價格相對較高。由于成本及應用的限制，現(xiàn)有的排爆機器人離軍用、警用簡單的排爆需求還有一定的距離。

經(jīng)檢索，國內(nèi)已有一些關于排爆機器人的文獻報道：

專利號200910081525.1超小型排爆機器人(申請公布號cn1015189002009-09-02)。該專利公開了一種超小型排爆機器人，包括機器人本體和控制機箱兩個部分，其中機器人本體由機械手、小臂、大臂、傳動行走機構、3路視頻傳感器、車體以及各相關控制電路組成；控制機箱由控制面板、控制電路、液晶顯示屏、機箱本體組成，機器人本體與控制機箱可通過有線或無線兩種方式實現(xiàn)通訊。利用視頻傳感器將危險區(qū)域的狀況實時地傳遞給安防排爆人員，進行對危險可疑物體的排查，并且配置的機械手可以進行輕量級的抓取作業(yè)，必要時可利用高壓水槍進行排爆工作。

專利號201310357885.6一種仿人形排爆機器人(申請公布號cn103448063a2013-12-18)。該專利公布了一種仿人形排爆機器人，通過電機分別驅動，能使機器人實現(xiàn)行走、軀體轉動和升降、大臂擺動、小臂擺動和轉動、腕轉和腕轉、頭轉動和俯仰等多個動作，可以實現(xiàn)搜索、拆除、搬運和擊毀爆炸物，手臂既可以單獨使用又可以配合使用，其控制方式可以是手動控制也可以事先將程序輸入單片機中來控制。且具有自由度多、柔性化程度很高，能適應于多種場合。

專利號201510837378.1可視化排爆機器人(申請公布號cn105459123a2016-04-06)。該專利公開了一種可視化排爆機器人，包括底盤，置于底盤上的排爆機械手臂，置于底盤上的視頻采集裝置，連接底盤、排爆機械手臂、視頻采集裝置的控制裝置。它通過視頻采集裝置能及時將現(xiàn)場情況傳輸?shù)娇刂蒲b置，再通過控制裝置和人機交互模塊實現(xiàn)對排爆機器人的無線控制；排爆機械手臂可以確保爆炸物的抓起和運送，也可以根據(jù)實際需要對機械手種類進行更換；可調(diào)整外形的底盤更加適應復雜的地形，行駛穩(wěn)定可靠。

專利200910081525.1所述的超小型排爆機器人，其主要解決的技術問題是客服某些特殊環(huán)境中對機器人尺寸有嚴格要求的，主要針對狹小環(huán)境作業(yè)，例如車體底部等。其應用場所受限，且并不是專門針對排爆作業(yè)；專利201310357885.6所述的仿人形排爆機器人，其機械臂較多，控制困難，真正實現(xiàn)排爆作業(yè)時對排爆操作員的熟練程度要求很高，而且以現(xiàn)有的技術，很難真正實現(xiàn)這個發(fā)明，若可以實現(xiàn)，則其成本會很高；專利201510837378.1在本體上放置攝像裝置，用以可視化，以便排爆人員操作，但攝像機拍攝的是二維圖像，所以在精度要求比較高或圖像質(zhì)量比較差的情況下，很難做到真正地排爆作業(yè)。

從上述三個專利可以得出，排爆機器人一般都帶有機械臂，以實現(xiàn)抓取功能，但要實現(xiàn)這個功能，一方面整體成本會增加，另一方面對操作員的操作熟練度帶來一定要求，所以抓取功能是否需要可以實際需求考量。另外排爆機器人的控制是通過一般的無線方式人工進行通信遙操作，但當排爆工作環(huán)境不理想，即電磁干擾比較大的情況下，用一般的無線進行控制會帶來誤操作，甚至發(fā)生危險，所以抗干擾設計也是排爆機器人的重中之重。最后上述排爆機器人都是由排爆員操控進行作業(yè)，對其熟練度及抗壓能力要求極高，且培訓不易，即排爆機器人缺乏自主性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術存在的缺陷，提供一種針對警用部門對排爆機器人易攜帶、簡單、實用的排爆需求的輕便抗干擾式排爆機器人及其使用方法。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案是：一種輕便抗干擾式排爆機器人，具有通過無線紅外遙控的遠程控制終端和機器人本體；所述機器人本體包括安裝于其車身上的移動平臺控制器嵌入式pc、底盤、i/o控制設備、視覺設備、遙控器以及陣列設置的傳感器；所述車身上可拆卸搭載有爆炸物探測器或爆炸物分解器；所述底盤上安裝有移動平臺電機和用于給移動平臺電機提供電源的可拆卸的充電式電池；所述移動平臺電機通過驅動器與移動平臺控制器嵌入式pc雙向通訊，移動平臺電機的轉軸與履帶式車輪連接；所述i/o控制設備通過第一模擬量采集控制電路與移動平臺控制器嵌入式pc雙向通訊，為機器人本體提供io控制和擴展；所述視覺設備通過數(shù)據(jù)線和移動平臺控制器嵌入式pc連接實現(xiàn)掃描控制和坐標反饋；所述遙控器包括無線紅外接收及電機驅動模塊；所述傳感器的接收的信號輸送至模擬信號采集電路后通過第二模擬量采集控制電路與移動平臺控制器嵌入式pc雙向通訊。

上述技術方案所述遙控器和機器人本體之間通過一級或者兩級中間轉發(fā)裝置，實現(xiàn)長距離紅外通信。

上述技術方案所述爆炸物分解器為高壓水炮或前后發(fā)射炮或無后坐力炮。

一種輕便抗干擾式排爆機器人的使用方法，其特征在于，包括如下步驟：

a、系統(tǒng)初始化，

b、設定目標并接近目標至離爆炸物20m位置，

c、姿態(tài)調(diào)整；

d、任務執(zhí)行；

e、結束返航。

上述技術方案所述步驟d包括如下步驟：

1)檢測爆炸物：排爆機器人先搭載爆炸物探測器，由排爆員進行無線紅外遙控控制排爆機器人前進，當靠近爆炸物時，由爆炸物探測器檢測，若無爆炸物，則不進行下一步操作；若探測到爆炸物，則發(fā)出警告，進行步驟2)；

2)搭載爆炸物分解器：排爆機器人發(fā)出警告后，由排爆員遙控排爆機器人后退至安全區(qū)域，換下爆炸物探測器，并搭載爆炸物分解器；

3)半自主接近爆炸物：由排爆員無線遙控控制排爆機器人向爆炸物方向前進，目測或望遠鏡觀察，待排爆機器人離爆炸物到達規(guī)定位置處切換為自主模式，由排爆機器人自主接近爆炸物，若爆炸物在移動，則排爆機器人自主動態(tài)跟蹤；

4)執(zhí)行排爆任務：排爆機器人自主接近爆炸物；排爆員通過無線紅外遙控發(fā)出排爆指令，排爆機器人接收到信號后，爆炸物分解器開始工作。

上述技術方案所述步驟3)中，視覺設備通過攝像頭拍攝傳送至經(jīng)視覺信息采集電路進行輪廓提取，對象識別，方位、距離參數(shù)識別和軌跡規(guī)劃后將信號輸送至移動平臺控制器嵌入式pc進行自主動態(tài)跟蹤。

采用上述技術方案后，本發(fā)明具有以下積極的效果：

(1)本發(fā)明力求排爆機器人能夠輕便易攜帶，費效比低，且能夠快速組裝拆卸，真正滿足警用的實際需求。抗干擾設計防止排爆機器人接收外界的電磁信號，確保無誤操作，降低危險。排爆機器人自主接近爆炸物，排爆員只執(zhí)行簡單指令，對排爆員的培訓，及對其的熟練度、抗壓能力要求都較低，避免排爆員的個人因素導致任務失敗。

(2)本發(fā)明的機器人本體在承重達到的情況下力求輕便，著重對其內(nèi)部的鋰電池、電機及其他較重的部件進行考量確定。

(3)本發(fā)明可以自主接近待測物體，且能夠動態(tài)跟蹤移動目標，無需排爆員手動操控，對其操作要求及心理抗壓能力要求不高。

(4)本發(fā)明的紅外無線遙控，對排爆機器人只執(zhí)行簡單的操控，如前進、后退、排爆等，大大降低排爆員操控難度，簡單實用。

(5)本發(fā)明的整體機械設計考慮拆卸組裝搭載簡易方便，同時預留接口給不同的搭載設備。排爆機器人不工作時可以人工拆卸存放至設計好的箱子內(nèi)，真正做到便攜，工作時現(xiàn)場能夠快速安裝，進行作業(yè)。

(6)本發(fā)明主要為了解決現(xiàn)有排爆機器人費效比大，難以應用于警用排爆的問題，著重考慮排爆機器人的實用性，控制成本的同時確保排爆機器人能夠做到簡單的排爆任務，真正應用于警用排爆及公共安全領域。

附圖說明

為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實施例并結合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中

圖1是本發(fā)明的排爆機器人整體控制架構圖；

圖2是本發(fā)明排爆機器人本體框圖；

圖3是本發(fā)明的無線紅外中繼原理圖；

圖4是本發(fā)明的視覺伺服原理圖；

圖5是本發(fā)明排爆機器人的軟件總體架構圖；

圖6是本發(fā)明任務邏輯順序管理流程圖；

圖7是本發(fā)明的移動平臺控制器嵌入式pc框圖。

具體實施方式

(實施例1)

見圖1至圖7，本發(fā)明具有通過無線紅外遙控的遠程控制終端1和機器人本體2；遠程控制終端1由操作員發(fā)出控制指令，包括前進、后退、排爆等簡單指令。機器人本體2包括安裝于其車身上的移動平臺控制器嵌入式pc3、底盤、i/o控制設備、視覺設備5、遙控器以及陣列設置的傳感器6；移動平臺控制器嵌入式pc3上具有與其雙向通訊的濾波模塊7、電源模塊8、傳感器數(shù)據(jù)處理模塊9、遙控接收模塊10、差速電機驅動器11、視覺處理模塊12和燒寫接口13；其中，濾波模塊7、電源模塊8、傳感器數(shù)據(jù)處理模塊9、遙控接收模塊10、差速電機驅動器11、視覺處理模塊12和燒寫接口13均采用現(xiàn)有的常規(guī)電路集成于一塊pcb板上；車身上可拆卸搭載有爆炸物探測器或爆炸物分解器；爆炸物探測器或爆炸物分解器可拆卸安裝在車身頂部，底盤上安裝有移動平臺電機14和用于給移動平臺電機14提供電源的可拆卸的充電式蓄電池，充電式蓄電池與電源模塊8電連接；移動平臺電機14通過差速電機驅動器11與移動平臺控制器嵌入式pc3雙向通訊，其中移動平臺電機14及差速電機驅動器11可直接購買技術成熟的伺服電機及其驅動器，控制精度高，相應時間快，移動平臺控制器嵌入式pc3的移動平臺電機14的轉軸與用于支撐履帶15并可調(diào)整徑向距離的驅動輪16連接；為了便于擴展功能和維護，提供了多個io控制和擴展接口4，便于后續(xù)功能的擴展實現(xiàn)；視覺設備5通過數(shù)據(jù)線和移動平臺控制器嵌入式pc3的視覺處理模塊12連接實現(xiàn)掃描控制和坐標反饋；遙控器包括無線紅外發(fā)射頭及遙控驅動控制器；傳感器6的接收信號輸送至模擬信號采集電路17后與移動平臺控制器嵌入式pc3的傳感器數(shù)據(jù)處理模塊9雙向通訊，其中傳感器6包括一體式紅外接收頭，溫濕度傳感器，光電傳感器等。其中，充電式蓄電池、模擬信號采集電路17、io控制和擴展電路4亦可集成在控制器嵌入式pc3中。整個機器人的控制電路部分均采用現(xiàn)有的常規(guī)電路進行集成。

圖1左下角為排爆機器人，其整個車身采用抗干擾設計，上面搭載爆炸物探測器或爆炸物分解器。

遙控器和機器人本體2之間通過一級或者兩級中間轉發(fā)裝置，實現(xiàn)長距離紅外通信。圖3所示的是紅外中繼方案，考慮排爆機器人作業(yè)時環(huán)境電磁干擾較強，采取無線紅外進行遙控，而一般紅外遙控的距離只能達到8m，無法滿足排爆距離大于15m生存線要求。圖3中通過一級或者兩級中間轉發(fā)裝置，實現(xiàn)長距離紅外通信。系統(tǒng)的遠程終端，主要是機器人動作執(zhí)行的遙控器，中繼節(jié)點主要充當?shù)慕巧墙邮苌弦患壈l(fā)送過來的信號，并進行轉發(fā)至下一級，實現(xiàn)對紅外信號的遠距離傳輸。

爆炸物分解器為高壓水炮或前后發(fā)射炮或無后坐力炮。

本發(fā)明為確保排爆機器人在作業(yè)時能夠安全可靠，其本體采用抗干擾設計，屏蔽外界的電磁信號，所有電氣走線采用屏蔽線，硬件電路設計時考慮電磁屏蔽，控制驅動部分均采用鐵盒封裝加以屏蔽。

圖2所示的是排爆機器人本體的框圖，主要包括搭載模塊、底盤模塊、自主控制模塊以及遙控模塊，其中搭載模塊包括爆炸物探測器、爆炸物分解器、視覺設備等傳感設備；視覺設備采用市場上購買的攝像頭，底盤模塊主要包括鋰電池、電機、履帶式驅動結構等；控制模塊包括超聲波測距、動態(tài)跟蹤、自主驅動模塊；遙控模塊包括無線紅外接收及電機驅動模塊。

圖5是本發(fā)明的系統(tǒng)的軟件架構，其采用多線程的模式，使得各個任務同步進行，包括視覺伺服控制，遠程信號接收，測距模塊管理以及相關傳感器的控制管理。軟件系統(tǒng)主任務系統(tǒng)管理線數(shù)據(jù)信息的變化并根據(jù)實際的排爆機器人作業(yè)流程，對每個線程的任務邏輯順序進行管理，見圖6。

一種輕便抗干擾式排爆機器人的使用方法，包括如下步驟：

a、系統(tǒng)初始化，

b、設定目標并接近目標至離爆炸物約20m(15m安全線)位置；

c、姿態(tài)調(diào)整；

d、任務執(zhí)行；

e、結束返航。

步驟d包括如下步驟：

1)檢測爆炸物：排爆機器人先搭載爆炸物探測器，由排爆員進行無線紅外遙控控制排爆機器人前進，當靠近爆炸物時，距離大概為1m(可調(diào))由爆炸物探測器檢測，若無爆炸物，則不進行下一步操作；若探測到爆炸物，則發(fā)出警告，進行步驟2)；

2)搭載爆炸物分解器：排爆機器人發(fā)出警告后，由排爆員遙控排爆機器人后退至安全區(qū)域，換下爆炸物探測器，并搭載爆炸物分解器；

3)半自主接近爆炸物：由排爆員無線外遙控控制排爆機器人向爆炸物方向前進，目測或望遠鏡觀察，待排爆機器人離爆炸物約1m時(可根據(jù)實際情況調(diào)節(jié))，無線遙控發(fā)出指令，排爆機器人切換為自主模式，由排爆機器人自主接近爆炸物，若爆炸物在移動，則排爆機器人自主動態(tài)跟蹤；

4)執(zhí)行排爆任務：排爆機器人自主接近爆炸物約0.5m(可設定)；排爆員通過無線紅外遙控發(fā)出排爆指令，排爆機器人接收到信號后，爆炸物分解器開始工作。

其中，步驟3)中，視覺設備通過攝像頭拍攝傳送至經(jīng)視覺信息采集電路進行輪廓提取，對象識別，方位、距離參數(shù)識別和軌跡規(guī)劃后將信號輸送至移動平臺控制器嵌入式pc進行自主動態(tài)跟蹤。

圖4中為了滿足排爆機器人動態(tài)跟蹤目標物體的要求，本發(fā)明將視覺設備5搭載在排爆機器人上，并應用視覺伺服技術跟隨目標物體。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。