CN1593859A - 保安巡逻机器人 - Google Patents

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曾德怀
黄瑞华
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Abstract

本发明涉及一种保安巡逻机器人,包括(1)机器人本体,其移动控制部件和支撑架分别与外壳紧固连接;(2)安防监控系统,由红外测温传感器、烟雾传感器、热释红外传感器、微型CCD摄像头、警灯、蜂鸣器以及图像信号无线传输模块组成;(3)控制系统,通过指令信息完成保安巡逻机器人在所处环境里的自主巡逻、移动控制和报警控制;(4)多传感器信息融合系统;本发明机器人可以设定为自主巡逻或者人工操控的工作方式,按照预先设定的路线进行巡逻,通过融合来自多个不同传感器的信息,确定所处的位置,能自主地避开周围障碍物并修改前进的路线,本发明能较好地适应保安工作日益繁重的发展趋势,提高保安巡逻工作的自动化水平。

Description

保安巡逻机器人
技术领域
本发明涉及机器人,特别涉及一种保安巡逻机器人。
背景技术
随着社会经济的发展,超级商场、大型物流仓库、机场、车站、医院、会展中心等大型场所的规模和数量不断扩大,大中城市的高层商用楼日益增多,其保安巡逻任务将日趋繁重。而目前保安巡逻工作主要依赖于人力巡逻或CCD定点监控,需要耗费大量的人力物力,而且对保安人员素质的依赖程度很高,难以满足日夜保安的要求。如采用机器人与上述手段相结合,实行定时、定点监控巡逻与机器人不间断流动巡逻结合将是目前的一种最佳的解决方案。
美国Cybermotion公司公开了一种名为“SR2”的室内保安机器人,该机器人一台采用小车式的轮式移动机器人,能够在一家医药公司大楼狭窄的过道中做巡逻工作,只要发现有烟雾或距其30米以内有行人,它就会向指挥中心的值班人员发出警报。但文献中没有提及这台机器人能把巡逻范围内的周边环境图像传输到指挥中心、动态地避开前进途中的障碍物,以及自主地修改巡逻的路线。
此外,新加坡西区工艺教育学院的电子工程系学生设计的一种“保安机器人”,所述机器人利用摄影机能够将周围300米以内的影像通过无线电传送给控制室,在行驶过程中,如果机器人碰到硬物,它会自动停止前进,转换方向。但是该机器人整个结构微小,而且重量很轻,不能探测到周围的人员的行踪,甚至可能被人抱走,实用性差。
上述以及现有技术中的类似机器人存在功能单一、探测范围窄、对环境的适应性和巡逻效率差,而且不能够连续、多方位巡逻以及路径规划协调性差等缺陷。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的缺陷,提供一种保安巡逻机器人,可以实现人工遥控或自主控制,具有防盗报警功能;探测范围宽、对环境的适应性强,巡逻效率高,而且能够连续、多方位巡逻,路径规划协调性好。
本发明所述的保安巡逻机器人包括——机器人本体,包括外壳、使本体移动的前轮、支撑本体的支撑架、移动控制部件;所述外壳可以呈“牧羊犬”等动物或其他任何形状,可以由玻璃钢材料按仿模成型,自成一个完成的整体,机器人的内腔宽大,可以容纳控制电路模块以及电源,而机器人的眼睛、嘴巴和耳朵相关部位则预留孔位用于安装传感器;支撑架可以由不锈钢和橡胶粘合而成,既有一定的刚度又有足够的弹性,可以防撞击;前轮是一种万向轮,安装在支撑架的下面,使所述的机器人快速灵活地转弯;移动控制部件控制机器人在地面上自由移动,并且可实时调节机器人的行走速度和移动方向;移动控制部件由两套直流电机、小型齿轮减速箱和高分辨率的光电编码器构成,能够使软件伺服系统的参数化和模块化;移动控制部件和支撑架分别与机器人的外壳紧固连接,使机器人整体重心居中,能更加平稳地行走;——安防监控系统,是机器人进行保安监控作业的具体执行部件,由红外测温传感器、烟雾传感器、热释红外传感器、微型CCD摄像头、警灯、蜂鸣器以及图像信号无线传输模块组成。其中,红外测温传感器配置在机器人前端,烟雾传感器安装在机器人的尾部,热释红外传感器安装在机器人嘴部位置。两个高精度CCD摄像头配置在机器人眼睛部位,为了扩大机器人视觉扫视的范围,摄像头分别由两个步进电机作旋转控制,控制简单、灵活;CCD摄像头所采集的图像信号经过图像无线传输模块调制后发送的远程监控室。本发明所述的机器人更加突出“保安”震慑作用,红绿相间警灯安装在机器人头顶上方,蜂鸣器安装在机器人的尾部,在一定条件下,机器人可以自动闪烁警灯报警;——控制系统,控制系统的任务是通过指令信息完成保安巡逻机器人在所处环境里的自主巡逻、移动控制和报警控制,主要包括指令信息输入模块、指令信息接收模块、单片机控制模块、PC104核心控制系统,所述PC104核心控制模块分别与指令信息介绍模块和各单片机控制模块电气连接,而指令信息输入模块与指令信息接收模块是以射频无线方式传送信号;所述指令信息输入模块包括手柄按键和美国SENSORY公司的RSC-364语音识别电路。
语音识别电路,机器人接受到来自控制者的语音信号后通过语音控制器对去除噪音、滤波处理后进行识别,转换为数字信号便可实现对机器人的操控。
——多传感器信息融合系统,包括(1)PC104计算机,是整个控制系统的核心,在接收到按键控制指令或语音控制信号后,机器人根据指令内容选择自动巡逻或者人工操作模式,同时将机器人指令向行走控制驱动模块送出,由行走控制驱动模块控制直流电机同时动作,以满足不同速度、不同转弯半径的控制要求。
PC104是采用SED-586SEV-P计算机,有较高的运算速度和高可靠性,使它能满足多单片机控制模块控制系统的协调控制要求。PC104对机器人控制主要优势表现为有足够存储容量和高速运算速度,能够进行各种接口、通信、数据逻辑运算及复杂的逻辑控制。为了提高整个控制系统的抗干扰性能,控制策略、路径规划、多传感器信息融合等复杂算法由PC104完成,而电机驱动底层控制则采用单片机完成。
本发明可以采用MCS-51系列单片机,以其低成本、高集成、指令强、速度快、易扩展被广泛地应用于工业生产的方方面面。所述机器人的上层控制系统采用了PC104高速灵活的指令和高可靠性的优势,将PC104系统作为上位机进行核心控制;电机驱动控制模块吸收了单片机系统成本低廉和扩展性强的特点,利用单片机作为下位机,;从而避免了单一计算机系统在控制中的干扰和误动作。而且该控制系统中各个系统均采用模块化设计,系统的可靠性及维护性也相应大幅度提高。
(2)超声波传感器、视觉传感器以及地磁传感器,使所述的机器人更加稳定、可靠地完成保安巡逻的任务。任何一种传感器都有一定的精度和使用范围,由于外界干扰的存在,单个传感器只能提供部分、不精确的信息,从而造成对实物的存在与否误判或对其距离的检测产生误差,因此保安巡逻机器人装备有多种信息互补传感器,而这些传感器的种类和性能以及反应速度都相差很大,由于单个传感器测量的不确定性和不完备性,得到预处理的传感器信息还不能保证完全可靠和正确,所以对来自多信息源的多层次信息进行去噪、转换和相互校准等处理,从而实现自适应行为融合导航。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及社会经济效益:(1)本发明是将多种传感器信息、视觉信息融合技术,无线遥控技术、语音识别与会话功能于一体的。它的基本结构由传感器、控制器以及运动机构构成,其中传感器由超声波测距传感器、红外传感器、烟雾检测传感器和摄像头组成。这些传感器构成了移动机器人的多传感器系统。移动机器人就是在这个多传感器信息融合的基础之上完成自己的各项感知功能以适应外界复杂环境的情况和变化。
(2)机器人的心脏--中央处理器CPU利用多传感器信息融合技术,把由多个传感器和CCD获取的机器人所处环境的各种信息(位置、路径、障碍物等)综合起来,对这些信息进行融合处理,从而使机器人能够理解自己的状态和自己所处的外部环境信息,并实时地做出自己的运动控制的决策--躲避障碍物、寻找最优路径,实现自主移动、定点运动、轨迹跟踪、无轨行走等基本功能。
(3)利用传感器和控制器,一方面移动机器人能够自主的完成运动导航、躲避障碍物等功能;另一方面,人们可以利用多样化的手段对它进行各种方式的控制,可以在控制室内对机器人遥控操作。此外,巡逻保安机器人还具有接受语音指令的功能。机器人在经过示教训练后可实现人机对话,机器人能理解接受人的语言指令对执行人相应的动作。
本发明较好地适应保安工作日益繁重的发展趋势,提高保安巡逻工作的自动化水平。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图;图2是本发明的移动控制部件装配结构示意图;图3是本发明的控制系统结构示意图;图4是实施例中的电机转速测量电路图;图5是对本发明保安巡逻机器人实施的控制程序流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述,机器人可以按人工遥控操控/自主巡逻的方式进行保安工作,本实施例以自主巡逻的方式来说明。
附图1示出了本发明的立体示意图,机器人行走系统由万向轮1、本体的支撑架2、本体8、驱动轮10、电机支撑套筒11等组成;附图3示出了本发明的机器人控制系统结构图,先结合附图1、3说明机器人自主巡逻的工作过程。根据机器人的工作场所,按要求的路线先对机器人进行编程示教,示教巡逻路线保存在嵌入式计算机的存储器中。当机器人准备就绪工作的时候,由人工操控按键以无线方式发送启动指令,让机器人工作在自主巡逻方式。在巡逻过程中,机器人根据超声波传感器4,CCD视觉传感器6以及地磁传感器采集的信息,按照信息融合算法来确定所处的位置,并根据图像场景分析结果,进行运动参数设置或者状态变换,避开周围的障碍物,自主地修正巡逻的路线,然后返回原来设定运动路线上继续巡逻。
所述机器人能够自主灵活地修正巡逻路线,一方面是具有多传感信息融合系统,剔除干扰信息;另一方面是直流电机参数化驱动模块。下面详细描述所述参数化驱动模块。
如图2所示,两个行走车轮分别由两个直流电机驱动,直流电机13输出轴与小型齿轮减速箱12相连,行走车轮10与减速箱输出轴以键方式连接,而光电编码器安装在电机12的尾轴上。同样地,直流电机16输出轴与小型齿轮减速箱17相连,行走车轮18与减速箱输出轴以键方式连接,而光电编码器安装在电机15的尾轴上,直流电机13与直流电机16同轴安装在套筒11上。两个驱动轮是基于AT89C52单片机的软件伺服控制系统,驱动电路主要由脉冲采集电路、脉冲计数电路和控制驱动电路三部分组成,从而形成位置反馈、速度反馈于一体的直流电机伺服控制系统。
图2中所述的直流电机转速测量电路参见附图4,PUSLE1为光电编码器输出的脉冲,CLK为8MHz时钟脉冲,4027是双JK触发器。JK触发器接成T触发器,每一个PUSLE1上升沿令输出状态翻转一次。由于U6的14脚与15脚电平永远相反,而GATE的高电平是启动8253内部计数器的关键,当其为低电平时,内部计数器停止计数,但是计数值并不消失,直到新的高电平来临。可见,每个PUSLE1上升沿脉冲来临时,8253必有一个计数器停止计数,计数值可供单片机读取,同时另一个计数器开始计数,两个计数器轮流工作,保证了测速的连续性。以上过程均由硬件电路自动实现,还能随时向单片机提供最新的测速数据。当计算出与速度相关的计数值后,与系统设定的计数值相比较,决定该轮应该是加速还是减速,如果需要减速,应该自由减速还是反拖减速。在测速中断时,根据测速比较的结果,要么给电机正向电压,要么断电或者给反向电压,通过一个个中断时间段,对电机实现间接的PWM调速控制。上述机器人行走系统采用开放式参数化设计,只需给定速度、转角以及转弯半径,机器人就能实现正反向直走、左右转弯,以及原地任意半径转弯等。
本发明所述的机器人在进行夜间保安巡逻保安工作时,参见附图1、3,机器人工作通过CCD摄像机6采集夜间在暗光环境或有光的图像,获取巡逻场景四周的人员流动的信息,为了能实现对巡逻环境全方位扫描,设计了摄像机旋转平台。平台由旋转平台以及摄像头仰角调节机构两部分组成;采用步进电机的驱动控制系统。通过红外测温传感器3获取存放物温度升高的信息,特别是温度超过设定阀值,机器人通过蜂鸣器发出急促的报警声。人体热释探测器5对人体热释电过程探测,灵敏度更高。尾部烟雾探测器也能探测到火灾的信息。巡逻机器人所采集的信息通过信息组合处理经发送器、天线发射至远程监控级,此级设在用户指定的监控室内,经信息接收、分离处理后在监视器上显示。
本发明所述的机器人还具有人工远程操控的功能,当机器人发现周围环境出现紧急情况,上报信息到总监控室后,监控人员可以将机器人切换到人工操控状态,以便处理危急事件等。
根据附图3,控制系统的主控级规划以及多传感器信息融合任务是由嵌入式PC104计算机来完成的,该主控计算机的软件程序流程图见图5。下面说明该工作流程:启动的时候,先初始化各通信接口以及设定通信波特率,如果出现通信接口初始化失败,PC104板上自带蜂鸣器发出“出错音”,提示操作者重新启动。在初始化正常条件下,机器人将巡逻路线数据读入计算机内存并将路线数据翻译成对应的机器指令,然后巡逻路线显示在显示设备上。此时,机器人等待下一个无线指令,当收到指令是自动运行命令时,机器人将启动多传感器信息融合模块,将对来自巡逻环境中多信息源的多层次信息进行去噪、转换和相互校准等处理,从而实现自适应行为融合导航。自动巡逻过程中,出现危急情况的时候,机器人可以向监控室发送报告指令,操控人员将对机器人进行人工操控,以便完成更加复杂的巡逻任务。
按照本发明所述的方式和结构实现的保安巡逻机器人可以达到如下的技术要求和指标:(1)、一个万向轮与两个驱动轮组成,两轮驱动方式(2)、机器人重量:30kg(3)、最大行走速度可达1.5m/s,转弯半径在0-2.5m(4)、超声波探测障碍物距离:≤3m(5)、热释红外传感器监测闯入的外人距离范围:5m(6)、红外测温距离:5~10m(7)、报警温度阀值:60℃(8)、无线图像传输距离:500m(可根据需要增大)(9)、无线遥控半径:500m(10)、摄像机回转范围:-25~+25°(11)、机器人工作电压:DC24V(蓄电池供电,连续工作时间6小时)

Claims (4)

1.一种保安巡逻机器人,其特征在于包括——机器人本体,包括外壳、使本体移动的前轮、支撑本体的支撑架、移动控制部件;移动控制部件和支撑架分别与外壳紧固连接;——安防监控系统,由红外测温传感器、烟雾传感器、热释红外传感器、微型CCD摄像头、警灯、蜂鸣器以及图像信号无线传输模块组成;其中,红外测温传感器配置在机器人前端,烟雾传感器安装在机器人的尾部,热释红外传感器安装在机器人嘴部位置;两个高精度CCD摄像头配置在机器人眼睛部位;——控制系统,通过指令信息完成保安巡逻机器人在所处环境里的自主巡逻、移动控制和报警控制,主要包括指令信息输入模块、指令信息接收模块、单片机控制模块、PC104核心控制系统,所述PC104核心控制模块分别与指令信息介绍模块和各单片机控制模块电气连接,而指令信息输入模块与指令信息接收模块是以射频无线方式传送信号;——多传感器信息融合系统,包括(1)PC104计算机,在接收到按键控制指令或语音控制信号后,机器人根据指令内容选择自动巡逻或者人工操作模式,同时将机器人指令向行走控制驱动模块送出,由行走控制驱动模块控制直流电机同时动作,以满足不同速度、不同转弯半径的控制要求;(2)超声波传感器、视觉传感器以及地磁传感器。
2.根据权利要求1所述的保安巡逻机器人,其特征在于所述外壳呈“牧羊犬”形状,由玻璃钢材料按仿模成型,机器人的内腔容纳控制电路模块以及电源,而机器人的眼睛、嘴巴和耳朵相关部位则预留孔位用于安装传感器;前轮是一种万向轮,安装在支撑架的下面。
3.根据权利要求1或2所述的保安巡逻机器人,其特征在于移动控制部件控制机器人在地面上自由移动,并且可实时调节机器人的行走速度和移动方向;移动控制部件由两套直流电机、小型齿轮减速箱和高分辨率的光电编码器构成。
4.根据权利要求3所述的保安巡逻机器人,其特征在于所述CCD摄像头分别由两个步进电机作旋转控制,CCD摄像头所采集的图像信号经过图像无线传输模块调制后发送的远程监控室;红绿相间警灯安装在机器人头顶上方,蜂鸣器安装在机器人的尾部。
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