室內安防巡邏與滅火多功能機器人控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*

*基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201910222018）。

作者簡介：張憲鋒（1999—），男，黑龍江哈爾濱人，2017級本科生，E-mail:zxf183813@163.com。

通訊作者簡介：郭士清（1973—），男，博士，副教授，主要研究方向為地下作業(yè)技術與裝備、機電一體化，E-mail: 61233774@qq.com。

0   引言

目前倉儲中心、超級商場等大型場所的三防依賴監(jiān)控系統(tǒng)，因監(jiān)控系統(tǒng)存在盲區(qū)，安保人員有限，且因安保人員安全意識麻痹及疲勞性，易出現(xiàn)監(jiān)控不到位，進而增加了事故發(fā)生的風險性。一旦發(fā)生事故，損失嚴重。因此，研制集移動機器人、消防機器人和巡檢機器人功能于一體，具有環(huán)境感知、自動報警、初級火情處理、路線規(guī)劃、動態(tài)決策功能的智能安防與滅火多功能機器人，可以滿足市場對室內自動化消防與巡檢查設備需求^[1-4]。

1   機器人本體結構

室內安防巡邏與滅火多功能機器人整體采用鋁合金材料構成，由履帶移動底盤、滅火設備、事故檢測傳感器、控制系統(tǒng)組成，理論模型如圖1 所示。此機器人以卡片式電腦樹莓派作為上位控制中心，單片機作為底層驅動，激光雷達獲取周圍實際環(huán)境信息繪制室內地圖，結合溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、煙霧傳感器檢測事故發(fā)生。

圖1 機器人理論模型

機器人工作時會事先記錄室內環(huán)境，制定巡邏路線，在巡邏的同時對室內溫度、火焰、煙霧情況進行監(jiān)控以判斷事故發(fā)生，并通過滅火設備進行及時處理。

2   控制系統(tǒng)硬件設計

室內巡邏與滅火機器人以樹莓派3B+ 運行Linux 內核的Ubuntu Mate 系統(tǒng)作為上位控制中心，如圖2 所示為實際樹莓派3B+ 硬件。使用YDLIDAR 激光雷達采集環(huán)境點云進行完成地圖構建，配合動態(tài)規(guī)劃算法控制機器人整體工作^[5-6]。

圖2 樹莓派實物

機器人的下位機控制板選用主頻72 MHz 的STM32F103RET6 為核心，控制板除單片機最小系統(tǒng)外，還配有MPU6050 六軸IMU 傳感器，其內包含三軸加速度計與三軸陀螺儀傳感器，可以向上位機提供機器人實際位置歐拉角，以進行機器人導航使用，此外，控制板還具有電機驅動電路、編碼器接口電路、舵機接口電路、傳感器接口電路等多個機器人實際應用電路，局部電氣原理圖如圖3 所示。

圖3 局部電路原理圖

3   控制系統(tǒng)軟件設計

本文機器人控制系統(tǒng)軟件設計總體依賴于ROS 分布式軟件框架，其中上位控制層作為機器人控制服務器，與用戶監(jiān)控層都處于以Linux 系統(tǒng)為基礎的ROS 環(huán)境下進行操作（圖4）。下位驅動層對機器人實際執(zhí)行器與傳感器進行輸入/ 輸出控制，將數(shù)據(jù)通過RosSerial 協(xié)議上傳到上位控制層。上位控制層結合下位層數(shù)據(jù)進行激光雷達數(shù)據(jù)采集、SLAM 建圖算法、路徑規(guī)劃算法、事故檢測算法的運行，上位層各算法之間以ROS 節(jié)點方式獨立存在，并通過ROS 話題模型進行數(shù)據(jù)傳送。用戶通過上位監(jiān)控層利用SSH 方式連接至機器人上位控制層，對機器人進行狀態(tài)監(jiān)控及行為控制^[8]。

圖4 機器人軟件架構

4   系統(tǒng)實驗測試

在本文機器人中電子地圖構建功能在工作中起到重要作用。為驗證本文設計機器人控制系統(tǒng)中電子地圖構建的效果，遙控機器人在室內封閉場地移動并啟動電子地圖構建程序節(jié)點，待機器人移動一周后，觀察機器人電子地圖構建功能的完成度，整體實驗流程如圖5 所示。

圖5 實驗流程圖

實際搭建測試場地如圖6 所示，機器人實時建圖結果由圖7 所示。由對比可以觀察出實際場景與機器人實時地圖構建顯示地形重合率95% 以上，可以滿足使用需求。

圖6 測試場地

5   結語

針對室內安防巡邏與滅火多功能機器人的工作特性，對機器人具體功能進行分析，設計并實現(xiàn)了室內安防巡邏與滅火多功能機器人控制系統(tǒng)，并對控制系統(tǒng)的電子地圖構建功能進行樣機實驗。最終得出結論：本文控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)室內安防巡邏與滅火多功能機器人的基本功能。

圖7 機器人實時建圖顯示

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（本文來源于《電子產品世界》雜志社2021年1月期）