专利名称：基于DaNI移动机器人平台的智能安全巡逻系统的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人领域，特别涉及一种智能安全巡逻的机器人系统。
背景技术：
安全巡逻机器人的研制迄今较为普遍，众多的国内外研究所与科技公司都推出了各自的实物平台。日本的Tmsuk公司 和三洋电机设计的四足机器人“番龙”是用于看家用途的实用型步行机器人。该机器人具有感知是否有人、声音及温度并发出警报，能与主人的手机进行联络等功能。为满足美国陆军后勤部门的迫切需求，Cybermotion公司研制了 SR2室内巡逻机器人的改进型MDARS— I。MDARS-1的最低速度为3公里/小时，一次充电可连续工作8小时，可在360度范围内发现10米远的物体。该机器人装有探测入侵者的微波雷达，热成像仪，音响传感器，一台CXD摄像机，红外照明器和旋转及倾斜平台，还有超声波传感嚣、导航传感器等。美国机器人系统技术公司正在研制一种MDARS — E室外型机器人。该机器人可识别并绕过障碍物，若绕不过去.就停下来，并通知控制站操作人员。它的负载主要有本体摄像机，前视红外摄像机，多普勒雷达，4线激光扫描仪，超声波传感器，微波及光缆通信网络，视频标签阅读器。导航传感器有差分GPS系统、陀螺仪、倾斜仪、4轮编码器，驾驶定位传感器等。MDARS — E在值班时可自主进行监视，发现入侵者或异常情况时，视频链路自动启动，控制站记录下音响及视频警报，保安人员可以由远处观察那里的情况，或与入侵者对话。在我国，华南理工大学张铁等研制了保安巡逻机器人，并在机器人四周布置了多个超声波传感器，用于检测周围障碍物的情况。头部配置有红外传感器，用于监控是否有外人异常进入。但是由于芯片为82C53单片机，处理速度与内存容量的不足使得该设备的计算性能很弱。江西理工大学冯新刚等人研制了基于ARM嵌入式技术的智能巡逻机器人，上面安装了超声波传感器、电化学传感器、感烟传感器等设备，可以实现避障巡逻、检测有害气体、检测火灾等等功能。但是该设备并没有对避障算法进行深入的探索，理论基础有限。综上所述，虽然安全巡逻机器人近年来获得一定的发展，但总体而言仍未得到广泛的应用。其中最主要问题是面对多方面、多层次的巡逻安保任务，现有的安全巡逻机器人平台设计的适应性和灵活性不足。例如，基于ARM或单片机技术的机器人平台架构受到软硬件性能的约束，不能有效地进行系统功能的扩展与深化。特别是机器人配置的视觉传感器的位置与结构固定，因此在监测周边环境时，必须依赖机器人自身的运动来捕捉与追踪异常情况，系统性能受到很大局限。此外，如何能够将手动遥控与自动控制结合，实现机器人系统的有效避障，也是安全巡逻机器人发展中亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于DaNI移动机器人平台的智能安全巡逻系统。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种基于DaNI移动机器人平台的智能安全巡逻系统，它包括DaNI移动机器人平台、无线路由器、升降梯、舵机、电源、网络摄像头和上位机等；电源为无线路由器、升降梯、网络摄像头和舵机供电，舵机、升降梯和无线路由器均与DaNI移动机器人平台电连接，升降梯固定在DaNI移动机器人平台上，舵机固定在升降梯的顶端，网络摄像头安装在舵机上，网络摄像头与无线路由器相连，无线路由器安装在DaNI移动机器人平台底部，无线路由器与上位机无线通信；其中，
无线路由器通过网线与DaNI移动机器人平台和网络摄像头连接，通过无线通信与上位机连接；DaNI移动机器人平台、网络摄像头、上位机与无线路由器的IP地址设为同一子网下；这样，实现了上位机远程无线控制DaNI移动机器人平台和摄像头。升降梯安装在DaNI移动机器人平台的后部，其功能为负责将摄像头上升或下降，实现拍摄合适的画面；升降梯包括一步进电机，步进电机控制升降梯的升降，步进电机的电源信号、方向信号以及速度信号由DaNI移动机器人平台上的数字输出口提供； 舵机固定在升降梯的顶部，负责将摄像头进行抬头低头、左右摇头的方向控制。舵机的电源信号、PWM信号由DaNI移动机器人平台上的数字输出口提供。电源安装在DaNI移动机器人平台的前方，由此给无线路由器和网络摄像头供电。电源的额定电压为12V，额定容量为2.6Ah。降压器的性质为非隔离降压稳压输出，输入电压为4. 5-35V，带控制脚；输出电压为I. 25-30V连续可调。上位机通过无线路由器与DaNI移动机器人平台和网络摄像头进行远程无线通信，只要各个设备都在同一子网下即可，上位机的功能是接收机器人的信号，发送机器人的控制命令，控制机器人的运动。DaNI移动机器人平台自带超声波传感器，超声波传感器通过发送一个短超声波脉冲，然后监听回声来检测物体。在主机微控制器的控制下，传感器发送短40kHz超声波脉冲。脉冲在空气中以大约1130英尺每秒传播，击中物体，然后弹回传感器。传感器提供输出脉冲到主机，直到回声被检测到；因此脉冲的宽度对应于目标物体的距离。网络摄像头安装在DaNI移动机器人平台上的升降梯顶部的舵机上，通过网线与路由器连接；该网络摄像头可以通过互联网远程监控家庭或办公室，红外线LED灯适用于夜间监控，支持I IN无线连接，兼容IlG无线设备，4倍数码变焦。本发明相对于现有技术，其有益效果是
I、安全问题在社会生活中始终引人瞩目。利用智能机器人系统进行安全巡逻，可以减轻安保人员工作压力，增强公共环境安全性，提升社会生活品质，降低安保支出。2、采用了超声波传感器与摄像头并用的方式，提升了传感器的性能。摄像头可以升高降低、改变方向，从而使得拍摄没有死角。3、采用了 VFH算法，实现了机器人自主避障行走的功能，减轻了工作人员手动控制的工作压力。
图I是本发明基于DaNI移动机器人平台的智能安全巡逻系统的组成框 图2是图I中DaNI移动机器人平台的工作流程 图3是图I中上位机的工作流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细的描述，本发明的目的和效果将变得更加明显。如图I所示，本发明基于DaNI移动机器人平台的智能安全巡逻系统包括DaNI移动机器人平台、无线路由器、升降梯、舵机、电源、网络摄像头和上位机。其中，电源为无线路由器、升降梯、网络摄像头和舵机供电，舵机、升降梯和无线路由器均与DaNI移动机器人平台电连接，升降梯固定在DaNI移动机器人平台上，舵机固定在升降梯的顶端，网络摄像头安装在舵机上，网络摄像头与无线路由器相连，无线路由器与上位机无线通信。美国国家仪器公司(NI)的DaNI移 动机器人平台拥有稳定、易开发的软硬件模块，可以与LabVIEW等结合，高效地进行图形化界面设计、定位与避障、异常报警、无线传输图像等功能的设计。本系统依托于DaNI移动机器人平台，可方便地进行遥控巡逻、自主避障行走，并探测异常状况、可疑人员与危险环境。NI公司的NI-Robotics Starter Kit (DaNI)移动机器人平台是一种创新型的移动机器人平台，拥有超声波传感器、电机、NI Single-Board RIO嵌入式控制硬件。该平台的软件由LabVIEW来开发，由于LabVIEW特殊的图形程式简单易懂的开发接口，缩短了开发原型的速度以及方便日后的软件维护，因此逐渐受到系统开发及研究人员的喜爱。在该机器人平台上安装了电池、无线路由器、升降梯等设备，并通过网线和无线路由器与其它设备通信。NI Single-Board RIO上运行LabVIEW程序机器人控制模块，负责接收上位机的信号，发送机器人的信号给上位机，并执行机器人各个动作。无线路由器可以采用型号为D-Link DI-524M的产品，安装在DaNI移动机器人平台底部。DaNI移动机器人平台和网络摄像头通过网线与其连接，上位机通过无线通信与其连接。各个设备与路由器的IP地址设为同一子网下。这样，实现了上位机远程无线控制机器人和摄像头。升降梯安装在DaNI移动机器人平台的后部，并在其顶部安装了摄像头。其功能为负责将摄像头上升或下降，实现拍摄合适的画面。升降梯包括一步进电机，步进电机控制升降梯的升降，步进电机的电源信号、方向信号以及速度信号由DaNI移动机器人平台上的数字输出口提供。舵机可以采用型号为G0TECKGS-9025MG的产品，安装在网络摄像头底座下方，负责将摄像头进行抬头低头、左右摇头的方向控制。舵机的电源信号、PWM信号由DaNI移动机器人平台上的数字输出口提供。电源可以采用台湾赛特BT-12M电池和LM2596 DC-DC可调降压电源降压器，安装在DaNI移动机器人平台的前方，由此给无线路由器和网络摄像头供电。电源的额定电压为12V，额定容量为2. 6Ah。降压器的性质为非隔离降压稳压输出，输入电压为4. 5-35V，带控制脚；输出电压为I. 25-30V连续可调。上位机可以由普通的台式电脑或笔记本电脑来实现，通过无线路由器与DaNI移动机器人平台和网络摄像头进行远程无线通信，只要各个设备都在同一子网下即可。上位机的功能是运行LabVIEW程序上位机的部分，接收机器人的信号，发送机器人的控制命令，控制机器人的运动。DaNI移动机器人平台自带超声波传感器，超声波传感器的型号为ParallaxPING)))，其通过发送一个短超声波脉冲，然后监听回声来检测物体。在主机微控制器的控制下，传感器发送短40kHz超声波脉冲。脉冲在空气中以大约1130英尺每秒传播，击中物体，然后弹回传感器。传感器提供输出脉冲到主机，直到回声被检测到；因此脉冲的宽度对应于目标物体的距离。网络摄像头可以采用型号为D-Link DCS-932L的产品，安装在DaNI移动机器人平台上的升降梯顶部的舵机上。该摄像头由电源供电，并通过网线与路由器连接。该网络摄像头可以通过互联网远程监控家庭或办公室，红外线LED灯适用于夜间监控，支持IlN无线连接，兼容IlG无线设备，4倍数码变焦。图2中DaNI移动机器人平台的工作流程为
首先由上位机算法模块确定当前的控制模式，再将机器人控制程序下载到DaNI移动机器人平台上执行。当处于遥控模式，通过TCP侦听模块，接收上位机传来的数据，解码成 DaNI移动机器人平台应当执行的命令，如两个轮子的速度、超声波传感器下的电机转的角度、指示灯是否亮起等等。将解码的命令传给适当的执行器，如将两个轮子的转速传给轮子，电机转的角度等等，从而使得DaNI移动机器人平台能按照上位机传来的信息执行。同时，DaNI移动机器人平台将超声波传感器当前测出的障碍物距离和当前角度，与轮子转动的速度保存成共享变量。最后，机器人打开TCP连接，将传感器信息和轮子转速发送回给上位机。当处于自主避障模式，将已经获得的传感器信息传递给VFH算法，然后通过上述的VFH算法得到DaNI移动机器人平台下一步应该执行的速度，并保存成为命令共享变量，发送给DaNI移动机器人平台执行。当处于停止模式,通过TCP侦听模块，接收上位机传来的数据，解码成DaNI移动机器人平台停止的命令，并保存成为命令共享变量，发送给DaNI移动机器人平台执行。最后，机器人打开TCP连接，将传感器信息和轮子转速发送回给上位机。图3中上位机的工作过程为
主程序与图形界面模块在上位机上运行。在主程序中，显示了图形界面，调用了视觉处理的模块，接收用户在图形界面上执行的操作，并调用了下面各个模块。在图形界面模块中，程序在主界面上显示了当前DaNI移动机器人平台的大致移动轨迹，摄像头拍摄的图像，机器人运动模式的选择，机器人、步进电机、舵机的控制杆，是否检测到异常火光的警报灯。若用户在图形界面上更改了设置，则程序中将该设置存到对应的共享变量中，以在对应的控制模块中读取并处理。在视觉处理模块中，程序调用IMAQ ReadFile读取摄像头上传到上位机的jpg格式的图片，并显示在图形界面上。之后，调用IMAQ Cast Image, vi将该图片转换为Grayscale (U8)格式的图片，再调用IMAQ Light Meter, vi进行对图片中间部分的亮度的测量，若高于设定值，则表示环境中存在亮度异常大的物体(如火光、异常亮光等等)，图形界面上报警灯亮起。上位机控制模块在上位机上运行。一开始先判断是否在仿真环境执行。如果在仿真环境执行，则调用开启机器人仿真环境的模块，在上位机上创建一个无限延展的平面地图，上有一个机器人在运行。我们通过该仿真环境得知当前机器人的速度和传感器的信息，保存成共享变量，传给机器人算法模块。算法得出机器人下一步应当执行的速度和传感器的位置，输入到该仿真机器人中。如果在真实环境中执行，则打开TCP连接模块。将当前由机器人算法模块得到的DaNI移动机器人平台轮子速度、传感器朝向等信息发送给DaNI移动机器人平台。同时打开TCP侦听模块，接收DaNI移动机器人平台传输来的传感器信息和轮子转速信息，并保存成共享变量。算法模块位于上位机执行。该模块首先得知目前处于何种工作模式。如果是遥控模式，则从用户界面输入模块得知用户输入的DaNI移动机器人平台运动速度，并保存成命令共享变量，发送给DaNI移动机器人平台。如果是简单VHl算法模式，则将已经获得的传感器信息传递给简单WH算法，然后通过上述的VHl算法得到DaNI移动机器人平台下一步应该执行的速度，并保存成为命令共享变量。如果是高级VHl算法模式，则将已经获得的传感器信息、当前位置和目标点信息传递给高级VFH算法模块，然后通过上述的算法得出DaNI移动机器人平台下一步应当执行的速度，并保存成为命令共享变量，发送给DaNI移动机器人平台。本发明基于DaNI移动机器人平台的智能安全巡逻系统的工作过程如下
机器人实现了自主避障行走的功能；可以与上位机进行无线的远程通信，实现了上位
机远程遥控机器人行走的功能；机器人上安装了网络摄像头，实现了拍摄当前位置的环境信息，并无线传输给上位机，在上位机上图形界面显示；机器人上安装了支架，可以遥控让其上升下降。摄像头安装在支架上，并且下面有可以遥控转动的舵机，方便摄像头移动并拍摄各个角度和位置的图像；机器人可以对摄像头拍摄的信息进行判断是否存在异常状况，如在原本应该黑暗的环境中，存在强光或火光。若存在，则会在上位机上报警提示。在机器人自主避障行走模式下，首先机器人通过安装在机器人上方的超声波传感器探测一周，获取周围环境里的障碍物的位置和大小信息，然后通过无线路由器，将信息使用TCP通信协议传送到上位机上。上位机调用VFH算法，计算得到下一步应该走的方向和速度，同样通过无线路由器发送到机器人上，机器人将该信息处理后，发送给轮子，执行该运动。在机器人遥控行走模式下，首先用户通过图形界面，输入机器人行走的速度和方向。程序中获取了该信息，通过无线路由器，使用TCP协议发送给机器人。机器人接收了信息后，转化为轮子应该执行的速度，发送给轮子。轮子产生该转速，使得机器人产生用户指定的速度和方向。欲使用在机器人上的摄像头拍摄功能，先由用户打开摄像头供电开关，安装在机器人前端的电源设备会提供给摄像头合适的输入电源。摄像头会启动并拍摄前方的图像。用户可以通过用户界面，控制摄像头下方的舵机和升降梯，调整摄像头面朝方向。摄像头将获取的图像信息，转化为jpg图片，通过无线路由器，上传到开设在上位机上的FTP中。上位机运行的LabVIEW读取FTP文件夹中的图片，并在图形界面上显示。由于摄像头将图像转换为图片非常快速，使得在图形界面上看起来几乎是动态的，不存在闪烁或是滞后的效果，从而实现将摄像头拍摄的信息在图形界面上显示的功能。欲使用异常亮光报警功能，先打开摄像头拍摄功能。LabVIEW通过上文的方法获取到摄像头当前的图像信息，通过调用IMAQ Cast Image, vi将该图片转换为Grayscale (U8)格式的图片，再调用IMAQ Light Meter, vi进行对图片中间部分的亮度的测量，若高于设定值，则表示环境中存在亮度异常大的物体(如火光、异常亮光等等)，图形界面上报警灯亮起。
权利要求
1.一种基于DaNI移动机器人平台的智能安全巡逻系统，其特征在于，它包括DaNI移动机器人平台、无线路由器、升降梯、舵机、电源、网络摄像头和上位机等；电源为无线路由器、升降梯、网络摄像头和舵机供电，舵机、升降梯和无线路由器均与DaNI移动机器人平台电连接，升降梯固定在DaNI移动机器人平台上，舵机固定在升降梯的顶端，网络摄像头安装在舵机上，网络摄像头与无线路由器相连，无线路由器安装在DaNI移动机器人平台底部，无线路由器与上位机无线通信；其中， 无线路由器通过网线与DaNI移动机器人平台和网络摄像头连接，通过无线通信与上位机连接；DaNI移动机器人平台、网络摄像头、上位机与无线路由器的IP地址设为同一子网下；这样，实现了上位机远程无线控制DaNI移动机器人平台和摄像头； 升降梯安装在DaNI移动机器人平台的后部，其功能为负责将摄像头上升或下降，实现拍摄合适的画面；升降梯包括一步进电机，步进电机控制升降梯的升降，步进电机的电源信号、方向信号以及速度信号由DaNI移动机器人平台上的数字输出口提供； 舵机固定在升降梯的顶部，负责将摄像头进行抬头低头、左右摇头的方向控制；舵机的电源信号、PWM信号由DaNI移动机器人平台上的数字输出口提供； 电源安装在DaNI移动机器人平台的前方，由此给无线路由器和网络摄像头供电；电源的额定电压为12V，额定容量为2. 6Ah;降压器的性质为非隔离降压稳压输出，输入电压为.4. 5-35V，带控制脚；输出电压为I. 25-30V连续可调； 上位机通过无线路由器与DaNI移动机器人平台和网络摄像头进行远程无线通信，只要各个设备都在同一子网下即可，上位机的功能是接收机器人的信号，发送机器人的控制命令，控制机器人的运动； DaNI移动机器人平台自带超声波传感器，超声波传感器通过发送一个短超声波脉冲，然后监听回声来检测物体；在主机微控制器的控制下，传感器发送短40kHz超声波脉冲；脉冲在空气中以大约1130英尺每秒传播，击中物体，然后弹回传感器；传感器提供输出脉冲到主机，直到回声被检测到；因此脉冲的宽度对应于目标物体的距离； 网络摄像头安装在DaNI移动机器人平台上的升降梯顶部的舵机上，通过网线与路由器连接；该网络摄像头可以通过互联网远程监控家庭或办公室，红外线LED灯适用于夜间监控，支持I IN无线连接，兼容IlG无线设备，4倍数码变焦。
全文摘要
本发明公开了一种基于DaNI移动机器人平台的智能安全巡逻系统，它包括DaNI移动机器人平台、无线路由器、升降梯、舵机、电源、网络摄像头和上位机等；电源为无线路由器、升降梯、网络摄像头和舵机供电，舵机、升降梯和无线路由器均与DaNI移动机器人平台电连接，升降梯固定在DaNI移动机器人平台上，舵机固定在升降梯的顶端，网络摄像头安装在舵机上，网络摄像头与无线路由器相连，无线路由器安装在DaNI移动机器人平台底部，无线路由器与上位机无线通信；应用本发明进行安全巡逻，可以减轻安保人员工作压力，增强公共环境安全性，提升社会生活品质，降低安保支出。
文档编号G05D1/02GK102799185SQ20121032420
公开日2012年11月28日 申请日期2012年9月5日 优先权日2012年9月5日
发明者潘树文, 占斐, 施梦嘉, 潘胜杰 申请人:浙江大学