基于热释红外的蚂蚁搜索机器人群智系统设计

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【摘要】本文针对搜索机器人如何快速，准确的进行搜索行动，提出一种以人体热释红外检测为引导的群智蚂蚁搜索机器人方案。该设计方案的蚂蚁搜索机器人，体积小，速度快。蚂蚁搜救机器人在搜索的过程中，通过红外信息，相互通信。每个蚂蚁搜索机器人在一定范围内，而且搜索的过程彼此独立，通过红外传感器实现不同蚂蚁搜索机器人之间不断进行信息交流和传递，从而能够相互协作，快速、准确的搜寻到幸存者。

【关键词】搜索;蚂蚁机器人;热释红外

一、引言

全世界灾害经常发生，带来了很大的影响。这些灾害不仅仅导致大面积房屋的坍塌等经济损失，更为严重的是直接影响到人身安全，当无法阻止灾难发生的时候，人类所能做的就只是将灾害带来的损失减到最小。灾难发生后需要尽快的将他们救出，因为时间越长，危险系数就会成倍的增加。

目前现有的搜索机器人，由于体积庞大，一般很难进入狭小空间进行搜索。而且现有的搜索机器人，是独自的搜索幸存者，机器人相互之间没有通信，搜索速度比较慢，搜索到幸存者所花的时间比较长。鉴于此，本文提出了一种群智机器人搜索方法，能有效避免现有的搜索机器人的局限性，通过相互协作，快速、准确的搜寻到幸存者。

二、蚂蚁搜索机器人的硬件电路设计

本设计基于MSP430微处理器，蚂蚁搜索机器人系统的组成主要包括微处理器部分、电源供电部分、电机控制部分、目标搜寻与检测部分、通讯部分。

1.热释红外检测电路设计

BISS0001为红外传感信号处理器，由运算放大器、状态控制器、时间定时器及电压源等构成的数模混合集成电路，可应用于传感器和延时控制器。本设计红外探测器采用热释电元件，对人体辐射出的10um左右波长的红外辐射非常敏感。传感器在接收到人体发出的红外辐射后，热释电元件就会向外释放电荷，经红外传感信号处理器处理后输出高电平。

当人体发出的微量红外线引起热释电红外传感的内部敏感元件温度变化时，传感器将在它的外接电阻R2两端产生一种微弱的电压信号，将S端信号接至BISS0001的前置运算放大器同相输入端1IN+进行放大滤波。经第一级放大处理后从OUT1引脚输出，由电容C1耦合至芯片内部二级运放器的反相输入端2IN-进行第二级放大，在BISS0001内部电路作双向鉴幅处理后有效地去触发延时定时器。

2.电源电路设计

如图2所示，本设计采用稳压管MCP1702给单片机MSP430提供一个稳定的3.3V电源。B+和B-两端分别连接320mA的锂电池的正负端。开关SSSS210810控制蚂蚁机器人的启动和停止。图中的电容均用来滤波，100nF的电容用来过滤低频波，4.7uF的电容用来过滤高频波。

3.电机驱动电路设计

如图3所示，本设计采用六个场效应管来控制两个电机，信号端M1、M2、MP、MN由单片机MSP430控制，连接具有10K的上拉电阻的VBATT处，因为单片机MSP430是由3.3v的稳压管供电，而VBATT处的电压为锂电源的两端电压高至4.2v。如果MSP430以3.3v驱动信号端M1、M2、MP、MN，可能会导致P型MOSFETS管不能彻底关断。

4.红外通讯模块

红外通讯模块由红外发射电路和接收电路两部分组成，通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。发射电路对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收电路用光学装置和红外探测器进行接收。

鉴于工作环境，蚂蚁搜索机器人优选长30mm、优选宽28mm，优选触角开关安装在机器人的前部，触角碰到障碍物就会被触动，红外发射管优选3个，彼此相差120度，红外接收管优选3个，彼此相差120度。

蚂蚁机器人的红外发射电路如图4所示。信号TX由单片机MSP430控制，当TX为高电平时，红外发射二极管点亮发射红外线;当TX为低电平时，红外发射二极管断开。

蚂蚁机器人的红外通信电路中的接收电路如图5所示。蚂蚁机器人用三个光敏二极管来接收各个方向的红外信号。接收红外线时，光敏二极管的电阻阻值变化幅度很大，只需要低灵敏度，所以选择拉电阻10K。单片机MSP430控制信号端BIAS1和BIAS2适当的转换这两种情况。电路中的交流耦合用来过滤由环境光所产生的直流。10K的电阻和330pF的电容构成高通滤波电路，用来过滤直流和低频交流信号。滤波器大概在1kHz处会有3dB的频率衰减。接收信号有叠加的直流信号，由于电阻R20和R21的分压，直流电压值为所提供电压的一半。每个光敏二极管的直流电压输入到单片机MSP430的PD1，PD2和PD3端。

三、蚂蚁机器人的软件设计

1.蚂蚁机器人的搜索方案设计

蚂蚁有3个红外信号发射管，3个红外信号接收管，红外信号发射管和红外信号接收管之间相差120度。通过红外信号传感器，蚂蚁相互之间通信，交换信息。

图6中，红色圆圈代表蚂蚁上的3个红外信号发射管，绿色圆圈代表蚂蚁上3个红外信号接收管，红色长方形代表热释红外传感器。

图7中，当1号蚂蚁搜索到目标后，发射红外信号，3号蚂蚁的1号接收管收到信号，2号蚂蚁1号接收管收到红外信号后分别转向，向1号蚂蚁行进。

图8中，当1号蚂蚁机器人和2号蚂蚁机器人都找到目标后，发出红外信息，3号蚂蚁机器人的1号接收管接收到1号蚂蚁机器人的红外信息，2号接收管接收到2号蚂蚁机器人的红外信息后，保持原来的方向前进。

图9中，当1号蚂蚁机器人、2号蚂蚁机器人和3号蚂蚁机器人都找到目标后，发出红外信息，4号蚂蚁机器人的1号接收管接收到2号蚂蚁机器人的红外信息，2号接收管接收到1号蚂蚁机器人的红外信息后，3号接收管接收到3号蚂蚁机器人的红外信息后，保持在原地不动，直到3个接收管接收到的信号发生变化。

图10中，红色1号蚂蚁机器人与绿色2号，4号，6号，7号蚂蚁机器人直接通信，与黄色3号，5号蚂蚁机器人间接通信。黑条表示障碍物。

图11中，红色1号蚂蚁机器人与绿色2号，4号，6号蚂蚁机器人直接通信，与黄色3号，5号蚂蚁机器人没有通信，3号，5号蚂蚁机器人丢失了。丢失的蚂蚁机器人按原路返回。黑条表示障碍物。

2.主程序流程图

在蚂蚁搜索机器人进入搜索场地之前，蚂蚁搜索机器人所有寄存器，传感器进行初始化。进入场地之后每个蚂蚁搜索机器人在搜索场地随机运动，而且彼此相互独立的搜索。如果有蚂蚁搜索机器人找到了目标，就发出红外信号，通知搜索场地的其他蚂蚁搜索机器人，让其他蚂蚁搜索机器人向它靠拢，该蚂蚁搜索机器人也向目标运动，直到到达目标，才停止运动，但继续发红外信号。如果蚂蚁搜索机器人没有找到目标，在随机运动过程中接收到了其他蚂蚁搜索机器人发出的已经找到目标的红外信号，则蚂蚁搜索机器人就向发出该信号的蚂蚁机器人行进并搜索目标，搜索到目标后发出红线信号，直到到达目标。

四、测试

测试在8X8的场地上进行，在场地上布置有障碍物，蚂蚁机器人通过触角开关避开障碍物，当蚂蚁机器人遇到障碍物时，触角开关被触发，蚂蚁机器人就转弯，从而避开障碍物。一开始蚂蚁机器人在场地内随机在搜寻。

如图13所示，4号蚂蚁机器人首先找到目标，找到目标后，发出红外信号，通知其他蚂蚁机器人。附近的5号，7号，1号接收到红外信号后，向4号蚂蚁机器人前进。

如图14所示，5号，7号，1号收到信号，向4号蚂蚁机器人前进。5号，7号，1号向目标前进的同时，发出红外信息，通知较远处的其他蚂蚁机器人。

如图15所示，最后所有的蚂蚁机器人全部到达目标。

五、结论

实验研究表明本设计提供的蚂蚁机器人具有体积小、灵活性高等优点，机器人可通过相互协作、快速、准确的搜索到幸存者。这种多机器人的搜索系统比单个机器人搜索系统对灾难造成的狭窄空间或狭窄入口等复杂地况具有更强的优越性，使用该搜索系统可以大大节省搜索时间，提高搜索效率，为幸存者获救争取宝贵的时间。

参考文献

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作者简介：

施皖（1990―），江苏常熟人，大学本科，现就读于常熟理工学院。

通讯作者：毛丽民（1981―），江苏常熟人，硕士，讲师，主要从事机器人技术、目标跟踪的研究。