Profile - CN188

CN188

基于远程控制的机器人搜救系统

北京交通大学
计算机与信息技术学院


Finals


[print]

Project

Name of Project:基于远程控制的机器人搜救系统

Contact Information

Name:梁良
E-Mail:ltmit2@163.com
Telephone:010-51689933
Mobile Phone:13810696370
Mailing Address:北京市海淀区上园村3号，北京交通大学计算机与信息技术学院

Contest Advisor

Name:丁晓明
E-Mail:xmding@bjtu.edu.cn
Telephone:010-51688636

Members

No.NameE-MailEnglish Name
1梁良ltmit2@163.comLiangLiang
2张凯05281084@bjtu.edu.cnZhangKai
3周伟智06281148@bjtu.edu.cnZhouWeizhi

Project Paper - view as Preliminary(2009/06/15), Final(2009/09/14), Draft, Latest

1. 设计概述 (Preliminary Paper)

设计意图

近几年来，各种安全事故不断地发生。比如5.12大地震，各种煤矿爆炸事件等等。对于这些事故的发生，是谁都不希望的。但是一旦发生，我们就必须得采取一切力量，将损失减小到最小。其中最重要的一项环节，就是对发生事故的人进行及时的抢救。

但是由于技术和条件的原因，常常使我们无法进入比较狭窄的，或者环境恶劣的空间，去进行实时的信息采集，从而进行相应的事务处理。这将导致面对紧急情况时因为信息缺失，错失事务的最佳处理时机。比如，因为我们无法获知灾难现场的情况，不能及时采取有效的救助手段和措施，从而错过了最佳救援时机。

为此我们设计的远程可重配置小型机器人，可以有效解决这一问题。它应用了DE1平台的可重配置功能，能够高效效的利用现有硬件资源，能够各自实现两种控制方式和两种实时图像采集方式。在不同的条件和环境下，使用者可以利用DE1可重配置功能，选择不同的功能进行使用。利用它，我们不但能能及时的传回现场的情况，还能够进行红外生物探测，使我们能够有效地进行搜救工作。

 

适用范围

        本机器人系统在设计上，支持口令控制和基于wifi的远程控制功能。而其传感器预计使用多个声纳，摄像头和红外摄像头等。主要应用是对人员无法到达或者不方便到达的地方进行信息采集和反馈。

 

选用Altera硬件平台的优势

我们选用Altera的硬件平台的主要原因是它是基于硬件编程的FPGA器件，功能可塑性强，接口多，能够满足我们将要使用的各种外设的要求。另外，我们的系统将采用双核异步处理模式，数据信息处理和机器人控制分开进行。最后，我们看中了平台的可重配置功能。机器人的控制和数据采集在同一时间各自只能使用一个，使用硬件重配置能够允许我们充分利用硬件资源，只使用较少资源就能够实现多套配套功能。

 

(Draft / 2009-06-14 14:36:49)

2. 功能描述 (Final Project Paper)

本系统采用DE1平台，充分利用了平台强大的可扩展性和可重配置特性，结合各种外设和远程控制端，可以实现以下功能：

1、  远程控制功能。用户能够通过远程控制端对机器人本体进行实时的行走控制。

2、  基于用户控制的智能避障。机器人能够在接收用户控制指令的前提下，对前方道路情况进行判断，决定是否执行用户指令，并反馈必要的数据。

3、  远程数据传输。机器人采集的图像和声音数据能够传输到远程控制端，以视频和音频的形式提供给用户。

4、  硬件实现的图像采集和压缩。本系统能够支持两种摄像头的图像数据采集，并发送到远程控制端予以显示。其中图像采集、编码和转换均由硬件实现。系统直接获取jpeg数据流进行传输。

5、  基于远程可重配置的图像采集模式选择。机器人端的图像采集有普通和红外两种模式，可分别应用于不同的搜救场景。如果简单的使用硬件全部实现两者的功能，因为摄像头结构的差异及对SD卡模块的不同需求，将占用大量的硬件资源。使用DE1的可重配置功能，能够利用逻辑宏单元较少的FPGA芯片实现复杂功能，极大的提高硬件资源利用率。

 

(Draft / 2009-06-14 14:37:29)

3. 性能参数 (Final Project Paper)

4. 设计结构 (Preliminary Paper)

本机器人采用实时控制，半实时采集的工作模式。通过远程控制端，用户可以进行机器人控制和获取反馈数据。在机器人端，通过声纳等传感器可以获取周边障碍情况，通过摄像头可以获取图像，Mic可以获取实时声音信息。实物设计图示如下：

 

        简要的功能框图如下。其中两个主要功能模块是分别运行于CPU的两个核上的。

 

 

下面是硬件体系结构图。因为针对不同的摄像头有着不同的硬件配置，因此有两幅。

 

 

（图1：基于可见光摄像头采集的硬件设备图）

（图1：基于可见光摄像头采集的硬件设备图）

 

（图1：基于可见光摄像头采集的硬件设备图）

 

（图2：基于红外摄像头采集的硬件设备图）

 

 

（图2：基于红外摄像头采集的硬件设备图）

 

在工作过程中，机器人能够一边接收并执行用户的操作，一边进行数据采集、处理和反馈。两者异步进行，大大提高了工作效率。

控制模块的基本算法流程如下：

 

数据采集模块的主要工作是图像和音频的采集与处理。其中图像相关的多数功能已经由硬件实现。音频部分需要相对较多的软件工作。无论是图像还是音频，都是基于流的数据采集和传输。

(Draft / 2009-06-14 14:50:30)

5. 设计方法 (Final Project Paper)

6. 设计特点 (Preliminary Paper)

1、本作品的控制核心是基于DE1平台的，有着良好的可扩充性和可裁剪性，能够根据用户的不同需要进行硬件裁剪和重新配置，有着广泛的二次开发和应用前景。相对其它产品来讲，有着较强的竞争力。

2、本作品的一大特点是应用了Altera平台的硬件可重构设计功能，在此基础上，实现了远程的系统可重配置。系统根据用户选择，构建不同的硬件平台，来实现不同的功能。能够高效的利用有限的硬件资源。

3、作品使用了多核处理系统，使得两大功能模块能够并发执行，极大的提高了工作执行效率。

4、作品使用自定义外设，通过纯硬件实现了图像的采集和压缩。能够保障系统的实时性，给远程控制端提供更流畅的视频画面。

5、作品现选择的功能包括远程控制，音视频采集，生物探测，数据反馈等救援常用的功能，而且能够在行走过程中进行避障，有着很大的实用价值。

 

(Draft / 2009-06-14 14:50:56)

7. 总结 (Final Project Paper)