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          EEPW首頁(yè) > 機(jī)器人 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 一種城市安全防護(hù)機(jī)器人

          一種城市安全防護(hù)機(jī)器人

          作者:高南1,楊子熠2,柯政宇1(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué),沈陽(yáng) 110000;2.中央民族大學(xué),北京 100081) 時(shí)間:2022-12-20 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:針對(duì)城市安全問(wèn)題,提出了一種城市安全防護(hù)機(jī)器人,該系統(tǒng)可結(jié)合激光雷達(dá)進(jìn)行路徑規(guī)劃,通過(guò)傳感器將機(jī)器人所巡防位置的煙霧情況,火焰情況,經(jīng)緯度,圖像等數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)傳輸給電腦控制端。管理者既可根據(jù)圖像對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,也可根據(jù)數(shù)據(jù)信息對(duì)意外事故進(jìn)行及時(shí)處理。同時(shí)該機(jī)器人具有報(bào)警功能,當(dāng)監(jiān)測(cè)煙霧值超過(guò)設(shè)定值時(shí),會(huì)同時(shí)向電腦端和手機(jī)端發(fā)送報(bào)警信息,并啟動(dòng)報(bào)警器。該機(jī)器人能第一時(shí)間定位事故現(xiàn)場(chǎng),保證公共場(chǎng)所的安全。


          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202212/441824.htm

          0 引言

          為保證,城市中各處都安裝著網(wǎng)絡(luò)攝像頭,以此保證意外情況發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)處理。傳統(tǒng)式城市安防監(jiān)控系統(tǒng)采用定點(diǎn)式煙霧報(bào)警器或攝像頭,監(jiān)控方式較為固定統(tǒng)一且靈活性不高。隨著城市交通網(wǎng)越來(lái)越龐大,城市內(nèi)市民的活動(dòng)日趨復(fù)雜,傳統(tǒng)的定點(diǎn)式安裝存在監(jiān)控死角,已經(jīng)不能滿足當(dāng)代社會(huì)的安防需求。所以需要投放巡防機(jī)器人做安保工作,既節(jié)省人力又節(jié)省財(cái)力。因此,人們也在想方設(shè)法設(shè)計(jì)一種智能的巡防機(jī)器人用于實(shí)際巡防工作中。

          現(xiàn)今機(jī)器人產(chǎn)品廣泛用于科技領(lǐng)域,并以驚人的速度用于各個(gè)領(lǐng)域,例如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)和軍事,具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。隨著我國(guó)制造業(yè)快速發(fā)展,成為人們關(guān)注的話題,投入一種能滿足當(dāng)今時(shí)代的信息化,智能化控制要求且保證的機(jī)械設(shè)備尤為重要。本文設(shè)計(jì)的一種城市安全防護(hù)機(jī)器人對(duì)未來(lái)城市智能化有著很大的意義和價(jià)值。

          1 總體設(shè)計(jì)

          城市安全防護(hù)機(jī)器人系統(tǒng)由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分、電腦監(jiān)控控制部分、手機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控部分3 部分組成。首先3個(gè)部分需在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分搭載的建立服務(wù)器,完成的主服務(wù)器端,電腦端及手機(jī)端以客戶端的形式連接服務(wù)器,進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分負(fù)責(zé)公共場(chǎng)所的移動(dòng)檢測(cè),同時(shí)具有避障功能,將采集的煙霧數(shù)據(jù)信息和圖像信息返回給電腦監(jiān)控端及手機(jī)端;電腦端顯示機(jī)器人回傳的數(shù)據(jù)及對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制;手機(jī)端可完成便攜式的移動(dòng)監(jiān)控,該機(jī)器人具有視頻監(jiān)控、煙霧檢測(cè)、事故報(bào)警、人臉識(shí)別、遠(yuǎn)程控制等功能,可對(duì)復(fù)雜的監(jiān)控死角進(jìn)行巡視,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的不足,進(jìn)一步確保了市民和財(cái)產(chǎn)的安全。

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          圖1 城市安全防護(hù)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)框圖

          2 硬件設(shè)計(jì)

          機(jī)器人巡防部分安裝有負(fù)責(zé)機(jī)器人定位的GPS 定位模塊、模塊;負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)及圖像傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/樹莓派">樹莓派;負(fù)責(zé)檢測(cè)的煙霧模塊及報(bào)警器;電腦端與機(jī)器人通過(guò) WIFI 的局域網(wǎng)TCP 協(xié)議進(jìn)行通信,可將機(jī)器人采集到的數(shù)據(jù)傳輸給電腦端,電腦端也可以根據(jù)圖傳傳回的圖像對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,手機(jī)端也可進(jìn)行數(shù)據(jù)查看。系統(tǒng)硬件如圖2 所示。

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          圖2 城市安全防護(hù)機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)圖

          2.1 GPS定位模塊

          車體定位主要由GPS 定位模塊實(shí)現(xiàn)。模塊采用GPS,北斗雙模衛(wèi)星定位的ATGM332D,跟蹤靈敏度度達(dá)-162 dBm,定位精度達(dá)2.5 m,采用UART 作為輸出通道,按照NMEA0183 協(xié)議格式輸出。GPS 定位模塊數(shù)據(jù)輸出如下。

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          圖3 GPS定位模塊返回?cái)?shù)據(jù)格式

          在GPS 定位模塊返回的數(shù)據(jù)中:“$”為1 幀數(shù)據(jù)的起始位,“GNGLL”代表數(shù)據(jù)為大地坐標(biāo)信息,“4257.29860”代表緯度信息,“N”代表當(dāng)前定位點(diǎn)位于北半球,“12439.01275”代表經(jīng)度信息,“E”代表當(dāng)前定位點(diǎn)位于東半球,“024401”代表UTC 時(shí)間,“A”代表當(dāng)前數(shù)據(jù)為有效定位,根據(jù)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算:緯度:N 4257.29860 精度E12439.01275緯度= 4257.29860 /100 = 42°,4257.29860%/100 =57′ , 0.29860 × 60 = 17.916″經(jīng)度=12439.01275 /100 =124°,12439.01275%100 =39′,0.01275× 60 = 0.765″此時(shí)的機(jī)器人位置位于北緯:42°57′17.916″ ,東經(jīng):124°39′0.765″。

          2.2 模塊

          激光雷達(dá)模塊采用思嵐RPLIDAR A1 型,8000 次/s為機(jī)器人掃描周圍的障礙物,從而完成機(jī)器人的路徑規(guī)劃,激光雷達(dá)的通信采用報(bào)文模式,處理芯片須向激光雷達(dá)模塊發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文后建立通信協(xié)議。根據(jù)實(shí)際測(cè)量激光雷達(dá)返回?cái)?shù)據(jù)量龐大,如果將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)交由機(jī)器人主控芯片處理,可能會(huì)影響路徑規(guī)劃等進(jìn)程的速度??紤]到機(jī)器人靈敏度,所以采用STM32F103 芯片專門負(fù)責(zé)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集工作,圖4 為STM32F103 的電路原理圖。

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          圖4 STM32最小系統(tǒng)原理圖

          激光雷達(dá)連接STM32 的串口通過(guò)UART 串口通信完成報(bào)文的傳輸。根據(jù)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)字節(jié)偏移格式進(jìn)行解算,定義計(jì)數(shù)變量cNum,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)組cData[]。利用S 位與S 位進(jìn)行異或再與校驗(yàn)位C 進(jìn)行與運(yùn)算,判斷數(shù)據(jù)是否為報(bào)頭,如果判斷報(bào)頭成立,則進(jìn)行角度與位置解算,保存角度、距離數(shù)據(jù),完成激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取。

          2.3 煙霧傳感器模塊

          機(jī)器人安裝有煙霧傳感器,光強(qiáng)傳感器負(fù)責(zé)火焰煙霧的檢測(cè),以防發(fā)生火災(zāi)情況;煙霧傳感器選用MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊,采用是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫,當(dāng)檢測(cè)到可燃?xì)鈺r(shí),傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中的可燃?xì)鉂舛鹊脑龃蠖龃?,本設(shè)計(jì)中采用Arduino為數(shù)據(jù)采集芯片,Arduino芯片內(nèi)部集成了 AD轉(zhuǎn)換模塊,可采集傳感器的模擬量輸出,數(shù)據(jù)采集連接電路圖如圖5 所示。

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          圖5 數(shù)據(jù)采集電路連接圖

          2.4 及攝像頭模塊

          該機(jī)器人需要進(jìn)行人機(jī)數(shù)據(jù)交互,依據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)模塊,可采用WIFI 模塊和圖傳攝像頭,煙霧采集數(shù)據(jù)及對(duì)機(jī)器人的控制指令由WIFI 模塊傳輸、機(jī)器人的圖像信息由圖傳傳回電腦控制端,但由于圖傳信號(hào)容易受到干擾,實(shí)際工作效果并不能滿足后期的圖像質(zhì)量,故采用WIFI、圖像與一體的樹莓派作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體。Raspberry Pi(樹莓派)工作環(huán)境基于Linux。本設(shè)計(jì)樹莓派選用3B+ 版本,CPU 為64 位1.4 GHz 四核,WIFI網(wǎng)絡(luò)采用802.11AC 無(wú)線,支持2.4 GHz 與5 GHz 雙頻,采用串口通信方式與機(jī)器人底盤的主控芯片相連接。圖像傳輸由Motion 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn),可對(duì)圖像中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)定位追蹤。

          在進(jìn)行組網(wǎng)時(shí),首先在樹莓派建立一個(gè)TCP服務(wù)器進(jìn)行局域網(wǎng)組網(wǎng),這樣在公共場(chǎng)所中保證與樹莓派連接相同的網(wǎng)絡(luò)就能通過(guò)TCP 協(xié)議與樹莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,Motion 采用8081 視頻端口,為了連接方便,數(shù)據(jù)端口我們采用8082 號(hào),根據(jù)樹莓派顯示頁(yè)面提供的IP 地址建立連接,這樣在此局域網(wǎng)內(nèi)的客戶端均可與樹莓派進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

          為滿足機(jī)器人夜間的巡視要求,攝像頭模塊采用樹莓派夜視攝像頭,在攝像頭的兩側(cè)各配有紅外補(bǔ)光燈,在夜間工作時(shí),紅外燈向外發(fā)射紅外線,遇到物體或者人體時(shí)進(jìn)行漫反射,將紅外光線返回到攝像頭中,這樣攝像頭就能如同白天一樣采集圖像信息,攝像頭的紅外補(bǔ)光燈可拆卸,保證不同環(huán)境的需求。

          3 軟件設(shè)計(jì)

          3.1 電腦客戶端設(shè)計(jì)

          電腦客戶端采用Pyqt5 編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)顯示頁(yè)面。具有機(jī)器人視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、煙霧數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、定位顯示、及報(bào)警等功能。

          視頻監(jiān)控控制頁(yè)面可將樹莓派傳回的圖像顯示出來(lái),具有人臉檢測(cè)功能,可對(duì)視頻中的人臉進(jìn)行定位,同時(shí)將面部信息上傳百度智能云,對(duì)所有人臉進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸檔,完成城市公共場(chǎng)所的人員監(jiān)控,同時(shí)具有圖片抓拍功能,當(dāng)圖像中出現(xiàn)意外情況,可及時(shí)抓拍取證。數(shù)據(jù)監(jiān)控頁(yè)面主要是對(duì)機(jī)器人傳回的煙霧值進(jìn)行顯示,并繪制煙霧值的變化曲線。當(dāng)煙霧值超過(guò)設(shè)定值時(shí)報(bào)警指示燈會(huì)變成紅色,并發(fā)送手機(jī)報(bào)警信息,由安全管理部門當(dāng)即了解情況,規(guī)劃決策措施,以保證財(cái)產(chǎn)安全。

          發(fā)送短信機(jī)制采用Twilio 云通訊,Twilio 是美國(guó)知名的云通訊公司,向用戶提供數(shù)字化或可編程的語(yǔ)音和消息通信服務(wù),本設(shè)計(jì)中采用Python 調(diào)用twilio.rest 庫(kù)中的Client 完成發(fā)送短信的功能。

          定位頁(yè)面通過(guò)調(diào)用百度的靜態(tài)地圖 API 完成定位,實(shí)時(shí)根據(jù)經(jīng)緯度確定機(jī)器人的所在位置。如圖6 為機(jī)器人位置顯示,藍(lán)色代表機(jī)器人當(dāng)前位置。百度地圖靜態(tài)圖API,可實(shí)現(xiàn)把百度地圖以圖片形式發(fā)送回來(lái),在圖片控件中進(jìn)行顯示,自需發(fā)送HTTP 請(qǐng)求,就可獲取位置信息。

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          圖6 北斗定位電腦端顯示頁(yè)面

          3.2 手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)

          手機(jī)客戶端由 APP Inventor 編程完成,啟動(dòng)時(shí)輸入機(jī)器人的 IP 地址,可對(duì)機(jī)器人的圖像信息及煙霧情況進(jìn)行觀測(cè)。

          3.3 樹莓派顯示頁(yè)面設(shè)計(jì)

          樹莓派顯示頁(yè)面使用 python 編程完成,可檢測(cè)樹莓派的端口串口連接情況,調(diào)節(jié)波特率等參數(shù),快速與底盤建立連接,同時(shí)可建立TCP 服務(wù)器,如圖7 所示,此時(shí)樹莓派的IP 地址位192.168.43.155,端口為8082,電腦及手機(jī)端連接此IP 就可完成通訊連接。

          4 結(jié)束語(yǔ)

          現(xiàn)如今城市交通網(wǎng)絡(luò)日趨復(fù)雜,人們的活動(dòng)范圍逐漸擴(kuò)大,必然導(dǎo)致一些不可避免的如火災(zāi)、遇險(xiǎn)等多種危害人身安全及財(cái)產(chǎn)安全的情況。功能單一的定點(diǎn)式監(jiān)控不能實(shí)現(xiàn)即時(shí)的安保工作。

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          圖7 樹莓派顯示頁(yè)面

          本設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制,圖像傳輸,煙霧值傳輸,火焰報(bào)警等功能。通過(guò)電腦上位機(jī)遙控機(jī)器人運(yùn)動(dòng),實(shí)時(shí)顯示煙霧變化情況,定位機(jī)器人,同時(shí)可對(duì)返回的圖像進(jìn)行人臉檢測(cè),信息存入百度智能云端,監(jiān)控公共場(chǎng)所人員流動(dòng)情況,有靈活性強(qiáng),應(yīng)用效用高,節(jié)省公共資源與當(dāng)今信息化緊密結(jié)合等優(yōu)點(diǎn),對(duì)城市的公共安全監(jiān)控具有重要意義。

          參考文獻(xiàn):

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          (本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期)



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