CN106003064A - 一种复杂环境多传感器智能探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂环境多传感器智能探测机器人，包括三角履带智能自主移动小车、360度立体旋转三维激光扫描仪、无线通信模块、图像采集设备、红外线检测仪及环境检测传感器模块，360度立体旋转三维激光扫描仪、无线通信模块、图像采集设备、红外线检测仪及环境检测传感器模块均设置在三角履带智能自主移动小车上，360度立体旋转三维激光扫描仪与所述的智能控制器连接，图像采集设备、红外线检测仪及环境检测传感器模块采集到的环境信息通过无线通信模块传输至远程控制中心，用来完成复杂环境或人类不可及的地方的生命搜寻、检测和探索任务。与现有技术相比，本发明具有定位精确、可靠性高等优点。

Description

一种复杂环境多传感器智能探测机器人

技术领域

本发明属于环境探测与机器人技术领域，尤其是涉及一种复杂环境多传感器智能探测机器人。

背景技术

随着世界经济的发展，科技的进步，人类的生活已经越来越便利安全，科技的发展进步和应用起到了决定性的作用，各种类型的机器人层出不穷，被应用于多个科研领域和日常生活中。在生活中有很多人类无法涉足的环境区域，比如星球探测、辐射污染环境、地震坍塌探测、特殊设备的维修检测、军事侦察以及矿井矿难搜救等等，在这些危险复杂的环境中，为了安全有效的工作，要求机器人能够具备很好的环境适应能力，也需要能够在复杂环境中代替人类完成搜索探测任务。

当发生灾害等意外时，在紧急处理现场救护过程是最为重要也是最危险的阶段，面临事故区域往往情况多变复杂，贸然的调派人员救护处理往往极易发生二次事故导致更多的伤亡，比如二次坍塌、***、有毒气体释放(CH4、CO等)，还有一些特殊的情况，比如辐射区、星球探测等人类无法到达的地方。因此需要能够代替人类进入危险区域完成现场探测，将现场的内部结构、环境、图像等必要的信息检测出来的机器人设备，从而大大减少人类到未知复杂的危险区域探测的危险性。

目前，国内外对探测机器人研究已经取得很大的突破，比如仿生机器人的研究，其优势在于多自由度，运动灵活。但仿生机器人不是体积大、价格昂贵，就是体积小巧、运动灵活但功能单一，只能用于搜索伤员，可靠性不高。且目前技术不是很成熟，在我国救援探测中应用推广较为困难。而矿山探测机器人、星球探测机器人等工作范围小，功能单一，价格昂贵，不适合在多种复杂灾后现场进行探测活动。例如：Transeth、Liljeback等通过研究自然界中蛇的形态特征与运动规律，研制的蛇形救援机器人，可实现模拟生物蛇的多种真实运动形态；还有Kamegawa、Polverari等人研制了类似NASA火星探测车的多轮式救灾机器人和伸缩轮腿式仿生搜救机器人，环境探测传感器安装于移动平台的前部或机械臂上，其特点是自由度较少、结构紧凑、运动速度快、轮式滚动摩擦阻力小和机械传动效率高；再有Thrun、Kamikawa等人开发了类似蜘蛛、人体结构的多腿式救灾机器人，激光测距传感器、夜视摄像机、气体探测传感器和陀螺仪分别安装于机器人上部平台的前端，其优点是对起伏坡度大、多沟壕地形适应能力强等。

但是针对路径错综复杂且障碍物较多的地理环境，上述机器人沿地面行走十分困难，不能完全满足探测信息收集与现场开展搜救任务的需求，机器人如何准确的将现场灾害信息传输到地面、如何快速的到达事故现场依然是国内外专家学者的研究关键。

如发明专利CN201110005671.3所述的一种变电站巡检机器人的结构设计，该发明涉及一种变电站巡检机器人的结构设计，属于工业用移动机器人技术领域。其包括电机驱动的履带机器人运载小车，安装有GPS、电子罗盘导航模块，电池***，控制电路模块和图像采集、红外温度检测仪器等，完成变电站设备巡检工作方式，通过无线路由器，将采集到的数据和移动小车的位置、动作状态等信息发送到远程控制中心。主动轮和从动轮安装在外形为三角形的支架上。搭载检测仪器的云台可升降，也可做左右最大135°角度转动。移动小车采用GPS、电子罗盘导航，在行走时，通过车体腹部安装的红外循迹传感器，修正小车行走路径。

再比如专利CN200420040969.3所述的一种四轮驱动轮式机器人移动车，该实用新型涉及一种轮式机器人移动车，包括车架和车轮，四个车轮呈矩形对称布置在车架两侧，四个车轮分别由四套电机减速机组驱动。两前轮、两后轮之间分别通过一梯形连杆机构相连，四个车轮与电机之间通过电磁离合器相连。该专业产品可承受较大的载重，可直线行驶且转向灵活，可应用于室内外各种复杂路况中的移动机器人领域。

面对各种错综复杂环境，机器人需要在布满障碍物，沿地面行走十分困难的情况下到达目的地，需要检测出各种环境的信息，将人们不能涉足的环境图像、结构、甚至探测生命等信息传递出来，上述机器人仍然还不能完全满足探测信息收集与现场开展搜救任务的需求，机器人如何准确的将现场灾害信息传输到地面、如何快速的到达事故现场依然是国内外专家学者的研究关键。

当前如专利CN200420040969.3所述的一种四轮驱动轮式机器人移动车，采用的是轮式行走，面对危险道路，繁杂崎岖，布满障碍物，沿地面行走十分困难，不能完全满足灾害信息收集与现场开展搜救任务的需求，机器人也无法准确的将现场灾害信息传输到地面，快速的到达到生命探测救援的需要。再比如专利CN201110005671.3所述的一种变电站巡检机器人的结构设计，尽管采用的是履带行进，但功能不够完善，缺乏探测需要的更多功能，其搭载检测仪器的云台虽然可升降，能做左右最大135°角度转动，但无法360°对四周的复杂环境进行扫描检测传递，对于复杂环境，危险地貌的地图构建，环境检测、智能定位导航等能力都无法满足。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种复杂环境多传感器智能探测机器人，适应于多路况复杂危险环境的探测搜索。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种复杂环境多传感器智能探测机器人，包括三角履带智能自主移动小车、360度立体旋转三维激光扫描仪、无线通信模块、图像采集设备、红外线检测仪及环境检测传感器模块，所述的360度立体旋转三维激光扫描仪、无线通信模块、图像采集设备、红外线检测仪及环境检测传感器模块均设置在三角履带智能自主移动小车上，所述的三角履带智能自主移动小车的运动通过一智能控制器控制，所述的360度立体旋转三维激光扫描仪与所述的智能控制器连接，所述的图像采集设备、红外线检测仪及环境检测传感器模块采集到的环境信息通过无线通信模块传输至远程控制中心，用来完成复杂环境或人类不可及的地方的生命搜寻、检测和探索任务。

所述的三角履带智能自主移动小车还设有与所述的智能控制器连接的车载DGPS，用于获取三角履带智能自主移动小车的实时位置信息，车载DGPS的定位精度达厘米级。

所述的三角履带智能自主移动小车采用三角形的履带行进方式。

所述的三角履带智能自主移动小车包括主驱动轮、辅助换向轮及驱动电机，所述的主驱动轮和辅助换向轮构成三角形安装在三角形的履带支架上，有效的保证了障碍物的穿越能力，所述的主驱动轮通过连接轴连接驱动电机，三角履带智能自主移动小车移动时，驱动电机驱动主驱动轮并经过辅助换向轮传递换向驱动三角履带智能自主移动小车行走。

所述的主驱动轮、辅助换向轮的轮体为齿轮状轮体，增加能量驱动效率。

所述的三角履带智能自主移动小车的履带为橡胶齿牙结构的履带，避免通过结冰路面时的打滑现象，更有利于穿越复杂的地形。

360度立体旋转三维激光扫描仪为360°三维激光环绕5.5赫兹扫描仪，用于检测环境中的障碍物、构建地图，并将障碍物信息传输给智能控制器，由智能控制器控制三角履带智能自主移动小车的转向等。结合车载DGPS可实现复杂环境的地图构建，并自主选择路径，躲避或穿越障碍物，自主规划或无线遥感控制到达特定的目标区域。

所述的驱动电机连接有测速传感器，所述的测速传感器与所述的智能控制器连接，智能控制器根据速度信息控制小车前进或倒退等。

所述的三角履带智能自主移动小车上还设有可充电锂电池和液晶显示屏，所述的可充电锂电池为三角履带智能自主移动小车供电，可充电锂电池的电量及温度在液晶显示屏上显示。

所述的环境检测传感器模块包括温度传感器、湿度传感器及有毒气体检测传感器等，有毒气体包括甲烷、一氧化碳等。环境检测传感器模块可以完成复杂环境下的空气检测，甚至对有毒气体含量进行检测等等。

所述的智能控制器为STM32F407ZGT。

所述的图像采集设备为摄像头，用于获取环境的图像信息，所述的红外线检测仪用于探测生命活动迹象。

本发明在三角履带智能自主移动小车的车底履带连接轴处安装了两台驱动电机，通过轴连接到两侧主驱动轮，经过辅助换向轮传递换向并带动其他辅助轮，驱动履带车行走。

另外，三角履带智能自主移动小车设有弹簧减震与履带行走结构相连。

本发明是具有多功能一体化、智能化的综合探测机器人，针对特殊的复杂环境，比如地震引起的坍塌搜救、矿难发生的涵洞巷道探测以及复杂的环境导致人类不能直接到达的区域，对特征比较明显的有毒有害气体、空气温度湿度等传感采集，同时也增加了360°三维激光环绕5.5赫兹扫描测距，实时的地图构建，精确定位，通讯采用无线电通讯技术，简化了***的结构，提高了可靠性，功能更加的多样化，实现了完全的代替人类危险区域探测作业的任务。

在硬件上保证了危险环境探测的准确性，也通过履带的结构设计，更加有利于障碍物的穿越，本发明经过升级改造后也将可应用于外星球探测，或者未知领域的地理地图构建，具有广泛的应用前途和推广意义。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过机器人搭载该激光导航***，通过电源模块向各个部分提供电能，由STM32F407ZGT作为控制内核，使用360°激光扫描模块，激光雷达360°扫描周围的环境，得到周围环境的信息，经过激光束的发送和接收得到障碍物的距离，自主完成该室内高精度定位，并完成实时的地图构建。

(2)本发明通过机器人也搭载多种复杂情况下作业常见的探测需要的传感器，将环境中的温湿度、有毒气体及气体浓度检测、红外线生命探测、视频拍摄等需探测的信息通过无线电技术发射到后台监控人员。

(3)本发明具有良好的自主越障性能、运动稳定性以及机动性，可广泛应用于灾难救援、反恐排爆、军事探测、以及环境检测等领域。

附图说明

图1为本发明的立体结构图；

图2为本发明的主视图；

图中标识为：1 360度立体旋转三维激光扫描仪，2红外线检测仪，3环境检测传感器模块，4辅助换向轮，5主驱动轮，6图像采集设备，7驱动电机，8智能控制器，9无线通信模块，10履带。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1—2所示，一种复杂环境多传感器智能探测机器人，包括三角履带智能自主移动小车、360度立体旋转三维激光扫描仪1、无线通信模块9、图像采集设备6、红外线检测仪2及环境检测传感器模块3，360度立体旋转三维激光扫描仪1、无线通信模块9、图像采集设备6、红外线检测仪2及环境检测传感器模块3均设置在三角履带智能自主移动小车上，三角履带智能自主移动小车的运动通过一智能控制器8控制，360度立体旋转三维激光扫描仪1与智能控制器8连接，图像采集设备6、红外线检测仪2及环境检测传感器模块3采集到的环境信息通过无线通信模块9传输至远程控制中心，用来完成复杂环境或人类不可及的地方的生命搜寻、检测和探索任务。三角履带智能自主移动小车还设有与智能控制器8连接的车载DGPS，用于获取三角履带智能自主移动小车的实时位置信息，车载DGPS的定位精度达厘米级。本发明的智能控制器8为STM32F407ZGT。

三角履带智能自主移动小车采用三角形的履带行进方式。三角履带智能自主移动小车包括主驱动轮5、辅助换向轮4及驱动电机7，主驱动轮5和辅助换向轮4构成三角形安装在三角形的履带支架上，有效的保证了障碍物的穿越能力，主驱动轮5通过连接轴连接驱动电机7，三角履带智能自主移动小车移动时，驱动电机7驱动主驱动轮5并经过辅助换向轮4传递换向驱动三角履带智能自主移动小车行走。主驱动轮5、辅助换向轮4的轮体为齿轮状轮体，增加能量驱动效率。三角履带智能自主移动小车的履带10为橡胶齿牙结构的履带，避免通过结冰路面时的打滑现象，更有利于穿越复杂的地形。驱动电机7连接有测速传感器，测速传感器与智能控制器8连接，智能控制器8根据速度信息控制小车前进或倒退等。

360度立体旋转三维激光扫描仪1为360°三维激光环绕5.5赫兹扫描仪，用于检测环境中的障碍物、构建地图，并将障碍物信息传输给智能控制器8，由智能控制器8控制三角履带智能自主移动小车的转向等。结合车载DGPS可实现复杂环境的地图构建，并自主选择路径，躲避或穿越障碍物，自主规划或无线遥感控制到达特定的目标区域。

三角履带智能自主移动小车上还设有可充电锂电池和液晶显示屏，可充电锂电池为三角履带智能自主移动小车供电，可充电锂电池的电量及温度在液晶显示屏上显示。

环境检测传感器模块3包括温度传感器、湿度传感器及有毒气体检测传感器等，有毒气体包括甲烷、一氧化碳等。环境检测传感器模块3可以完成复杂环境下的空气检测，甚至对有毒气体含量进行检测等等。

图像采集设备6为摄像头，用于获取环境的图像信息，红外线检测仪2用于探测生命活动迹象。

本发明在三角履带智能自主移动小车的车底履带10连接轴处安装了两台驱动电机7，通过轴连接到两侧主驱动轮5，经过辅助换向轮4传递换向并带动其他辅助轮，驱动小车行走。

另外，三角履带智能自主移动小车设有弹簧减震与履带行走结构相连。

本发明是具有多功能一体化、智能化的综合探测机器人，针对特殊的复杂环境，比如地震引起的坍塌搜救、矿难发生的涵洞巷道探测以及复杂的环境导致人类不能直接到达的区域，对特征比较明显的有毒有害气体、空气温度湿度等传感采集，同时也增加了360°三维激光环绕5.5赫兹扫描测距，实时的地图构建，精确定位，通讯采用无线电通讯技术，简化了***的结构，提高了可靠性，功能更加的多样化，实现了完全的代替人类危险区域探测作业的任务。

在硬件上保证了危险环境探测的准确性，也通过履带10的结构设计，更加有利于障碍物的穿越，本发明经过升级改造后也将可应用于外星球探测，或者未知领域的地理地图构建，具有广泛的应用前途和推广意义。

本发明通过机器人搭载该激光导航***，通过电源模块向各个部分提供电能，由STM32F407ZGT作为控制内核，使用360°激光扫描模块，激光雷达360°扫描周围的环境，得到周围环境的信息，经过激光束的发送和接收得到障碍物的距离，自主完成该室内高精度定位，并完成实时的地图构建。

本发明通过机器人也搭载多种复杂情况下作业常见的探测需要的传感器，将环境中的温湿度、有毒气体及气体浓度检测、红外线生命探测、视频拍摄等需探测的信息通过无线电技术发射到后台监控人员。

本发明具有良好的自主越障性能、运动稳定性以及机动性，可广泛应用于灾难救援、反恐排爆、军事探测、以及环境检测等领域。

Claims (10)

1.一种复杂环境多传感器智能探测机器人，其特征在于，包括三角履带智能自主移动小车、360度立体旋转三维激光扫描仪、无线通信模块、图像采集设备、红外线检测仪及环境检测传感器模块，所述的360度立体旋转三维激光扫描仪、无线通信模块、图像采集设备、红外线检测仪及环境检测传感器模块均设置在三角履带智能自主移动小车上，所述的三角履带智能自主移动小车的运动通过一智能控制器控制，所述的360度立体旋转三维激光扫描仪与所述的智能控制器连接，所述的图像采集设备、红外线检测仪及环境检测传感器模块采集到的环境信息通过无线通信模块传输至远程控制中心，用来完成复杂环境或人类不可及的地方的生命搜寻、检测和探索任务。

2.根据权利要求1所述的一种复杂环境多传感器智能探测机器人，其特征在于，所述的三角履带智能自主移动小车还设有与所述的智能控制器连接的车载DGPS，用于获取三角履带智能自主移动小车的实时位置信息。

3.根据权利要求1所述的一种复杂环境多传感器智能探测机器人，其特征在于，所述的三角履带智能自主移动小车采用三角形的履带行进方式。

4.根据权利要求1所述的一种复杂环境多传感器智能探测机器人，其特征在于，所述的三角履带智能自主移动小车包括主驱动轮、辅助换向轮及驱动电机，所述的主驱动轮和辅助换向轮构成三角形安装在三角形的履带支架上，所述的主驱动轮通过连接轴连接驱动电机，三角履带智能自主移动小车移动时，驱动电机驱动主驱动轮并经过辅助换向轮传递换向驱动三角履带智能自主移动小车行走。

5.根据权利要求4所述的一种复杂环境多传感器智能探测机器人，其特征在于，所述的主驱动轮、辅助换向轮的轮体为齿轮状轮体。

6.根据权利要求1所述的一种复杂环境多传感器智能探测机器人，其特征在于，所述的三角履带智能自主移动小车的履带为橡胶齿牙结构的履带。

7.根据权利要求4所述的一种复杂环境多传感器智能探测机器人，其特征在于，所述的驱动电机连接有测速传感器，所述的测速传感器与所述的智能控制器连接。

8.根据权利要求1所述的一种复杂环境多传感器智能探测机器人，其特征在于，所述的三角履带智能自主移动小车上还设有可充电锂电池和液晶显示屏，所述的可充电锂电池为三角履带智能自主移动小车供电，可充电锂电池的电量及温度在液晶显示屏上显示。

9.根据权利要求1所述的一种复杂环境多传感器智能探测机器人，其特征在于，所述的环境检测传感器模块包括温度传感器、湿度传感器及有毒气体检测传感器。

10.根据权利要求1所述的一种复杂环境多传感器智能探测机器人，其特征在于，所述的智能控制器为STM32F407ZGT。