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智 ½ 机 器 人 的 研 究
王 宇 龙 ， 熊继 军 ，张 文 栋
（ 北 工 学 院微 纳 米研 究 中心 ， 山 西 太原 ０ ０ ５ ）
华
３ ０ １
Ｅ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ＠ １ ． ½
— ½： ½ ½ ½ ½ ½½ ３ ½ ½
６
摘 要 ：随 着 ＭＥ
ＭＳ技 术 的 发 展 ， 察 传 感 系 统 的 微 型 化 、 ½ 化 成 为 可 ½ ， 型 机 器 人 成 为
侦
智
微
ＭＥ
ＭＳ技 术 军 事 应 用 的 一 个 重 要 发 展 方 向 。本 文 根 据 ½ 内外 发 展 现 状 开展 了基 于 ＭＥ
ＭＳ技 术 的
智 ½ 机 器人 研 究 。 首 先 论 述 了智 ½机 器 人 关 键 技 术 ， 逐 一 提 出 了解 决 办法 ， 此 基 础 上 设 计 了一
并
在
种 以磁 、 和 红 外 传 感 器 为基 础 的 ， 用 Ｄ Ｐ技 术 的 智 ½ 机 器 人 。该 智 ½机 器人 可 用 于 军 事 目标
声
采
Ｓ
侦察和识 别。
关 键 词 ： 智 ½ 机 器 人 ； 传 感 器 ； 微 机 电 系 统
中 图分 类 号 ：ＴＰ ４ ． 文 献 标 识 码 ： Ａ
２２ ６
文章 编 号 ：１ ７ ７ ６ ２ ０ ）０ ／ ８ ０ ６ —３
６ 卜４ ７ （ ０ ３ ７ ０ —５ ７ ０
Ｒ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½ ½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½
½
Ｗ ＡＮＧ —½ ½。 ＸＩ
Ｙ½ ½ ½
ＯＮＧ ½ ½
½— ½， ＺＨＡＮＧ ½ — ½ ½
½
Ｗ ½½ ½
（ ½ － ½ ½ ½½ ½½ ½ ½ ½½ Ｎ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ Ｔ ½ ½ ½½
Ｎ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ Ｒ½ ½ ½½ Ｃ ½ ½ ，
½
½½ Ｃ ½ ½ Ｉ ½½½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½， Ｔ ½ ½ ½ ３ ０ ， Ｃ ½ ½
½ ½ ½ ０ ０ ５
１
½½ ）
Ａ½½ ½ ½ ：
½ ½ ½ Ｗ ½ ½ ½ ½ ½
½ ½½ ½½ ½ ½½½ ½ ½ ＥＭ Ｓ，½ ½ ½½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½½½ ½ ½½ ½½½ ½ ½ ½
½½ ½ Ｍ
½½ ½ ½ ½½½½ ½ ½
½ ½½ ½ ½½½ ½½½ ½½½
½ ½
½ ½ ½½½ ½ ½ ½
½½ ½ ½½½½ ½ ½ ½
½ ½½ ½ — ½½½½½½ ½½ ½ ½½ ½ ½½½ ½ ½½ ½ ½ ½½ ½½ ½½ ½ ½ ½ ½½ Ｉ ½ ½½½
½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½½½½ ½ ½ ½ ． ½½ ½½ ½½
½
½½½ ½ ½ Ｍ ＥＭ Ｓ ½ ½ ½½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½
½ ½½ ½
½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½½ ½½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½ ½½½ ½½½
½ ½ ½½ ½ ½½ ½—
½ ½ ½ ½ ½ ． Ｔ ½½ ½½ ½ ½½½½
½ ½ ½ ½ ½
½½ ½
½½½ ½½½
½½½ ½½½½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½½ ½ ½½½ ½ ½½ ½ ½½ ½½
½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½½ ½½½
½½ ½ ½ ½ ½ ½
ＤＳ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½½ ½ ½½½ ½ ½ ½
Ｐ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½ ½ ½½ ½½ ．
Ｋ½ ½
½ ½½ ½½： ½ ½ ½½½ ½ ½
½½ ½½ ½ ½½½½ ½ ½½
； ½ ½½； Ｍ ＥＭ Ｓ
１ 引
言
２
Ｏ世 纪 ８
Ｏ年 代 末 ， 门 新 颖 、 特 、 具 神 奇
一
独
颇
进 行 目标 信 息 采 集 、 析 、 输 以 及 目标 识 别 ， 时
分
传
同
可 进 行 机 动 目标 攻 击 ， 用 于 目标 识 别 和 特 殊 环 境
可
下态势分析 。
色 ½ 的科 学 技 术 悄 然 兴 起 ， 起 世 界 各 ½ 的 广 泛 关
引
注 和 重视 ， 纷 投 入 巨 资 进 行 研 究 ， 就 是 ＭＥ
纷
它
ＭＳ
技 术 。短 短 十 几 年 ， ＭＳ技 术 已 成 为 ２
ＭＥ
１世 纪 的
２ 系 统 概 述
该 智 ½ 多 用 机 器 人 是 以 ＤＳ
Ｐ处 理 技 术 为 基 础 ，
前 沿 战 略科 技 。大 凡 先 进 的科 学 技 术 往 往 ½ 率 先 应
用 于 军 事 领 域 ， ＭＳ技 术 也 不 例 外 。 ½这 种 技 术
ＭＥ
崭 露 头 角 之 时 ， 们 就 已窥 视 到 了其 在 军 事 领 域 应
人
以各 种 传 感 器 为 神 经 ½ 络 的 智 ½ 机 器 人 ， 四 肢 ½
它
全 ， 聪 目 明 ， 有 一 定 思 维 、 觉 、 觉 、 别 以 及
耳
具
感
知
识
分 析 和判 断 ½ 力 ， 简 单 模 仿 人 的 功 ½ 。它 是 在 微
½
用 的 广 阔 前 景 。发 达 ½ 家 纷 纷 投 入 大 量 的 人 力 、
物
力 和 财 力 ， 发 ＭＥＭＳ技 术 在 军 事 领 域 的应 用 。在
开
系 统 集 成 制 造 的 基 础 上 ， 信 息 采 集 、 析 、 递 以
融
分
传
及 攻 击 ½ 令 执 行 于一 ½ 的微 型 战 斗 单 元 。
该 机 器 人 系 统 内部 安 装 有 摄 像 机 、 音 和 面 部
语
识 别 系 统 、 线 信 息 传 输 系 统 ， 用 声 、 动 和 红 外
无
采
震
三 种传 感 器 和 数 码 相 机 进 行 目标 侦 察 和识 别 。机 器
这 种 背 景 下 ½ 者 设 计 了 一 种 以磁 、 和 红 外 传 感 器
声
为基 础 的 ， 用 Ｄ Ｐ处 理 技 术 的 智 ½ 化 机 器 人 。该
采
Ｓ
智 ½ 机 器 人 ， 拟 人 功 ½ ， “ ” “ ” ½ 代 替 人
有
½ 听 会 看 ，
收 稿 日期 ： ２ ０ — ５ １
０ ３０ — ５
厶 “ — ／½ ½Ａ½½２０
½
如 Ｊ½ ½½½０３
½
・
目
微纳电子技术 ０３
２０ 年第７８
／ 期
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人 的 眼 睛½ 用 两个 Ｃ
ＣＤ数 码 相 机 ，
它不 ½ ½ 够 捕 捉
到 逼 真 、 时 到 的 图 像 ， ½ 够 对 这 些 图 像 进 行 识
适
还
别 。通 过 它 ， 器 人 ½ 够 很 平 稳 地 行 走 ， 会 被 障碍
机
不
物 撞 倒 。通 过 它 ， 器 人 还 ½ 够 找 到 熟 悉 的 目标 容
机
貌 ， 量 ½ 此 之 间 的距 离 后 接 着 靠 近 这 个 目标 ， 测
测
探
先 启 动 震 动 传 感 器 ， 由震 动传 感 器 “ 班 ” 红 外 和
即
值
，
声 传 感 器 处 于休 眠 状 态 ， 旦 震 动 传 感 器 接 受 远 距
一
离 运 动 目标 传 来 的 震 动 信 号 发 现 目标 并 经 识 别 后 ，
信号处理器马 上唤醒“ 眠”
休
的传 声 器 和 红 外 传 感 器
进 行 工 ½ ， 定 出 目标 的运 动 状 态 并 经 单 片 机 处 理 ，
确
该 目标 信 息 或 者 执 行 攻 击 性 ½ 令 。震 动 传 感 器 为
“ 警 ” 感 器 ， 来 发 现 远 处 的 目标 ， 别 目标 类
预
传
用
识
型 。 ½ 判 断 是 所 探 测 的 目标 时 ， 动 声 传 感 器 和 红
启
外 传 感 器 。声 传 感 器 用 于 对 目标 进 行 识 别 和 定 ½ ，
红 外 传 感 器 在 目标 一 进 入 视 场 范 围 便 送 出 引 爆 信
号 ， 制 起 爆 时 间和 炸 点 ½ ½ 。
控
２ １ 系 统 功 ½
．
发 出引 爆 信 号 启 动 指 令 。
３ １ “ 警“
． 预
系统
震 动探 测 器 由震 动 传 感 器 、 控 电路 、 征 提 取
守
特
器、
目标 类 型识 别 器 等 组 成 。守 控 电路 又 由放 大 器 、
滤 波 器 和 自适 应 模 块 组 成 。 在 无 目标 的 情 况 下 ，震
动 探测 器 只 有 守 控 电 路 工 ½ ， ½ 电流 很 ½ 。 自适
工
应 模 块 具 有 判 定 有 无 目标 和 抗 恶 劣 环 境 的功 ½ 。 ½
该 机 器 人 是 在 微 系 统 集 成 制 造 的 基 础 上 ， 信
融
息 采 集 、 析 、 递 以 及 执 行 攻 击 ½ 令 于 一 ½ 的 微 型
分
传
单 元 。无 数 该 机 器 人 可 分 布 在 战 区 的 各 个 ½ ½ ，
机
器 人 之 间 以及 机 器 人 与 指 挥 室 之 间通 过 无 线 通 讯 ½
成 整 ½ 的战 斗 ½络 。每 个 智 ½ 机 器 人 可 通 过 振 动 、
守 控 电路 判 定 有 目标 时 ，接 通 震 动 模 拟 电 路 和 数 字
电 路 ， 定 目标 类 型 ， 是 攻 击 目标 ， 接 通 红 外 探
判
如
就
测 器 和 声 探 测 器 电路 的 电源 。
３ ２ 声 探 测 系 统
．
为实现½ 功 耗 ， 时声 探 测器 处 于 休 眠 状 态 。
平
½声 探 测 器 的 电 源 被 接 通 时 ， 探 测 器 开 始 工 ½ 。
声
声 、 外 等 传 感 器 在 前 沿 或 敌 后 阵 地 感 知 敌 方 部 队
红
及 装 备 的部 ½ 和 移 动 情 况 。 一 方 面 ， 器 人 通 过 信
机
息 的 实 时 融 合 和 处 理 ， 别 出 目标 的 特 征 并 通 过 无
识
线 传 输 报 告 指 挥 部 ； 一 方 面 ， 器人 可 以在 ½ 伏 地
另
机
域 接 受 指挥 部 的 ½ 令 ， 战 斗 单 元 上 的 电 子 点 火 器
½
工 ½ ， 向实 ½ 对 敌 攻 击 。
定
½环 境 噪 声 达 到 一 定 强 度 时 ，
目标 识 别 电 路 开 始 对
环 境 噪 声 进 行 识 别 ， 有 目标 后 ， 通 过 目标 识 别 系
判
便
统 与 存 储 的 目标 数 据 进 行 比 较 ， 断 目标 的 型 号 及
判
运 动 状 态 。工 ½ 原 理 见 图 ２ 如 是 攻 击 的 目标 ，
。
则
启 动 定 ½ 电路 。
３ 工 ½ 原 理 和 系 统 组 成
本 系统 是 震 动 、 、 外 三 种 传感 器 组 成 的复 合
声 红
探 测 器 。震 动 传 感 器 进 行 预 警 ， 传 感 器 进行 识 别 、
声
定 ½ ， 外 传 感 器 进 行 引 爆 。其 原 理 图 如 图 １
红
。首
图 ２ 声 探 测 系 统 工 ½ 原 理 图
声 探 测 器 定 ½部 分 的 工 ½ 原 理 如 图 ３
。首 先 通
过 传 声 器 阵列 获 得 目标 的 空 间 信 息 ， 目标 一 般 需
对
图 ３ 定 ½ 部 分 工 ½ 原 理 图
三 个 阵 元 。通 过 数 字 信 号 处 理 滤 除 无 关 的 噪 声 ，
然
后 送 人 相 关 器 ， 计 出各 个 阵元 之 间 的 时 延 ， 通 过
估
再
定 ½ 设 算 法 算 出 目标 的 空 间 ½ ½ 。 由定 ½ 算 法 直 接
得 到 的 空 间½ ½ 坐标 ， 方差 很 大 ， 需 通 过后 ½ 处
其
还
理 ， 多次观测的数据相关联进行 判断 ，
将
以减 ½ 目标
的 方 差 。卡 尔 曼 滤 波 是 被 广 泛 采 用 的 后 ½ 处 理 方
图 １ 工 ½ 原 理 图
法 ， 卡 尔 曼 滤 波 器 输 出 的 目标 方 ½ ，距 离 被 送 到
进
ＤＳ
Ｐ系 统 ， 据 战 术 要 求 选 择 最 ½ 时 机 对 目标 进 行
根
微 纳 电子 技 术
２０
０ ３年 第 ７ ８期
／
＠
聊 啪 如 ， ＪＩ ½½½０３
一 厶聊 ½ ½Ａ½½２０
如
½
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攻击 。
技 术 。 （ ） 布 的微 智 ½ 机 器 人 之 间 以 及 机 器 人 单
５分
元 与 控 制 中心 之 间 的 无 线 通 讯 是 实 现 微 机 器 人 无 人
３ ３ 红 外 探 测 系统
．
红 外 探 测 器 由 红 外 传 感 器 、 大 器 、 波 器 和 信
放
滤
号 处 理 、 制 电 路 组 成 。红 外 探 测 器 的 数 字 电 路 与
控
震 动探 测 器 共 用 。红 外 探 测 器是 利 用 目标 运 动 时 产
生 的红 外 辐 射 ， 目标 进 行 探 测 。 ½ 红 外 探 测 器 探
对
值 守 功 ½ 的关 键 。研 究 通 讯 信 号 基 带 处 理 技 术 和 射
频 相 关 技 术 ， 制 小 型 化 的 、 功 耗 的无 线 发 射 集 成
研
½
模 块 ， 用 ＲＦ ＭＥ
½
ＭＳ期 器 件 ， 究 如 ½ 提 高 发 射
研
的信 噪 比以 及 数 据 传 输 率 ， 现 远 距 离 传 送 ； 外 ，
实
另
实 现 分 布 的 微 战 斗 单 元 之 间 的 ½ 络 化 连 接 ， 现 信
实
息 共 享 也 是 该 项 研 究 的一 个 内 容 。研 究 采 用 类 似 于
Ｉ
Ｐ寻 址 的方 式 连 接 一 个 局 部 地 区 所 有 的 微 型 机 器
人 ， 而 ½ 成 一 个 局 部 ½络 。
从
测 到 目标 时 ， 即产 生一 个 脉 冲引 爆 信 号 。
立
４ 关 键 技 术
制 造 微 型 智 ½ 机 器 人 的 关 键 技 术 ： １ 机 电设 备
（）
微型化 ， 括 微传感器 、 机 、 像 和其它有关部件 。
包
电
摄
我 们 可 选 用 基 于 ＭＥ
ＭＳ技 术 的 微 型 器 件 。 （ ） 型
２微
５ 结 束 语
我 们 所 设 计 的 微 型 智 ½ 机 器 人 有 效 弥 补 了传 统
侦 察 系 统 测 量 精 度 不 够 、 别 率 ½ 、 警 率 高 的 缺
识
虚
陷 。 它 不 仅 可 用 于 军 事 目 的 ， 可 应 用 于 民 用 探 测
还
动 力 ， 求 其 动 力 装 ½ 既 ½ 装 在 微 型 机 器 人 内 ， ½
要
又
储 备 足 够 的½ 量 ， 长 时 间 工 ½ 。 一 方 面 我 们 可 应
供
用 太 阳½ 供 电技 术 ， 一 方 面 可 设 计 两 种 状 态 ， 无
另
即
目标 出现 时 的 空 闲态 和 有 目标 出现 时 的 工 ½ 态 。研
究 在 空 闲态 时 如½ 让 大 部 分 传 感 器 和 控 制 、 理 、
处
通
器 材 等 领 域 。这 种 机 器 人 具 有 全 天 候 、 成 本 、 功
½
½
耗 、 做成 小 鸟 、 头 等 外 型 、 易 被 发 现 、 ½ 性 干
可
石
不
隐
扰 等 独 特 的优 点 。大 力 发 展 这 种 ½ 成 本 、 性 ½ 的
高
微 机 器 人 探 测 系 统 ， 未 来 战 争 中 ， 仅 具 有 战 术 ½
在
不
用 意义 ， 且也具有战 略威慑意义 。
而
参考文献 ：
［ ½ Ｍ ＡＩ ＡＲ ＮＧ Ｐ ＴＲＥ Ｊ Ｓ Ｅ Ｃ ＹＫ
１
ＮＷ
ＮＩ
Ａ， ＯＩ
ＡＳ
，Ｚ Ｗ Ｚ
Ｒ，½ １
½ ．
½
Ｗ ½ ½½ ½ ½ ½½ ½ ½½½½½ ½½½ ½½½ ½［ ．Ｗ Ｓ
½ ½ ½½½ ½ ½½½ ½ ½ ½ ½
½
½ ½½ ½½½
½ Ａ½
ＮＡ
０ ½½
２［ ．Ａ½ ½ ½ Ｇ½ ½½，ＵＳ ，２ ０ ．
½ ½ ， ½ ½½
½
Ａ
０ ２
讯 电路 处 于 “ 激 活 ” 的功 ½ 。在 进 行 总 ½ 方 案 设
非
态
计 时必 须 同 时 研 究 各 组 成 模 块 的½ 源 分 配 。 （ ）
３ 识
别 系统 。 为 了 减 少 数 据 的 传 递 量 ， 少 被 干 扰 和 泄
减
密 的可 ½ 性 ， 个 稳 如 泰 山 的 微 战 斗 单 元 独 立 完 成
各
目标 识 别 是 必 不 可 少 的 。其 核 心 技 术 是 实 现 多 传 感
器 的信 息 融 合 ， 依 据 所 提 炼 的 目标 特 性 的模 型 实
并
现 目标 的识 别 。多 传 感 器 系统 至 少 应 该 识 别 的 目标
包 括 人 、 式 ½辆 、 带 ½辆 以及 移 动 目标 的大 致 数
½
履
量 、 进 方 向 。在 此 我 们 采 用 了嵌 入 式 信 息 处 理 系
前
统 ＤＳ
Ｐ。嵌 入 式 系统 具 有 高 可 靠 性 ， 时 处 理 ½ 力
实
［ ½ ＮＡＧＥ Ｄ Ｊ Ｍ½½½½ ½ ½½ ½［ ½ Ｍ½½ ½½½½ ½½Ｊ ½—
２
Ｉ ． ½½ ½ ½ ½½½ ½½ Ｊ ．
½½ ½ ½½½ ½ ½
½
½ ½
½ ，２０ ２，３ １ — １ ．
０
３： ０７ １ ９
［ ½ Ｓ ½ ½½ ，Ｂ ½½ ½ Ｍ ，Ｄ½ ½
３ ½½ ½½Ｍ
½ ½
½
½½ ½ Ｄ． Ｔ½ ½½½ ½ ½ ½½ ½
½½ ½ ½½ ½ ½
½ ½½½ ½½ ½½ ½ ½ ½ ½ ½½ ［ ½ Ｔ½½ ½ ， ２ ０ ， ６：
½ ½ ½½ ½½ ½½ ½ ½½½½ Ｊ ．
½
½½
½½½ ０ ２ ５
３ － ３
５５ ３６ ．
强 ， 件 代 码 质 量 高 、 靠 性 高 ， 有 较 长 的生 ½ 周
½
可
具
期 等优 点 。 （ ） 电 子 引 爆 器 的 研 究 。 电 子 引 爆 器
４微
的 目的 有 两 个 ， 一 是 在 收 到 控 制 中 心 ½ 令 的 情 况
其
下 ， 通 爆 炸 装 ½ ， ½ 对 目标 攻 击 ， 二 是 在 受 到
接
实
其
泄 密 、 击 等 威 胁 时 自毁 。其 核 心 部 件 是 一 个 可 电
攻
控 的 微 型 开 关 ， 微 型 开 关 在 断 开 时 必 须 具 有 良 ½
该
的 绝缘 性 、 闭 合 时 具 有 良½ 的 过 流 ½ 力 。保 障 电
在
［ ½ ½ 友 ， ½ 宏 ， ．多 传 感 器 信 息 融 合 及 应 用 ［ ½
４
王
等
Ｍ ．北 京 ： 子
电
工 业出 版社．
［ ½ 祝 龙 石 ． 反 直 升 机 、 坦 克 声 控 智 ½ 地 雷 概 述 ［ ½ 制 导 与 引
５
反
Ｊ．
信 ，２ ０ ， １ ）
０ １（２ ．
½者 简介 ：
王宇 龙
男 ， 西 长 治 人 ， 士 研 究 生 ， 要 从 事 微 机 械 电 子 和
山
硕
主
智½ 化仪 器 的研究 。
子 引 信 引爆 器 的可 靠 动 ½ 是 该 项 研 究 的另 一个 关 键
—
如 ½ ½ ／½½ ½½½０
½ 厶 Ｊ½ Ａ½½２０
½
３
● 》
《
½
微纳电子技术 ０３
２０ 年第７８
／期
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