红外生命检测机器人的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于红外线温度感应探测生命的机器人，能够在恶劣环境下进行红外线生命检测，通过无线电波进行报警，同时有机器人的运动功能，能够在减少人员使用的情况下，高效率进行伤员搜救工作，同时也减少了高危险环境下的人员伤亡。
【专利说明】红外生命检测机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种红外生命检测机器人，属于机器人应用领域。
【背景技术】
[0002]在发生严重的地质及人为灾害时，如:地震、泥石流和建筑物坍塌等，救援人员需要手持生命探测仪进入环境复杂的救援环境。这些救援环境总是伴随着危险，甚至是二次灾害，将危及救援人员的生命。在现阶段救援工程领域中，人们希望使用具有远程遥控功能的，并且装配有生命探测仪器的机器人能够自由灵活的进入救灾现场，先确定搜救目标，再进行救援的策略。不仅可以提高救援的效率，同时还能降低救援时面临的各种危险。
【发明内容】
[0003]针对上述问题，本发明涉及一个恶劣环境下的机器人，能够在恶劣环境下进行生命检测，通过无线电波进行报警，同时有机器人的运动功能，能够在减少人员使用的情况下，高效率进行伤员搜救工作，同时也减少了高危险环境下的人员伤亡。
[0004]本发明为了实现上述的目的，可以使用以下的方案:
[0005]本发明提供了一种基于红外线的生命探测机器人，其特征在于，具有:行走系统，包括小车和驱动小车的电机，用于对机器人提供运动；终端系统，包括计算机、无线通信模块和微处理单元；红外探测仪器，通过红外线温度感应生命体征；远程报警模块，用于进行报警；图像采集系统，使用摄像头采集环境图像信息，并将图像信息发送到终端系统；电源管理系统，用于摄像头及红外探测仪器的电源管理；照明系统，用于对机器人周围提供良好的视野；电路构架模块，利用专用复位电路的选择控制行走系统的运动状态；驱动模块，用于驱动电机；以及主控制模`块，包括无线通信模块，用于处理终端系统发送的指令数据来控制行走系统、红外探测仪器、图像采集系统、远程报警模块、电源管理系统和照明系统；其中，红外探测仪器、远程报警模块、图像采集系统、电源管理系统、电路构架模块、照明系统、驱动模块、主控制模块集成在行走系统上，终端系统的无线通信模块和主控制模块的无线通信模块之间通过进行数据传输和接收，实现主控制模块的控制，并将机器人的状态数据反馈回终端系统，红外探测仪器探测到生命体征后，远程报警模块通过无线通信模块自动向终端的无线通信模块发送无线电波进行报警，并图像采集系统采集的图片信息通过无线通信模块传输回终端系统，微处理模块用于接收和处理机器人状态数据和探测数据，将微处理模块处理的数据汇集到计算机上的主控制模块，实现控制红外探测仪器、远程报警模块、图像采集系统、电源管理系和行走系统，终端系统利用无线通信模块对行走系统进行手动遥控和控制遥控的切换。
[0006]本发明涉及的机器人，红外检测仪器探测的红外辐射范围为3~50 μ m。
[0007]进一步，红外检测仪器探测的红外辐射中，8^14 μ m波长的红外辐射占所有红外辐射能量的40%-50%时，远程报警模块自动向终端发送无线电波进行报警。
[0008]进一步，终端的无线通信模块向小车的主控制模块发送以8位16进制的数编码的信号控制小车的行走。
[0009]另外，驱动模块包括与高压端相连的P沟道MOSFET芯片以及与低压端相连的N沟道的MOSFET芯片，一个驱动芯片以及开关电源，P沟道MOSFET芯片、N沟道的MOSFET芯片以及驱动芯片构成一个高电流半桥驱动电路，并分别与输出端相连，电源开关采用垂直MOS技术。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0011]图1是主控制模块的框图。
[0012]图2是微处理单元(MCU)控制系统分配框图。
[0013]图3是硬件系统图。
[0014]图4是交互式控制程序的框图。
[0015]图5是通信模块的流程图。
[0016]图6是通信模块的电路原理图。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图对本发明涉及的一种基于红外线的生命检测机器人的优选实施例做详细阐述，但本发明并不仅限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节。
[0018]图1为主控制模块的框图。
[0019]如图1所示，红外线生命探测机器人O由主控制模块10进行总体数据分析，分别处理行走系统1，红外探测仪器3，图像采集系统5，照明系统7，电源管理系统6。
[0020]由无线终端2上的蓝牙模块通过MCU (微控制单元)203进行指令数据的处理，再汇集到主控制模块10中处理，实现无线终端2对于机器人1000的行走系统1，红外探测仪器3，图像采集系统5，照明系统7，电源管理系统6的远程遥控。无线终端2还包括:计算机201，无线通信模块202。
[0021]行走系统I包括小车101，小车可以根据不同的地形选择履带式和轮式的驱动方式，还包括驱动小车的电机102。电机102集成了交互式控制程序软件系统，AD采集程序和驱动程序。通过使用switch case结构，将电机102驱动最终封装成函数Motor (χ, y) ; Speed (χ, y)。Motor中的X表示电机的编号，Y表示电机的转向。Speed中的X表示电机的编号，和Motor中的X—样，Y表示占空比，并且Y的值越小速度越快。交互式控制程序软件系统的集成使得无线终端2能够远程遥控小车2的行驶速度。除此之外，红外线生命探测机器人O还集成了交互式控制程序，方便对机器人O进行交互式的操作。
[0022]无线终端2可以通过无线通信模块202向主控制模块10发送以8位16进制的数编码的信号控制小车101的行走。同时，利用电路构架模块8的专用复位电路控制小车101前进，后退，向左和向右。
[0023]红外探测仪器3可以集中探测红外辐射为3?50 μ m的红外线。由于人体的红外辐射能量较集中的中心波长为9.4 μ m，人体皮肤的红外辐射范围为3?50 μ m，其中8?14 μ m占全部人体福射能量的46%。当红外探测仪器探3测到的红外福射中，8?14 μ m波长的红外辐射占所有红外辐射能量的40%?50%时，主控制模块10将控制远程报警模块4发出警报，并经由主控制模块10上的无线通信模块1001将警报发送给无线终端2及计算机201。同时，图像采集系统5将通过摄像头501实时采集图像和图片并且通过无线通信模块1001远程传输图像到无线终端2。
[0024]此外，红外线生命探测机器人O的还有以下功能组成部分:
[0025]无线终端2包括计算机201，无线通信模块202，MCU (微控制单元)203 (含于蓝牙模块中);红外探测仪器3。电源管理系统6，可通过无线终端2的无线通信模块202将微处理单元(MCU203)的指令发送到红外线生命探测机器人O的主控制模块10，对照明系统7，红外探测仪器3和图像采集系统5的摄像头501进行电源管理和电源的合理分配或开启和关断。
[0026]照明系统7，可用于对红外线生命探测机器人O的工作环境提供良好的视野。
[0027]电路构架模块8，包括专用复位电路801，专用复位电路801为增强型的8051芯片的主控制模块10(微控制单元MCU1002，在本优选的实施例中使用的是STC12C5630AD芯片)内部集成的MAX810电路，在本优选的实施例中MAX810电路集成在微处理单元(MCU)203芯片上，专用复位电路801的选择控制可以接收从无线终端2的无线通信模块202向主控制芯片10发送8位16进制数的编码，这些编码对应于小车101的行走状态。通过按下专用复位电路801中对应的按键，实现小车101的前进，后退，向左和向右。
[0028]驱动模块9，包括驱动芯片901，用于驱动电机102，从而驱动行走系统，并且需要安装驱动程序。
[0029]以及主控制模块10，包括一块无线通信模块1001实现与无线终端上的数据发送、收集和控制，和微处理单元(MCU)1002用于控制红外线生命探测机器人O的各项功能和运动。
[0030]红外探测仪器3、远程报警模块4、图像采集系统5、电源管理系统6、照明系统7、电路构架模块8、驱动模块9和主控制模块集成在行走系统I上，便于机动、快速和实时的监控救援和搜救的工作。
[0031]图2为MCU (微控制单元)控制系统分配框图。
[0032]如图2所示，蓝牙模块上的微控制单元(MCU)203选用的型号是STC12C5630AD，并且对微控制单元(MCU)203分配了如下的任务:接收和处理驱动芯片901并将指令发送到主控制模块10，用于远程开启驱动芯片901所控制的电机102，并驱动小车101 ;用于接收摄像头501采集的图像，使得现场救援人员能够对场景数据进行分析；远程开启红外探测仪器3，并接收红外探测仪器3传输到无线终端2的数据；接收并处理电源管理模块的数据，可以通过远程关闭或开启红外探测仪器3、摄像头501来合理调节电源的合理使用，延长红外线生命探测机器人O的工作时间。
[0033]对于驱动模块需安装驱动程序。驱动芯片901的型号为BTS7930，P沟道MOSFET芯片，N沟道的M0SFET，运用了嵌合芯片技术完成驱动功能。驱动芯片901采用的嵌入式芯片技术，能对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间按减少到最低限度。还具有功能很强的存储区保护功能，为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作业，同时也有利于软件诊断。还具备可扩展的处理器结构和较低的功耗，适用于便携式的无线及移动计算和通信设备中，以电池供电的嵌入式系统所需功耗为mW甚至μ W量级的功耗。
[0034]该芯片内有三块独立的芯片，这三块芯片分别是:与高压端相连的P沟道MOSFET芯片以及与低压端相连的N沟道的MOSFET芯片，以及一个驱动芯片，这三块芯片构成一个高电流半桥驱动。所有这三块芯片都与输出端相连，并运用了嵌合芯片技术。电源开关采用垂直MOS技术以确保状态电阻处于最优。由于与高压端相连的P沟道管有开关特性，不再需要开关泵，因此电磁干扰就很小。通过有逻辑电平输入的集成1C，该芯片与微控制器相连十分容易。此外还有反馈电流诊断，死区时间产生，斜率调整。以及过温、过流、短路、过压、低压保护。
[0035]从而，整个系统分为微处理单元(MCU)总处理，安装驱动芯片901用来驱动电机102，同时保证摄像头红外检测电源管理，各芯片分别处理不同的模块，从而实现该功能。
[0036]图3为硬件系统图。
[0037]如图3所示，我们选择STC12C5630AD作为微控制单元(MCU) 203和微处理控制单元(MCU) 1002，由于其带51内核，符合要求外，其还具有片上系统的部分功能，使开发变得容易。STC12C5620AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(IT)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12 倍。
[0038]微处理控制单元(MCU) 1002内部集成ΜΑΧ810专用复位电路，4路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。先由无线终端2上的微控制单元(MCU)203判定是哪个按键被按下，然后变成一个8位16进制的数，并将该数通过无线通信模块202发送到小车的微处理控制单元(MCU) 1002，微处理控制单元(MCU) 1002通过处理数据，根据不同的数值确定按下的按键，然后控制电机102的启动，通过该原理实现小车101的前、后、左、右的动作。8路高速10位A/D转换用于采集行走系统I的状态数据、红外探测仪器3等，并将数据传输到微处理控制单元(MCU) 1002进行处理。
[0039]图4为交互式控制程序的框图。
[0040]如图4所示，为实现对红外线生命探测机器人O手动与控制相结合的控制办法，必须在控制程序设计中加入信息采集的判别，如果红外线生命探测机器人O的主控制模块10从终端的无线通信模块2收到手动遥控的指令，则执行手动遥控；否则，则执行自动遥控模式
[0041]图5为通信模块的结构框图。
[0042]如图5所示，在本优选实施例中的两块无线通讯模块202和无线通讯模块1001是由北欧半导体公司(Nordic Semiconductor)生产的NRF24E1G芯片，其工作频段为
2.4GHZ-2.5GHZ。由于NRF24E1G带有51内核的片上无线通讯模块，可以与集成在行走系统I上的主控制模块10和无线终端2上的蓝牙模块上的微控制单元(MCU) 203相兼容，实现了无线终端2对于红外线生命探测机器人O数据传输。
[0043]为了完成远程报警的工作、远程遥控红外线生命探测机器人O等工作，需要实现计算机201 (即无线终端2)与于红外线生命探测机器人O的无线通信，需要实现以下3个通信:无线通信模块202(即、NRF24E1G芯片)与计算机201相互通讯，2块无线通信模块(无线通信模块202和无线通信模块1001)之间的相互通讯，以及无线通信模块1001与主控制模块10的微处理单元(MCU) 1002之间的相互通讯。计算机201发送命令给红外线生命探测机器人O，令其主控制模块10采集A/D数据信息并发送回无线终端2的计算机201。主控制模块10需安装A/D采集程序，来实现对A/D数据信息的采集。
[0044]当红外线生命探测机器人O发现生命时，远程报警模块4自动发出无线电波向无线终端2进行报警。该过程经由行走系统I上的STC12C5630AD芯片1002处理并通过两块NRF24E1通讯模块，即、无线通信模块1002将报警信息传输到无线通信模块202，将报警信号传输回无线终端2。
[0045]构成控制行走系统I的主控制模块10的电路通过微处理单元(MCU)STC12C5630AD芯片1002与各模块进行连接。STC12C5630AD芯片1002，NRF24E1通讯模块1001与外界终端进行通讯。驱动功能通过BTS7930，P沟道MOSFET芯片，N沟道的M0SFET，运用了嵌合芯片技术。
[0046]图6为通信模块的电路原理图。
[0047]如图6所示，无线通讯模块202和无线通讯模块1001优选的NRF24E1G芯片的功能概述如下:2.4GHz的无线电发射频率(RF transmitter),与8051微控制器相兼容(compatible micro-controller), compatible with nRF24El,9 input 10 bit ADClOOkSPS，单电压1.9V到3.6V的供应(Single 1.9V to 3.6V supply)，内部电源稳压器(Internal voltage regulators), 2 μ A 等待i十时开启(2 μ A standby with wakeup ontimer or external pin),内部 VDD监测(Internal VDD monitoring), 36脚封装(Suppliedin 36 pin QFN(6x6mm)package), 0.18 μ m CMOS 工艺(0.18 μ m CMOS technology), LowBill- of Material, Ease of design 等。
【权利要求】
1.一种基于红外线的生命探测机器人，其特征在于，具有: 行走系统，包括小车和驱动所述小车的电机，用于对所述机器人提供运动； 终端系统，包括计算机、无线通信模块和微处理单元； 红外探测仪器，通过红外线温度感应生命体征； 远程报警模块，用于进行报警； 图像采集系统，使用摄像头采集环境图像信息，并将所述图像信息发送到所述终端系统； 电源管理系统，用于所述摄像头及红外探测仪器的电源管理； 照明系统，用于对所述机器人周围提供良好的视野； 电路构架模块，利用专用复位电路的选择控制所述行走系统的运动状态，包括:前进，后退，向左，向右； 驱动模块，用于驱动所述电机、图像采集系统和远程报警模块；以及主控制模块，包括无线通信模块，用于处理所述终端系统发送的指令数据来控制所述行走系统、红外探测仪器、图像采集系统、远程报警模块、电源管理系统和照明系统； 其中，所述红外探测仪器、远程报警模块、图像采集系统、电源管理系统、电路构架模块、照明系统、驱动模块、主控制模块集成在所述行走系统上， 所述终端系统的无线通信模块和所述主控制模块的无线通信模块之间通过进行数据传输和接收，实现主控制芯片的控制，并将所述机器人的状态数据反馈回所述终端系统，所述红外探测仪器探测到生命体征后，所述远程报警模块通过无线通信模块自动向所述终端的发送无线电波进行报警，并所述图像采集系统采集的图片信息通过所述无线通信模块传输回所述终端系统， 所述微处理模块用于接收和处理所述机器人状态数据和探测数据， 将所述微处理模块处理的数据汇集到所述计算机上的主控制芯片，实现控制所述红外探测仪器、远程报警模块、图像采集系统、电源管理系和行走系统， 所述终端系统利用所述无线通信模块对所述行走系统进行手动遥控和控制遥控的切换。
2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于: 其中，所述红外探测仪器探测的红外辐射范围为3~50μπι。
3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于: 其中，所述红外探测仪器探测的红外辐射中，8~14 μ m波长的红外辐射占所有所述红外辐射能量的40%-50%时，所述远程报警模块自动向终端发送无线电波进行报警。
4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于: 其中，所述终端的无线通信模块向所述小车发送以8位16进制的数编码的信号控制所述小车的行走。
5.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于: 其中，所述驱动模块包括与高压端相连的P沟道MOSFET芯片以及与低压端相连的N沟道的MOSFET芯片，一个驱动芯片以及开关电源， 所述P沟道MOSFET芯片、N沟道的MOSFET芯片以及所述驱动芯片构成一个高电流半桥驱动电路，并分别与输出端相连，所述电源 开关采用垂直MOS技术。
【文档编号】G05D1/02GK103760899SQ201310207845
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年5月30日 优先权日:2013年5月30日
【发明者】孙红, 周可人, 王佩琪, 孟源泉, 孙馨薷, 金辰, 张华轩, 潘勇军 申请人:上海理工大学