研究基于嵌入式控制网络的搜救机器人多传感器信息融合算法摘要：针对在发生灾难情况下完成搜索任务的问题,本文提出了一种基于多传感器信息融合的优化策略。首先,搜救机器人控制系统的硬件电路设计；其次,实现嵌入式系统软件设计；然后,提出了一个聚合作用的卡尔曼滤波模型,它使用本身的卡尔曼滤波器权重调度去提升系统的容错能力和整体的融合性能。更重要的是,Adaboost算法实现了多传感器信息最理想的融合。通过仿真测试实验,去验证机器人在非结构化环境下的横越搜索能力。
索引词：聚合卡尔曼滤波器、信息融合、搜救机器人、嵌入式系统
I. 介绍
世界每年都遭受巨大的自然和人为灾害[1]。这些巨大的灾害导致许多建筑物倒塌和人员伤亡,当灾害发生时,最紧急的事情就是搜索和营救被困在废墟中的幸存者[2]。研究表明,最佳救援时间是48小时以内[3]。然而,复杂和危险的受灾地点给救援人员和幸存者带来巨大的威胁,也使救援行动延迟[4]。
易燃品、爆炸物和风力在灾害中容易引起大火[5]。在一些危险的地区,如核电站、化工厂等[6],如果没有相应的保护或支持,即使是训练有素的专业救援人员也无法正常工作,然而,当他们穿防护装备时,环境感知能力受到限制[7],所以救援工作变得缓慢。
目前,搜索狗是搜索人体气味最有用的工具,但有很多不可避免的问题[8]。根据经验丰富的俄罗斯搜索狗培训团的研究材料,一般来说,培训一只合格的搜索狗至少需要1.5年,而其有效工作时间是最多3年[9]。在工作中,总时间不能超过2小时[10];连续工作时间不得超过30分钟,否则会因为精疲力竭使它对气味敏感性降低[11]。这个缺陷是不能容忍的因为搜救机器人在紧急环境下需要依靠救援狗[12]。在西方,培训和使用一只搜索狗的费用通常是40000美元，然而,搜索狗本能地逃离有危险气体的搜索和救援场景[13]。基于多传感器信息融合的搜救机器人可以很好地解决这些问题[14]。
通过长期的研究，移动机器人在室内规整的环境下导航和定位、路径规划、地图的构建和未知环境的探索基本上是成熟的了[15],但复杂的和未知的非结构化环境下的灾难的场景仍然需要进一步的研究。目前,搜救机器人的主要控制方式是人工操作,完全的自治权还没有实现。自主移动机器人需要多传感器的融合去感知环境信息。它可以根据单一路标沿着指定的路径移动，救援机器人是很简单的安排并且拥有高的灵活性。但是相机捕捉到的图像很容易被射线影响,所以很难构建环境模型。特别是在复杂的环境下,如背景和障碍物的颜色是相似的,判断周围的障碍物是很困难的。而超声波传感器可以弥补这个缺点并且提供距离信息，可是，它现在存在的缺点是不能提供目标的准确方向。
在这篇文章中，基于多传感器信息融合的自主搜救机器人在灾难发生的地点代替传统的搜救队进行特定目标的搜寻工作。嵌入式控制系统软件设计基于完整的救援机器人硬件系统。我们融合多传感器单信息微型相机和超声波传感器实现自治多移动机器人的避障。基于Adaboost算法实现了聚合卡尔曼滤波最优融合。
II.移动机器人和系统体系结构的设计
A.机器人结构设计
搜救机器人的主动轮和传动轮都是对称的(图1)。在这个体系中每个轮子有相对机体中心位置,也有姿态角。各种各样的设计定义参数和运动参数。如果系统的雅可比矩阵的逆矩阵不是满秩,根据机器人运动学原理移动机器人系统中存在一个奇点。移动机器人的自由度会减少。为了确保运动系统有三个自由度,系统的雅可比矩阵的逆运动学矩阵必须满秩(等级= 3)。
图1 移动机器人的结构
B.控制系统体系结构
搜救机器人控制系统的内核是阿尔特拉公司的LPC2210和复杂可编程
EPM7128SLC84芯片。LPC2210执行的功能有实现实时控制电机的轨迹和位置、触发和控制CCD图像传感器、检测红外传感器和超声波传感器等传感器的状态。在移动机器人系统中,大数量的传感器可以实现通过接口相连并且迅速交换信息。我们利用复杂可编程逻辑器件实现双埠随机访问内存并且它解决了以上的问题。双埠RAM有两个绝对独立的数据总线、地址总线和控制总线。它允许两个独立的系统同时来访问双埠存储器,所以它实现了高速度的通信并且增强了读写操作的准确性。控制系统结构图如图二所示。
图二控制系统结构图
III. 嵌入式控制系统硬件设计
A.ARM微处理器的选择和分析
嵌入式系统的硬件核心组件是微控制器。一般来说,处理器字长32位。目前提到的嵌入式系统主要是16/32位(尤其是后者)RISC体系结构的微处理器/微控制器,用以去和早期8位微控制器系统区分开。
ARM7TDMI-S的核心芯片LPC2210是飞利浦公司生产的,它拥有所有ARM处理器的优点:低功耗、高性能、同时它有非常丰富的芯片资源,所以它是一个拥有非常高性价比的ARM芯片，它适用于嵌入式产品开发。其主要特点是:1、引导程序装入在系统编程和应用程序设计中实现片装，实现了闪电般的编程时间，1毫秒时间可以编程512个字节；删除全部或者删除一部分只需要400毫秒。2、EmbeddedICE-RT接口使能断点和观察点。当前台任务使用片内RealMonitor软件调试时，中断服务程序可继续执行。3、嵌入式跟踪宏单元支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。4、无线电导航中断控制器可以设置优先级和配置导航地址。
B.重置状态和复位电路的设计
当LPC2210在重置有效电平控制时,程序计数器(PC)和特殊功能寄存器处在复位状态。它内部的每一个功能原件是受特殊功能寄存器的控制而且程序计数器命令程序直接运行。寄存器的复位状态决定了内部相关功能组件的初始状态。重置后,PC的地址是0x00000000,所以程序初始地址0x00000000。也就是说,当系统启动时,CPU读取启动代码首先是重置地址0x00000000,LPC2210系统复位后,除了个人电脑和CPSR外其他的寄存器地址是不确定的。CPSR地址变为b10011,它的I和F位是开启的,T位清空,然后返回ARM初始状态和恢复执行;电脑获取指令从开始地址0x00000000开始运行。
因为ARM芯片运行速度快、功率消耗低和低电压运行，所以它的其它很多方面要求很高，包括：噪声容限较低、电源纹波、瞬态相应性能、时钟源的稳定性和电源监测的可靠性。这个主控制器复位电路使用特殊的微处理器监控MAX811的电力提高系统的可靠性,如图所示。当重置按钮被按下,MAX811立即输出复位信号,其复位销输出低电平复位系统,MAX811复位销通常输出高电平。
C.电源电路设计
在系统中,LPC2210需要3.3v直流稳定电压供应,一些其他的设备需要5.0v 直流稳定的电压供应,为了简化系统电源电路的设计,供应3.3 v和5.0 v高质量稳定的电压。5.0 v电源在通讯电路中隔离在RS485 B0505LS隔离设备,使RS485
