室內(nèi)安防巡邏與滅火多功能機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

*基金項(xiàng)目：國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910222018）。

作者簡介：張憲鋒（1999—），男，黑龍江哈爾濱人，2017級(jí)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?yàn)榈叵伦鳂I(yè)技術(shù)與裝備、機(jī)電一體化，E-mail: 61233774@qq.com。

0   引言

目前倉儲(chǔ)中心、超級(jí)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(shí)麻痹及疲勞性，易出現(xiàn)監(jiān)控不到位，進(jìn)而增加了事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)性。一旦發(fā)生事故，損失嚴(yán)重。因此，研制集移動(dòng)機(jī)器人、消防機(jī)器人和巡檢機(jī)器人功能于一體，具有環(huán)境感知、自動(dòng)報(bào)警、初級(jí)火情處理、路線規(guī)劃、動(dòng)態(tài)決策功能的智能安防與滅火多功能機(jī)器人，可以滿足市場對(duì)室內(nèi)自動(dòng)化消防與巡檢查設(shè)備需求^[1-4]。

1   機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

室內(nèi)安防巡邏與滅火多功能機(jī)器人整體采用鋁合金材料構(gòu)成，由履帶移動(dòng)底盤、滅火設(shè)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(jī)器人以卡片式電腦樹莓派作為上位控制中心，單片機(jī)作為底層驅(qū)動(dòng)，激光雷達(dá)獲取周圍實(shí)際環(huán)境信息繪制室內(nèi)地圖，結(jié)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(jī)器人理論模型

機(jī)器人工作時(shí)會(huì)事先記錄室內(nèi)環(huán)境，制定巡邏路線，在巡邏的同時(shí)對(duì)室內(nèi)溫度、火焰、煙霧情況進(jìn)行監(jiān)控以判斷事故發(fā)生，并通過滅火設(shè)備進(jìn)行及時(shí)處理。

2   控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

室內(nèi)巡邏與滅火機(jī)器人以樹莓派3B+ 運(yùn)行Linux 內(nèi)核的Ubuntu Mate 系統(tǒng)作為上位控制中心，如圖2 所示為實(shí)際樹莓派3B+ 硬件。使用YDLIDAR 激光雷達(dá)采集環(huán)境點(diǎn)云進(jìn)行完成地圖構(gòu)建，配合動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法控制機(jī)器人整體工作^[5-6]。

圖2 樹莓派實(shí)物

機(jī)器人的下位機(jī)控制板選用主頻72 MHz 的STM32F103RET6 為核心，控制板除單片機(jī)最小系統(tǒng)外，還配有MPU6050 六軸IMU 傳感器，其內(nèi)包含三軸加速度計(jì)與三軸陀螺儀傳感器，可以向上位機(jī)提供機(jī)器人實(shí)際位置歐拉角，以進(jìn)行機(jī)器人導(dǎo)航使用，此外，控制板還具有電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編碼器接口電路、舵機(jī)接口電路、傳感器接口電路等多個(gè)機(jī)器人實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)

本文機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體依賴于ROS 分布式軟件框架，其中上位控制層作為機(jī)器人控制服務(wù)器，與用戶監(jiān)控層都處于以Linux 系統(tǒng)為基礎(chǔ)的ROS 環(huán)境下進(jìn)行操作（圖4）。下位驅(qū)動(dòng)層對(duì)機(jī)器人實(shí)際執(zhí)行器與傳感器進(jìn)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(jié)合下位層數(shù)據(jù)進(jìn)行激光雷達(dá)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(yùn)行，上位層各算法之間以ROS 節(jié)點(diǎn)方式獨(dú)立存在，并通過ROS 話題模型進(jìn)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(jī)器人上位控制層，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控及行為控制^[8]。

圖4 機(jī)器人軟件架構(gòu)

4   系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試

在本文機(jī)器人中電子地圖構(gòu)建功能在工作中起到重要作用。為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)機(jī)器人控制系統(tǒng)中電子地圖構(gòu)建的效果，遙控機(jī)器人在室內(nèi)封閉場地移動(dòng)并啟動(dòng)電子地圖構(gòu)建程序節(jié)點(diǎn)，待機(jī)器人移動(dòng)一周后，觀察機(jī)器人電子地圖構(gòu)建功能的完成度，整體實(shí)驗(yàn)流程如圖5 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)流程圖

實(shí)際搭建測試場地如圖6 所示，機(jī)器人實(shí)時(shí)建圖結(jié)果由圖7 所示。由對(duì)比可以觀察出實(shí)際場景與機(jī)器人實(shí)時(shí)地圖構(gòu)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(jié)語

針對(duì)室內(nèi)安防巡邏與滅火多功能機(jī)器人的工作特性，對(duì)機(jī)器人具體功能進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)安防巡邏與滅火多功能機(jī)器人控制系統(tǒng)，并對(duì)控制系統(tǒng)的電子地圖構(gòu)建功能進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。最終得出結(jié)論：本文控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)安防巡邏與滅火多功能機(jī)器人的基本功能。

圖7 機(jī)器人實(shí)時(shí)建圖顯示

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年1月期）