轻便抗干扰式排爆机器人及其使用方法与流程

本发明涉及主要涉及通信信息安全技术、视觉传感引导技术，以及遥操作控制技术领域，具体涉及一种适合警用的轻便抗干扰式排爆机器人系统及其使用方法。

背景技术：

由于全球政治、经济、民族、宗教等关系的错综复杂,国际和地区恐怖主义在世界各国有泛滥的趋势，国际恐怖活动日益猖獗。在公共场所安放爆炸物以产生恐慌爆炸恐怖犯罪是其集中表现形式，相对于其他形式的恶性犯罪,恐怖爆炸由于其危害面广、社会和政治负面影响面大,日益成为令当今世界各国政府头疼的问题。尤其是最近几年,随着国际形势的动荡,恐怖爆炸事件更是此起彼伏,接连不断。就连以往很少有恐怖活动波及的国家和地区，近年来也接连发生恐怖爆炸事件。而且,随着时间的推移,这些活动还愈演愈烈。作为应对,反恐排爆己经成为世界各国政府最为关注的问题之一。

排爆机器人是目前较具研究价值的机器人产品，在反恐领域可用来执行诸如反恐排爆的任务,战场上排爆机器人则用以执行诸如排除爆炸物、战场信息收集的任务稍加改造,即可加装单兵武器用于武装巡逻、战斗值勤等高危险任务。由于排爆机器人可以在危险环境下对可疑的爆炸物品进行检查、抓取、搬运和销毁，避免排爆人员和爆炸装置近距离接触而受到伤害，是搜爆、排爆作业的专业装备之一，近年来已经成为了主要的排爆方法之一。排爆机器人在安防领域占有十分重要的地位，在维稳公共场所、保障军警人员生命安全方面具有不可替代的作用。

排爆机器人技术主要包括计算机技术、遥控制技术、传感技术和人工智能技术，它是集机械、电子、控制和计算机技术的一项综合技术。国外的排爆机器人研究较早，技术成熟，先后多次应用于战争爆炸物检测及处理，但其价格十分昂贵，甚至超过100w，不适用于一般的小型爆炸物排除。而国内研究开发的都是大型的排爆机器人，如灵蜥-b，雪豹-10，不易携带，操作繁琐，应用受限，而且只在试验开发阶段，并没有量产，同时价格相对较高。由于成本及应用的限制，现有的排爆机器人离军用、警用简单的排爆需求还有一定的距离。

经检索，国内已有一些关于排爆机器人的文献报道：

专利号200910081525.1超小型排爆机器人(申请公布号cn1015189002009-09-02)。该专利公开了一种超小型排爆机器人，包括机器人本体和控制机箱两个部分，其中机器人本体由机械手、小臂、大臂、传动行走机构、3路视频传感器、车体以及各相关控制电路组成；控制机箱由控制面板、控制电路、液晶显示屏、机箱本体组成，机器人本体与控制机箱可通过有线或无线两种方式实现通讯。利用视频传感器将危险区域的状况实时地传递给安防排爆人员，进行对危险可疑物体的排查，并且配置的机械手可以进行轻量级的抓取作业，必要时可利用高压水枪进行排爆工作。

专利号201310357885.6一种仿人形排爆机器人(申请公布号cn103448063a2013-12-18)。该专利公布了一种仿人形排爆机器人，通过电机分别驱动，能使机器人实现行走、躯体转动和升降、大臂摆动、小臂摆动和转动、腕转和腕转、头转动和俯仰等多个动作，可以实现搜索、拆除、搬运和击毁爆炸物，手臂既可以单独使用又可以配合使用，其控制方式可以是手动控制也可以事先将程序输入单片机中来控制。且具有自由度多、柔性化程度很高，能适应于多种场合。

专利号201510837378.1可视化排爆机器人(申请公布号cn105459123a2016-04-06)。该专利公开了一种可视化排爆机器人，包括底盘，置于底盘上的排爆机械手臂，置于底盘上的视频采集装置，连接底盘、排爆机械手臂、视频采集装置的控制装置。它通过视频采集装置能及时将现场情况传输到控制装置，再通过控制装置和人机交互模块实现对排爆机器人的无线控制；排爆机械手臂可以确保爆炸物的抓起和运送，也可以根据实际需要对机械手种类进行更换；可调整外形的底盘更加适应复杂的地形，行驶稳定可靠。

专利200910081525.1所述的超小型排爆机器人，其主要解决的技术问题是客服某些特殊环境中对机器人尺寸有严格要求的，主要针对狭小环境作业，例如车体底部等。其应用场所受限，且并不是专门针对排爆作业；专利201310357885.6所述的仿人形排爆机器人，其机械臂较多，控制困难，真正实现排爆作业时对排爆操作员的熟练程度要求很高，而且以现有的技术，很难真正实现这个发明，若可以实现，则其成本会很高；专利201510837378.1在本体上放置摄像装置，用以可视化，以便排爆人员操作，但摄像机拍摄的是二维图像，所以在精度要求比较高或图像质量比较差的情况下，很难做到真正地排爆作业。

从上述三个专利可以得出，排爆机器人一般都带有机械臂，以实现抓取功能，但要实现这个功能，一方面整体成本会增加，另一方面对操作员的操作熟练度带来一定要求，所以抓取功能是否需要可以实际需求考量。另外排爆机器人的控制是通过一般的无线方式人工进行通信遥操作，但当排爆工作环境不理想，即电磁干扰比较大的情况下，用一般的无线进行控制会带来误操作，甚至发生危险，所以抗干扰设计也是排爆机器人的重中之重。最后上述排爆机器人都是由排爆员操控进行作业，对其熟练度及抗压能力要求极高，且培训不易，即排爆机器人缺乏自主性。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种针对警用部门对排爆机器人易携带、简单、实用的排爆需求的轻便抗干扰式排爆机器人及其使用方法。

实现本发明目的的技术方案是：一种轻便抗干扰式排爆机器人，具有通过无线红外遥控的远程控制终端和机器人本体；所述机器人本体包括安装于其车身上的移动平台控制器嵌入式pc、底盘、i/o控制设备、视觉设备、遥控器以及阵列设置的传感器；所述车身上可拆卸搭载有爆炸物探测器或爆炸物分解器；所述底盘上安装有移动平台电机和用于给移动平台电机提供电源的可拆卸的充电式电池；所述移动平台电机通过驱动器与移动平台控制器嵌入式pc双向通讯，移动平台电机的转轴与履带式车轮连接；所述i/o控制设备通过第一模拟量采集控制电路与移动平台控制器嵌入式pc双向通讯，为机器人本体提供io控制和扩展；所述视觉设备通过数据线和移动平台控制器嵌入式pc连接实现扫描控制和坐标反馈；所述遥控器包括无线红外接收及电机驱动模块；所述传感器的接收的信号输送至模拟信号采集电路后通过第二模拟量采集控制电路与移动平台控制器嵌入式pc双向通讯。

上述技术方案所述遥控器和机器人本体之间通过一级或者两级中间转发装置，实现长距离红外通信。

上述技术方案所述爆炸物分解器为高压水炮或前后发射炮或无后坐力炮。

一种轻便抗干扰式排爆机器人的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、系统初始化，

b、设定目标并接近目标至离爆炸物20m位置，

c、姿态调整；

d、任务执行；

e、结束返航。

上述技术方案所述步骤d包括如下步骤：

1)检测爆炸物：排爆机器人先搭载爆炸物探测器，由排爆员进行无线红外遥控控制排爆机器人前进，当靠近爆炸物时，由爆炸物探测器检测，若无爆炸物，则不进行下一步操作；若探测到爆炸物，则发出警告，进行步骤2)；

2)搭载爆炸物分解器：排爆机器人发出警告后，由排爆员遥控排爆机器人后退至安全区域，换下爆炸物探测器，并搭载爆炸物分解器；

3)半自主接近爆炸物：由排爆员无线遥控控制排爆机器人向爆炸物方向前进，目测或望远镜观察，待排爆机器人离爆炸物到达规定位置处切换为自主模式，由排爆机器人自主接近爆炸物，若爆炸物在移动，则排爆机器人自主动态跟踪；

4)执行排爆任务：排爆机器人自主接近爆炸物；排爆员通过无线红外遥控发出排爆指令，排爆机器人接收到信号后，爆炸物分解器开始工作。

上述技术方案所述步骤3)中，视觉设备通过摄像头拍摄传送至经视觉信息采集电路进行轮廓提取，对象识别，方位、距离参数识别和轨迹规划后将信号输送至移动平台控制器嵌入式pc进行自主动态跟踪。

采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：

(1)本发明力求排爆机器人能够轻便易携带，费效比低，且能够快速组装拆卸，真正满足警用的实际需求。抗干扰设计防止排爆机器人接收外界的电磁信号，确保无误操作，降低危险。排爆机器人自主接近爆炸物，排爆员只执行简单指令，对排爆员的培训，及对其的熟练度、抗压能力要求都较低，避免排爆员的个人因素导致任务失败。

(2)本发明的机器人本体在承重达到的情况下力求轻便，着重对其内部的锂电池、电机及其他较重的部件进行考量确定。

(3)本发明可以自主接近待测物体，且能够动态跟踪移动目标，无需排爆员手动操控，对其操作要求及心理抗压能力要求不高。

(4)本发明的红外无线遥控，对排爆机器人只执行简单的操控，如前进、后退、排爆等，大大降低排爆员操控难度，简单实用。

(5)本发明的整体机械设计考虑拆卸组装搭载简易方便，同时预留接口给不同的搭载设备。排爆机器人不工作时可以人工拆卸存放至设计好的箱子内，真正做到便携，工作时现场能够快速安装，进行作业。

(6)本发明主要为了解决现有排爆机器人费效比大，难以应用于警用排爆的问题，着重考虑排爆机器人的实用性，控制成本的同时确保排爆机器人能够做到简单的排爆任务，真正应用于警用排爆及公共安全领域。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的排爆机器人整体控制架构图；

图2是本发明排爆机器人本体框图；

图3是本发明的无线红外中继原理图；

图4是本发明的视觉伺服原理图；

图5是本发明排爆机器人的软件总体架构图；

图6是本发明任务逻辑顺序管理流程图；

图7是本发明的移动平台控制器嵌入式pc框图。

具体实施方式

(实施例1)

见图1至图7，本发明具有通过无线红外遥控的远程控制终端1和机器人本体2；远程控制终端1由操作员发出控制指令，包括前进、后退、排爆等简单指令。机器人本体2包括安装于其车身上的移动平台控制器嵌入式pc3、底盘、i/o控制设备、视觉设备5、遥控器以及阵列设置的传感器6；移动平台控制器嵌入式pc3上具有与其双向通讯的滤波模块7、电源模块8、传感器数据处理模块9、遥控接收模块10、差速电机驱动器11、视觉处理模块12和烧写接口13；其中，滤波模块7、电源模块8、传感器数据处理模块9、遥控接收模块10、差速电机驱动器11、视觉处理模块12和烧写接口13均采用现有的常规电路集成于一块pcb板上；车身上可拆卸搭载有爆炸物探测器或爆炸物分解器；爆炸物探测器或爆炸物分解器可拆卸安装在车身顶部，底盘上安装有移动平台电机14和用于给移动平台电机14提供电源的可拆卸的充电式蓄电池，充电式蓄电池与电源模块8电连接；移动平台电机14通过差速电机驱动器11与移动平台控制器嵌入式pc3双向通讯，其中移动平台电机14及差速电机驱动器11可直接购买技术成熟的伺服电机及其驱动器，控制精度高，相应时间快，移动平台控制器嵌入式pc3的移动平台电机14的转轴与用于支撑履带15并可调整径向距离的驱动轮16连接；为了便于扩展功能和维护，提供了多个io控制和扩展接口4，便于后续功能的扩展实现；视觉设备5通过数据线和移动平台控制器嵌入式pc3的视觉处理模块12连接实现扫描控制和坐标反馈；遥控器包括无线红外发射头及遥控驱动控制器；传感器6的接收信号输送至模拟信号采集电路17后与移动平台控制器嵌入式pc3的传感器数据处理模块9双向通讯，其中传感器6包括一体式红外接收头，温湿度传感器，光电传感器等。其中，充电式蓄电池、模拟信号采集电路17、io控制和扩展电路4亦可集成在控制器嵌入式pc3中。整个机器人的控制电路部分均采用现有的常规电路进行集成。

图1左下角为排爆机器人，其整个车身采用抗干扰设计，上面搭载爆炸物探测器或爆炸物分解器。

遥控器和机器人本体2之间通过一级或者两级中间转发装置，实现长距离红外通信。图3所示的是红外中继方案，考虑排爆机器人作业时环境电磁干扰较强，采取无线红外进行遥控，而一般红外遥控的距离只能达到8m，无法满足排爆距离大于15m生存线要求。图3中通过一级或者两级中间转发装置，实现长距离红外通信。系统的远程终端，主要是机器人动作执行的遥控器，中继节点主要充当的角色是接受上一级发送过来的信号，并进行转发至下一级，实现对红外信号的远距离传输。

爆炸物分解器为高压水炮或前后发射炮或无后坐力炮。

本发明为确保排爆机器人在作业时能够安全可靠，其本体采用抗干扰设计，屏蔽外界的电磁信号，所有电气走线采用屏蔽线，硬件电路设计时考虑电磁屏蔽，控制驱动部分均采用铁盒封装加以屏蔽。

图2所示的是排爆机器人本体的框图，主要包括搭载模块、底盘模块、自主控制模块以及遥控模块，其中搭载模块包括爆炸物探测器、爆炸物分解器、视觉设备等传感设备；视觉设备采用市场上购买的摄像头，底盘模块主要包括锂电池、电机、履带式驱动结构等；控制模块包括超声波测距、动态跟踪、自主驱动模块；遥控模块包括无线红外接收及电机驱动模块。

图5是本发明的系统的软件架构，其采用多线程的模式，使得各个任务同步进行，包括视觉伺服控制，远程信号接收，测距模块管理以及相关传感器的控制管理。软件系统主任务系统管理线数据信息的变化并根据实际的排爆机器人作业流程，对每个线程的任务逻辑顺序进行管理，见图6。

一种轻便抗干扰式排爆机器人的使用方法，包括如下步骤：

a、系统初始化，

b、设定目标并接近目标至离爆炸物约20m(15m安全线)位置；

c、姿态调整；

d、任务执行；

e、结束返航。

步骤d包括如下步骤：

1)检测爆炸物：排爆机器人先搭载爆炸物探测器，由排爆员进行无线红外遥控控制排爆机器人前进，当靠近爆炸物时，距离大概为1m(可调)由爆炸物探测器检测，若无爆炸物，则不进行下一步操作；若探测到爆炸物，则发出警告，进行步骤2)；

2)搭载爆炸物分解器：排爆机器人发出警告后，由排爆员遥控排爆机器人后退至安全区域，换下爆炸物探测器，并搭载爆炸物分解器；

3)半自主接近爆炸物：由排爆员无线外遥控控制排爆机器人向爆炸物方向前进，目测或望远镜观察，待排爆机器人离爆炸物约1m时(可根据实际情况调节)，无线遥控发出指令，排爆机器人切换为自主模式，由排爆机器人自主接近爆炸物，若爆炸物在移动，则排爆机器人自主动态跟踪；

4)执行排爆任务：排爆机器人自主接近爆炸物约0.5m(可设定)；排爆员通过无线红外遥控发出排爆指令，排爆机器人接收到信号后，爆炸物分解器开始工作。

其中，步骤3)中，视觉设备通过摄像头拍摄传送至经视觉信息采集电路进行轮廓提取，对象识别，方位、距离参数识别和轨迹规划后将信号输送至移动平台控制器嵌入式pc进行自主动态跟踪。

图4中为了满足排爆机器人动态跟踪目标物体的要求，本发明将视觉设备5搭载在排爆机器人上，并应用视觉伺服技术跟随目标物体。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。