外文原文
Rescue Robot under Disaster Situation: Position Acquisition with Omni-directional Sensor
Abstract-This paper proposes a network system and an algorithm for a rescue robot to obtain its position under collapsed area. The network system consists of communication tags put dynamically by the rescue robot in its rescue activities. According to the temporary tags, the system constructs temporary communication infrastructure and obtains geometrical information of the area. In particular, to get the position of the rescue robot, our algorithm employs “angle” obtained from Omni-directional Sensor mounted on the communication tag. The use of the “angle” information leads a significant decrease in the error in estimating tagsrsquo; location. In this paper, the feasibility of our system and algorithm is confirmed with the simulation.
1.INTRODUCTION
Many rescue robots have been developed to rescue people from a disaster area such as collapsed buildings and underground areas. By introducing the rescue robot, it may help to prevent victims from being involved in a secondary disaster. This paper addresses a rescue robot system to achieve rescue effort more effectively.
Under the situation of the disaster, the rescue robot faces serious difficulties when communicating via wireless network. For instance, the rescue robot cannot communicate under collapsed underground area when the existing communication infrastructure in the area has been damaged by the disaster. In addition, there is another difficulty that it is hard for rescue robot to obtain its current position.
The method to solve these two problems is to construct a sensor network dynamically by placing sensor nodes. Sensor nodes, which will be used to obtain the position of the rescue robot, requires a measurement device to determine the location of each sensor node. The use of GPS is the most popular solution to get the position. However it is inappropriate for the indoor use because GPS signal is too week under a ceiling. In addition, the cost of mounting the GPSon every node must not be overlooked. Because of the disadvantages of GPS, the sensor nodes must employ a method to get the position in the Sensor Network without using GPS. There are three general categories in the method: 1) getting the coordinate from the accessible range of beacon [2], 2) getting the coordinate from the minimum value of the error between an estimated coordinate and a measured value [l], 3) getting the coordinate from triangulation [3]. Each of these methods computes the coordinate using the “distance” obtained from a property radio waves (i.e. radio field intensity or TOA (Time of Arrival)). However, radio waves are affected by RFI (Radio Frequency Interference) in collapsed buildings or the collapsed underground areas. The degree of a measurement error increases according to RFI, so it is not appropriate to compute coordinate using the “distance” in the circumstance of a disaster.
The purpose of this paper is to construct a network system for the rescue robot working under a situation of a disaster. In particular, a communication infrastructure is constructed dynamically by placing communication tags when the rescue robot working on its rescue activities. To acquire position of the rescue robot, the network system employs “angle” obtained from the image captured by Omni-directional Sensor mounted on the communication tag.
This paper is organized as follows. Section I1 describes the problems under the situation of a disaster and the outline of our approach. Section 111 explains the details of our approach. Section IV shows the results of the simulation. Section V concludes this paper. Finally, section VI discusses future work.
2.LOCALIZATION ESTIMATE IN DISASTER AREA
A. Disaster Area
Under the situation of the disaster, the rescue robot faces the following two problems when communicating through a computer network:
- Problem1:
The rescue robot cannot communicate through wireless network when the it gets under the collapsed buildings or collapsed underground areas; the existing communication infrastructure collapsed.
Of course, the robot can communicate if the robot and the control computer are connected with a wired network directly. But using a wired network is not a good idea because it restricts the robotrsquo;s area of activity.
- Problem2:
It is difficult to get the position of the rescue robot because the geographical information in the building or the underground area has probably changed. Generally, to get the robotrsquo;s position, the method of placing sensors beforehand is adopted, but these sensors are most likely damaged by the disaster.
B. Our Approach
As describe in the previous section, there are two problems under the situation of the disaster. Therefore, to solve these problems, the two following things should he achieved:
1) To construct the communication infrastructure
2) To get the position of the rescue robot
Building a sensor network dynamically is the solution for the two problems. By building it, temporary communication infrastructure can he constructed, and it is possible to get the position of the sensor nodes and the rescue robot if the sensor nodes have measure equipment and use measuring algorithm. In our system, to acquire the position of the rescue robot, our algorithm employs “angle” obtained from Omnidirectional Sensor mounted on the communication tag.
System Configuration
Our approach consists of the communication tags that are placed dynamically, the rescue robot that places the communication tags, and the server (Fig.1):
- communication tag
The communication tag is equipped with following: .
- Omni-directional Sensor
- LED to send ID .
- Robot
The robot is equipped with following:
-Two
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灾害救援机器人：全方位位置采集传感器
摘要——本文提出了一种救援机器人在塌陷区获取位置的网络系统和算法。网络系统由救援机器人在救援活动中动态标注的通信标签组成。根据临时标签，系统构建临时通信基础设施，获取区域的几何信息。特别是，我们的算法利用安装在通信标签上的全向传感器获得“角度”，来获得救援机器人的位置。使用“角度”信息会显著减少标签位置估计中的误差。在本文中，我们的系统和算法的可行性是经过模拟与证实的。
- 简介
许多救援机器人已经被开发用以将人类从诸如倒塌的建筑物和地下等灾难现场救援出来。通过引入救援机器人，它可能有助于防止受害者参与二次灾难。本文讨论了救援机器人系统，以更有效地实现救援工作。
在灾害的情况下，当使用无线网络通信时，救援机器人将面临严重的困难。例如，当该地区现有的通信基础设施已被灾难破坏时，救援机器人无法在倒塌的地下区域取得沟通。此外，还有另外一个困难就是救援机器人很难获得其当前位置。
解决这两个问题的方法是通过放置传感器节点动态构建传感器网络。传感器节点将被用于获得救援机器人的位置，这需要一个测量装置用以确定每个传感器节点的位置。获取位置最流行的一个解决方案就是使用GPS。然而，这不适合室内使用，因为GPS信号在天花板下信号太弱了。此外，在每个节点上安装GPS的成本也不容忽视。由于GPS的缺点，传感器节点必须采用一种方法，在不使用GPS的情况下来获得传感器网络中的位置。方法有三类：1）从信标的可达范围获取坐标，2）从估计坐标和测量值之间的误差的最小值获取坐标，3）从三角剖分得到坐标。每个这些方法计算的坐标使用的“距离”从无线电波获得（即磁场强度或TOA（到达时间））。然而，无线电波在倒塌的建筑或倒塌的地下区域受RFI（射频干扰）。据RFI增加测量误差的程度，所以不适合在灾难情况下使用“距离”计算坐标。
本文的目的是为在灾害情况下工作的救援机器人建立一个网络系统。特别是，通信基础设施，动态地放置通信标签时，救援机器人的救援活动。为了获取救援机器人的位置，网络系统采用安装在通信标签上的全向传感器获取图像的“角度”。
本文的结构如下。第2节描述灾难情况下的问题与我们方法的概述，第3节解释了我们方法的细节，第5节显示模拟结果，第五部分总结本文，最后，第6节讨论未来的工作。
- 灾区定位估计
- 灾区
在灾害情况下，救援机器人通过计算机网络进行通信时将面临以下两个问题：
- 问题1：
当它进入倒塌的建筑物或倒塌的地下区域并且现有的通信基础设备崩溃时，救援机器人无法通过无线网络通信。
当然，如果机器人和控制计算机直接连接有线网络，机器人就可以通信。但是使用有线网络不是一个好主意，因为它限制了机器人的活动范围。
- 问题2
救援机器人的位置很难获得，因为建筑物或地下区域的地理信息有可能发生变化。一般来说，为了获得机器人的位置，会采取事先放置传感器的方法，但这些传感器极有可能被灾难破坏。
- 我们的方法
如前一节所述，灾害形势下存在两个问题。因此，要解决这些问题，就应该做到以下两点：
1）构建通信基础设施
2）获得救援机器人的位置
动态构建传感器网络是解决这两个问题的关键。通过构建它，可以构建临时通信基础设施，如果传感器节点具有测量设备和使用测量算法，就可以得到传感器节点和救援机器人的位置。
在我们的系统中，我们的算法利用安装在通信标签上的全向传感器获得“角度”，来获得救援机器人的位置。
系统配置
我们的方法包括：设置动态通信标签，放置通信标签的救援机器人和服务器（图1）：
- 通信标签
通讯标签配备如下：。
-全方位传感器
-发送ID的LED
- 机器人
机器人配备以下：
-两个通信标签
机器人有两个由机器人放置在地面的相同的通信标签。
-基准长度：R
两通信标签之间的距离为r，并且两个通信标签安装在确定的水平高度。
- 服务器
服务器记录通信标签和机器人的计算坐标。如果有需要，服务器会创建一副地图。
机器人进入倒塌的建筑物，并将通信标签动态地放置在地面上，通信基础设施由通信标签构建的自组织网络构成。此外，每个放置在地面上或安装在机器人上的通信标签使用以下数据计算坐标：
- 邻角通信标签
为了获得角度，每个通信标签都发现由全向传感器捕获的图像中的其他标签的LED。
- 参考长度：R
本文第三节介绍了如何使用此数据计算坐标。
全方位传感器
本节描述了全向传感器，它在我们的系统中扮演着一个很重要的角色。全方位的传感器如图2所示，顾名思义，它可以捕获所有方向的图像（约360）。图3显示捕获的图像，定义黑色线为0”的方向，我们称它为“传感器轴”。角度从传感器轴逆时针方向增加到360度。
- 灾区的动态定位估计
在这一节中，本文介绍了如何使用全方位传感器获得的“角度”计算坐标。
A.建议的算法
在我们的方法中，救援机器人动态地放置通信标签。通信基础设施的建设由通信标签构建的ad-hoc网络构成。坐标由以下过程计算。
1、机器人放置第一个标签
第一个标签被称为“参考标签”。
- 参考标签定义为我们的系统坐标平面的原点。
- 参考标记的传感器轴定义为坐标平面的X轴。（即从传感器轴Y轴90逆时针）
- 机器人的协调和通信标签都在这个平面计算。
2、机器人得到坐标
参考标签可以得到机器人的坐标，只要参考标签的全向传感器可以看到机器人。在本文中，机器人的坐标意味着安装在机器人上的两个通信标签的坐标。
在图4中，节点和节点B显示安装在机器人的通信标签。通信标签B使用下列公式计算其坐标。方程（1）是由正弦定理导出。
通信标签B通过ad-hoc网络从通信标签B获得方程（1）（2）中的角度A。
如果theta;等于1/ 2pi;或3 / 2pi;，Yb的计算方法是使用正弦定理和判断sintheta;的正负：
(4)
这个方程也衍生出正弦定理。sintheta;决定正负。
通信标记A以类似的方式计算其坐标。
3）机器人放置第二个标签
第二标记调整传感器轴以与参考标记的方向相同。如果第二标签传感器的轴方向的参考标签一样，theta;和gamma;之间的关系是theta;-gamma;=pi;，这在图5中说明。
如果第二个标记的传感器轴与第一个标签不同，有两种可能的情况。第一种情况是a）theta;-gamma;le;pi;和第二情况b）theta;-gamma;gt;pi;，表明参考标记和第二标记传感器轴之间的差异alpha;的计算：
在调整传感器轴之后，第二个标签使用角度和另外两个传感器标签坐标来计算坐标。
如图8，P2的节点坐标是在假设已知节点PA和节点Bd的坐标下计算。
通过节点P2和节点Pa的直线是
通过节点P2和节点Pb的直线是
因此，它有可能通过计算这两条线的交点得到节点P2坐标（X2，Y2）：
(7)
如果gamma;(或者theta;)等于1/2pi;或者3/2pi;,节点坐标p2(x2, y2) 如下计算：
(8)
如图所示，第二个标签使用两个相邻的通信标签与已知坐标计算其坐标。然而，由于第二个标签只有一个参考标记，它必须使用安装在机器人上的通信标签之一。因此，在放置第二个标签之前，机器人需要通过执行程序2来获得坐标。
4）机器人放置更多标签
为了得到坐标我们的系统重复程序3。
如前所述，我们的方法允许我们只使用“角度”（方程（2）到（8））获得位置。值得注意的是，如果三个通信标签位于同一行，坐标是不可计算的，因为既没有可用的方程（2）也没有可用的方程（7）。
B.讨论
在这一节中，我们考虑使用“角度”的全向传感器的优点和缺点。
- 优势
—小错误
我们的系统可以通过使用全方位传感器得到准确的“角度”。
—地形信息
在我们的研究中，全向传感器只能捕捉上侧图像。因此，它可能发生全向传感器A可以找到全方位传感器B，但B找不到A的情况（图9）。我们的系统可以通过运用这种现象得到地形信息。
图9中，我们的系统获得的地形信息是B放在比A更高的位置。
－捕获图像的附加信息
我们的系统可以获得从全方位传感器捕获的图像的附加信息。我们的系统可以利用这些信息，以获得灾难的情况。
- 缺点
—凹面中的通信标记
灾难现场的地形很可能不是平坦的平面，它会非常不平，有许多障碍物。如果救援机器人将通信标签分别放置在地面的不同凹处，这些通信标签就无法计算其坐标，因为他们找不到其他两个通信标签。因此，为了避免这一点，救援机器人必须小心地放置在斜坡上的几个传感器（通过这样做，在凹面上的通信标签能够找到斜坡上的另一个通信标签。
5。模拟
本节说明了我们使用模拟的算法是可行的。仿真由一个存储所有的机器人和通信标签的坐标的模拟服务器构成。仿真服务器工作如下。
- 机器人移动或放置通信标签时，服务器存储通信标签和机器人的所有坐标。
- 服务器将用存储坐标计算的角度反馈给请求者。
当机器人或通信标签计算坐标时，会向模拟服务器请求角度。然后他们使用模拟服务器提供的角度计算坐标。
从图10到图12表明仿真结果。两个节点和一个直线连接这两个节点表示机器人，单个节点表示通信标签。通信标签有一条短直线，表示传感器轴（在这些图中不可见）。
图10演示程序2在第3节中，机器人放置参考标签和检索其坐标。参考标记的传感器轴对准屏幕的X轴。机器人使用参考标签的角度和机器人的参考长度R计算其坐标。
图11显示了机器人的放置第二个标签和第三个标签。将n个标签之前，机器人通过从（n - 1）和第（nge;2）标签获取信息计算其坐标。因此，第二标记可以使用参考标记和安装在机器人上的通信标记之一来计算坐标。
图12显示了机器人放置十个通信标签重复以前的程序。
我们的模拟结果表明，使用“角”得到坐标是可行的。
6．结论
本文提出了一种网络系统和算法的救援机器人，以获得其在倒塌地区的位置。网络系统由动态救援机器人的通信标签组成。根据临时标签，该系统构建临时通信基础设施，并在该地区获得几何信息。为了获得救援机器人的位置，网络系统运用了从安装在通信标签上的全向传感器获取的图像的“角度”。我们的系统和算法的可行性已经被仿真证实。
7.将来的工作
目前，我们正在安装我们提出的硬件系统（图13）。我们的系统采用PC / 104 板制作通信标签。在AdHoc网络中，我们考虑利用协议。一旦我们完成我们的系统到硬件的安装，我们将在灾难测试领域检查我们的系统。
我们的最终目标是帮助灾区进行疏散，通过使用我们的通信标签获得的信息更有效地进行。
救援机器人的多传感器控制系统发展
摘要
由于大型灾难的可能性的增加，如地震、滑坡、建筑物爆炸、倒塌等，必须发展在危险环境中拯救人类生命的救援机器或机器人。救援机器人最重要也是最困难的任务就是实现对人体部分的“直接抓取”。作者尝试在救援机器人的发展上实现对人体部分的处理。这种机器人通过分布式触觉传感器、力/力矩传感器、滑动传感器和视觉传感器去控制，而不会给幸存者带来伤害。本文介绍了救援机器人系统的概念。
关键词：救援机器人，多传感器触手，人体部
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