wifi的多功能搜救机器人硬件设计
摘 要当下国内灾难频发，灾难发生后救援人员搜救困难，无法进入狭小环境，同时也面临着多种危险。为了解决搜救问题，本文设计了一个基于WiFi的多功能搜救机器人。 搜救机器人能够实现无线视频传输，数据传输，环境监测等多种功能，视频、温度等信号能在没有WiFi和3G网络的环境下无线传输至手机，平板电脑等终端。搜救机器人由上位机控制端、WiFi模块、摄像头云台控制模块、电机驱动模块、微处理器模块和电源模块等组成。上位机控制端由Visual Studio C#编译制作，用于在电脑端查看搜救机器人传输来的视频及数据信息。搜救人员能通过手机、平板电脑等终端连接路由器发射的无线信号或公共网络，查看搜救机器人传输的视频及数据信号，高效率准确地搜索幸存者，查看灾难环境现场情况，及时救援幸存者，节约了大量的人力物力，减少了生命损失。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1目的和意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题主要研究方向 3
第二章 系统整体方案设计 4
2.1系统设计目标与需求 4
2.2系统总体功能架构设计 4
2.3 系统方案的选择及论证 5
2.4 系统功能及使用方法 7
2.5 本章小结 8
第三章 系统硬件设计及技术研究 9
3.1 开发工具介绍 9
3.2 路由器刷OpenWrt系统 13
3.3 硬件电路模块介绍 20
3.4 硬件电路设计 25
3.5 本章小结 27
第四章 上位机系统设计 28
4.1 上位机总体设计框架 28
4.2 视频显示控件的设计 28
4.3 系统引擎程序设计 29
4.4 系统UI界面设计 32
4.5 本章小结 33
第五章 程序调试及系统测试 34
5.1系统软件设计 34
5.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
2 搜救机器人程序调试 37
5.3 上位机控制端综合调试 38
5.4 本章小结 39
总结与展望 40
参考文献 40
致 谢 43
附 录 44
附一 系统整体原理图 44
附二 系统整体PCB图 44
附三 系统下位机程序 45
英文附录(文献翻译) 51
第一章 绪论
目的和意义
在最近的几年里，我国发生的自然灾害数不胜数。例如2012年南彝良5.7、5.6级地震、2013年雅安7.0级地震、2014年上海徐汇区高层居民楼火灾事故、2015年哈尔滨仓库起火坍塌事故，这些灾难都相继造成了被困人员及搜救人员的伤亡。
在灾难多发的当代社会，如何准确搜索被困人员的位置，高效率救援被困人员是现在亟需解决的问题。目前，基本都是靠搜救人员和搜救犬去搜救被困人员，但是灾难现场情况复杂难测。救援人员如果无法保证自己的安全，就不能贸然进入现场进行搜救的。而且往往灾难发生面积较大，搜索被困人员的准确位置需要耗费较多的时间、人力和物力，搜救人员无法进入一些狭小的空间，有些空间连搜救犬也无法进入，无法判知被困人员的位置。 因此，有必要研制一种移动搜救机器人。它能在第一时间代替搜救人员进入到危险灾难环境，实地搜寻有用的视频及环境信息，为下一步的搜救计划、搜救人员的决策提供可靠依据[1]，WiFi搜救机器人的研发迫在眉睫。
WiFi是一种无线局域网技术，它的特点是比较容易扩展、组网便捷等，有广泛的应用前景[2]。在智能手机、平板发展迅猛的时代，智能手机和平板都具有了能连接WiFi的功能，为WiFi机器人提供了很好的平台。在平台上，可以通过编写程序制作APP，来控制WiFi机器人的移动及摄像头云台的上下左右移动，实时监控机器人传输的视频信息。将这一技术运用于搜救机器人，会对搜救工作带来极大的便利。
国内外研究现状
本节主要介绍搜救机器人在国内外的研究现状，并借鉴国内外搜救机器人的一些研究技术及经验。
1.2.1 国外研究现状
911事件之后，美国、日本等西方发达国家在搜救机器人的研究上下了很大的功夫，成功研制出了一系列用于灾难现场搜救的机器人，能进入狭小区域，准确搜索到被困人员位置，并进行视频及语音通讯，很值得借鉴。
比如日本大阪大学研究出的蛇形机器人，美国加州大学伯克利分校研究出的苍蝇搜救机器人，这些仿生搜救机器人体积小，满足对狭小空间搜索需要。美国Phoenix International水下作业公司研究出水下搜索机器人，其中一个名为蓝鳍21的水下搜索机器人用于马航MH370搜索。蓝鳍21长21英尺，能够在水下连续作业25小时，使用传感器在海底进行搜索作业，每天能够在海底搜索40平方英里。它可以下潜到水下2.5英里深处，当它潜入海中的时候，它会“飞翔”在海床之上，并使用声纳技术进行海底成像。它们需要察觉三个维度——不仅是海底的X和Y坐标系，还包括海洋的深度[3]。借鉴这个水下搜救机器人，本文中的搜救机器人加入了三自由度平台，使摄像头能够前后左右上下三自由度旋转，能完整地采集到灾难现场视频情况。
再比如加拿大的MicroVGTV搜救机器人，采用电缆控制，可根据搜索区域情况灵活地调整尺寸和大小，在任何区域都可以自如地移动。它装有彩色摄像头、话筒和扬声器，能够与废墟中的幸存者进行语音和视频通信[4]。借鉴了加拿大的搜救机器人，本文中设计的搜救机器人加入了网络摄像头，能在灾难现场进行远程视频传输，让搜救人员更清楚地了解现场情况。
又比如美国iRobot公司生产的PackBot机器人，PackBot机器人使用坦克式履带，可以在崎岖的道路上行走，车上装有摄像头，士兵可以远程遥控机器人。Packbot的越障能力值得称道，它的主体结构就是它的履带式底盘，其控制系统和模块负载区则位于履带之间的区域。其主体框架非常小巧，动力系统为小型静音电动马达，由车载电池供电，电池模块位于履带间的空隙处，可更换。它体积小，重心低，其他一些大型无人平台所难以克服的宽沟、斜面和陡坡，对Packbot来说完全不成问题[5]。借鉴了这个思路，本文设计的搜救机器人也以履带为底盘，可在任何不平坦的地面前行，同时，将模块及控制系统负载放置在履带之间的区域，尽可能减小机器人的体型。
911事件发生后，美国很多机器人生产公司如iRobot公司、FosterMiller公司和Spawar研究中心等都参与了搜救[6]。据时代周刊报导[7]，在一开始的十天里，搜救机器人在人工、搜救犬无法到达的狭小区域找到十具遇难者遗体，与搜救工作人员找到的数量基本一致，但花费的时间却只有现场救援人员花费时间的一半。这次搜救是美国历史上第一次以搜救机器人参与搜救工作的行动，并且取得了一定的成功。
1.2.2 国内研究现状
近几年，国内灾害频发，尤其是地震灾害。根据近几年地震搜救情况，不难看出，由于地震发生后，废墟结构特别不稳定，废墟中的救援人员的危险性大大增加。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第一章 绪论 1
1.1目的和意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题主要研究方向 3
第二章 系统整体方案设计 4
2.1系统设计目标与需求 4
2.2系统总体功能架构设计 4
2.3 系统方案的选择及论证 5
2.4 系统功能及使用方法 7
2.5 本章小结 8
第三章 系统硬件设计及技术研究 9
3.1 开发工具介绍 9
3.2 路由器刷OpenWrt系统 13
3.3 硬件电路模块介绍 20
3.4 硬件电路设计 25
3.5 本章小结 27
第四章 上位机系统设计 28
4.1 上位机总体设计框架 28
4.2 视频显示控件的设计 28
4.3 系统引擎程序设计 29
4.4 系统UI界面设计 32
4.5 本章小结 33
第五章 程序调试及系统测试 34
5.1系统软件设计 34
5.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
2 搜救机器人程序调试 37
5.3 上位机控制端综合调试 38
5.4 本章小结 39
总结与展望 40
参考文献 40
致 谢 43
附 录 44
附一 系统整体原理图 44
附二 系统整体PCB图 44
附三 系统下位机程序 45
英文附录(文献翻译) 51
第一章 绪论
目的和意义
在最近的几年里，我国发生的自然灾害数不胜数。例如2012年南彝良5.7、5.6级地震、2013年雅安7.0级地震、2014年上海徐汇区高层居民楼火灾事故、2015年哈尔滨仓库起火坍塌事故，这些灾难都相继造成了被困人员及搜救人员的伤亡。
在灾难多发的当代社会，如何准确搜索被困人员的位置，高效率救援被困人员是现在亟需解决的问题。目前，基本都是靠搜救人员和搜救犬去搜救被困人员，但是灾难现场情况复杂难测。救援人员如果无法保证自己的安全，就不能贸然进入现场进行搜救的。而且往往灾难发生面积较大，搜索被困人员的准确位置需要耗费较多的时间、人力和物力，搜救人员无法进入一些狭小的空间，有些空间连搜救犬也无法进入，无法判知被困人员的位置。 因此，有必要研制一种移动搜救机器人。它能在第一时间代替搜救人员进入到危险灾难环境，实地搜寻有用的视频及环境信息，为下一步的搜救计划、搜救人员的决策提供可靠依据[1]，WiFi搜救机器人的研发迫在眉睫。
WiFi是一种无线局域网技术，它的特点是比较容易扩展、组网便捷等，有广泛的应用前景[2]。在智能手机、平板发展迅猛的时代，智能手机和平板都具有了能连接WiFi的功能，为WiFi机器人提供了很好的平台。在平台上，可以通过编写程序制作APP，来控制WiFi机器人的移动及摄像头云台的上下左右移动，实时监控机器人传输的视频信息。将这一技术运用于搜救机器人，会对搜救工作带来极大的便利。
国内外研究现状
本节主要介绍搜救机器人在国内外的研究现状，并借鉴国内外搜救机器人的一些研究技术及经验。
1.2.1 国外研究现状
911事件之后，美国、日本等西方发达国家在搜救机器人的研究上下了很大的功夫，成功研制出了一系列用于灾难现场搜救的机器人，能进入狭小区域，准确搜索到被困人员位置，并进行视频及语音通讯，很值得借鉴。
比如日本大阪大学研究出的蛇形机器人，美国加州大学伯克利分校研究出的苍蝇搜救机器人，这些仿生搜救机器人体积小，满足对狭小空间搜索需要。美国Phoenix International水下作业公司研究出水下搜索机器人，其中一个名为蓝鳍21的水下搜索机器人用于马航MH370搜索。蓝鳍21长21英尺，能够在水下连续作业25小时，使用传感器在海底进行搜索作业，每天能够在海底搜索40平方英里。它可以下潜到水下2.5英里深处，当它潜入海中的时候，它会“飞翔”在海床之上，并使用声纳技术进行海底成像。它们需要察觉三个维度——不仅是海底的X和Y坐标系，还包括海洋的深度[3]。借鉴这个水下搜救机器人，本文中的搜救机器人加入了三自由度平台，使摄像头能够前后左右上下三自由度旋转，能完整地采集到灾难现场视频情况。
再比如加拿大的MicroVGTV搜救机器人，采用电缆控制，可根据搜索区域情况灵活地调整尺寸和大小，在任何区域都可以自如地移动。它装有彩色摄像头、话筒和扬声器，能够与废墟中的幸存者进行语音和视频通信[4]。借鉴了加拿大的搜救机器人，本文中设计的搜救机器人加入了网络摄像头，能在灾难现场进行远程视频传输，让搜救人员更清楚地了解现场情况。
又比如美国iRobot公司生产的PackBot机器人，PackBot机器人使用坦克式履带，可以在崎岖的道路上行走，车上装有摄像头，士兵可以远程遥控机器人。Packbot的越障能力值得称道，它的主体结构就是它的履带式底盘，其控制系统和模块负载区则位于履带之间的区域。其主体框架非常小巧，动力系统为小型静音电动马达，由车载电池供电，电池模块位于履带间的空隙处，可更换。它体积小，重心低，其他一些大型无人平台所难以克服的宽沟、斜面和陡坡，对Packbot来说完全不成问题[5]。借鉴了这个思路，本文设计的搜救机器人也以履带为底盘，可在任何不平坦的地面前行，同时，将模块及控制系统负载放置在履带之间的区域，尽可能减小机器人的体型。
911事件发生后，美国很多机器人生产公司如iRobot公司、FosterMiller公司和Spawar研究中心等都参与了搜救[6]。据时代周刊报导[7]，在一开始的十天里，搜救机器人在人工、搜救犬无法到达的狭小区域找到十具遇难者遗体，与搜救工作人员找到的数量基本一致，但花费的时间却只有现场救援人员花费时间的一半。这次搜救是美国历史上第一次以搜救机器人参与搜救工作的行动，并且取得了一定的成功。
1.2.2 国内研究现状
近几年，国内灾害频发，尤其是地震灾害。根据近几年地震搜救情况，不难看出，由于地震发生后，废墟结构特别不稳定，废墟中的救援人员的危险性大大增加。
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