基于物联网技术的消防侦察机器人系统设计

摘要

物联网技术具有全面感知、可靠传输、智能处理三大特征，与消防机器人结合起来能够很好解决消防队员在实施灭火救援时经常面临着人身安全、数据采集不足、不能实时反馈等问题。本文根据GA892.1-2010《消防机器人第1部分:通用技术条件》标准的要求，设计了一种基于物联网技术的消防侦察机器人，代替消防救援人员进入危险灾害现场进行探测和救援工作。
　　本研究主要内容包括：⑴根据功能需求，完成了消防侦察机器人车载系统的总体结构设计和硬件平台搭建。对运动控制系统、嵌入式网关平台系统、传感器检测系统以及电源系统四个部分作了详细的设计，使机器人在具有一定的运动能力基础下，还具有对环境的感知能力和可靠的数据传输能力。⑵构建和实现了系统通信网络，完成传感器数据采集及处理功能。依据系统通信需求，构建了系统底层无线传感器网络和互联网相结合的异构网络体系，通过设计Z-Stack协议栈程序，完成了基于ZigBee协议的无线传感器网络组建;采用WLAN与3G/4G移动通讯相结合的远程传输技术，实现感知层和应用层的数据可靠传输。为增强系统的稳定性和数据收集的准确性，基于多传感器数据融合技术，分别研究了Kalman滤波、模糊逻辑和自适应加权融合算法在机器人姿态检测、避障控制和环境监测中的应用。以及采用直接灰度变换法对红外图像进行目标增强处理。⑶完成了消防侦察机器人系统软件设计，并对消防侦察机器人整机系统进行了相关实验测试。设计了具有数据处理和数据转发等功能的嵌入式网关平台应用软件，以及对车载系统信息集成、处理、显示和控制的后方指挥系统软件，在实验室下环境下验证了机器人直行、爬坡、转弯、避障、数据传输及处理和人机交互等功能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外消防机器人研究现状

1．2．2 国内消防机器人研究现状

1．3 物联网与消防机器人

1．4 主要研究内容与论文结构

第2章 机器人车载系统总体设计及运动学分析

2．1 机器人车载系统总体设计

2．1．1 机器人运动控制系统设计

2．1．2 嵌入式网关平台系统设计

2．1．3 系统传感器的选型

2．1．4 系统电源设计

2．2 机器人的运动学分析

2．3 本章小结

第3章 系统传感及通信网络组建

3．1 消防侦察机器人的通信系统

3．2 无线传感器网络的组建

3．2．1 通信协议的选定

3．2．2 ZigBee协议结构

3．2．3 ZigBee网络中的设备

3．2．4 ZigBee网络拓扑结构

3．2．5 ZigBee网络组建

3．3 本章小结

第4章 数据融合与红外图像增强

4．1 多传感器数据融合技术

4．1．1 数据融合技术概述

4．1．2 数据融合的层次

4．2 基于Kalman数据融合算法的姿态解算

4．2．1 姿态解算原理

4．2．2 Kalman滤波处理

4．2．3 基于MATLAB的仿真实验结果与分析

4．3 基于模糊逻辑数据融合算法的避障控制

4．3．1 模糊逻辑法数据融合处理

4．3．2 基于MATLAB的仿真实验结果与分析

4．4 基于自适应加权融合算法的环境信息处理

4．5 红外图像增强处理

4．6 本章小结

第5章 系统软件设计

5．1 ZigBee无线传感器节点软件设计

5．1．1 软件开发环境及Z-Stack介绍

5．1．2 协调器节点程序设计

5．1．3 终端节点程序设计

5．2 嵌入式网关系统的应用程序设计

5．3 后方指挥系统软件设计

5．4 本章小结

第6章 机器人整体测试实验

6．1 机器人运动能力测试

6．2 机器人避障实验测试

6．3 数据交互和软件功能测试

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

致谢