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电路等供电部分和地面分开,减少RS485时通信干扰,系统的电路如图3所示。

选AS1117为直流到直流电源转换器,可以完成5.0 v至3.3 v的转换,其特点是输出电流大、输出电压精度高、输出电压稳定。

一些大型电容电解电容器被放置在PCB电源入口端和电源输入和输出引脚来提高电源输入和输出的稳定性。

合适的电容值加上挑选的带能量供应芯片的参考电路,得出完整的电容选择。

图3 电源电路D. JTAG接口电路联合测试行动组织是一个国际标准测试准则,它主要用于芯片内部测试、系统仿真和调试。

这是一个嵌入式调试以排除故障的技术，并且特殊测试回路TAP(测试接入端口）装进了芯片中，内部节点是通过特殊JTAG测试工具进行测试。

目前,最复杂的组件的支持通过JTAG协议,如ARM、数字信号处理器、现场可编程门阵列和其它一些设备。

JTAG接口标准是四线连接:TMS、TCK、TDI和TDO 分别是测试模式选择、测试时间、测试数据输入和测试数据输出。

ARM7TDMI的调试接口基于基于IEEE的1149.1-1990标准和边界扫描系统结构的标准测试。

它包含高级调试特性的硬件,ARM在线模拟器得到了JTAG/ICE的支持。

芯片上的所有组件可以通过JTAG接口访问。

它常被用来实现系统编程功能,例如对FLASH 等设备编程。

特殊的在线模拟器指针:TDI、TDO TCK和TMS可以用于LPC2210实现ARM7TDMI接口,它提供了一个完整的低成本的模拟调试方案。

这系统使用一个20针的标准JTAG接口。

E.通信接口电路设计RS485收发器采用平衡发送和微分接待。

也就是说,在发送端将TTL电平信号转换成在差分信号输出;接收器将差分信号转化为TTL水平,因此它有抑制共模干扰的能力。

这个系统选择美国德州仪器公司的SN75LBC184接口芯片RS485设计和开发,它是兼容的微分数据收发器，它符合商业标准,芯片A和B别针与高能瞬变干扰保护装置相连,它可以瞬间承受超过400伏的电压,如闪电、静电放电和交流电。

从而显著提高设备面对瞬态过电压的可靠性,其驱动程序和接受功能表如图所示。

普通的RS485收发器面对过电压很容易损坏，如果我们想要有效地保护它,通常情况下,保护设备,如隔离的变压器是必要的。

如果我们用SN75LBC184,没有任何保护组件下输电线路直接连接,它提供了一个可靠的、低成本的、简单的设计计划。

SN75LBC184整合所有的预防措施在RS485芯片上应对各种故障,包括瞬态电压,电磁干扰,总线断路,热罢工等。

SN75LBC184能有效地抑制瞬态电压，如闪电等。

F.超声波测距电路设计超声波测距模块是一个的精确的电子测量装置,包括一个电子界面模块和两个根据模型选择的超声波传感器。

测距模块提供给原始设备厂商一个输出脉冲，输出脉冲的持续时间与脉冲在传输和接收换能器之间的时间成正比。

锁存器脉冲宽度由额外的电路应用程序处理要求的位置,水平、概要或厚度来决定。

当内部或外部触发时,目标距离最终限制了最大脉冲重复率。

当最大速度为150赫兹时，目标可能还不到一英尺远;参考单个模块说明书进行速率极限限制。

对于内部触发,脉冲重复率限制是通过一个外部设置的电阻器。

IV. 控制系统软件设计A.ARM汇编语言程序结构通常情况下,子程序的调用是ARM汇编语言的BL指令实现的。

当执行的指令时，它们完成以下操作:子程序返回地址保存在连接寄存器LR中,同时,使个人电脑调用子程序入口,当子程序执行完命令返回初始位置时,就复制返回地址为个人电脑存储在LR中。

ARM架构支持C /C++和汇编语言混合编程。

在一个整体的程序设计中,主要的编程任务是用C / C++完成,只有初始化部分是由汇编语言完成的。

当执行程序时,初始化程序首先执行,然后跳转到C / C++程序代码,一般来说,在汇编语言和C / C++程序之间是没有数据的传输。

HEF4094和74HC595是串行输入并行输出的移动寄存器,显然,串口驱动可以应用,但S3C44BOX串口资源有限,这时需要与上位机通信,所以用并行I / O端口建模为一个串行端口的方法来解决上面的问题。