智能校園巡邏安保機(jī)器人設(shè)計(jì)

薛金言，張 斌，武 瀚

（哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

智能校園巡邏安保機(jī)器人設(shè)計(jì)

薛金言，張 斌，武 瀚

（哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

新型功能的智能機(jī)器人是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)之一，而智能車是輪式機(jī)器人的一種，在實(shí)際生活和科技軍事領(lǐng)域都發(fā)揮著不可替代的作用，因其可以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，執(zhí)行一些人類無(wú)法執(zhí)行的任務(wù)。結(jié)合常被社會(huì)關(guān)注的校園安全問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了校園安保機(jī)器人小車，主要概括了國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的現(xiàn)狀、所存在的主要問(wèn)題以及發(fā)展方向；另外，對(duì)智能安保機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行了闡述。

智能車；安保；機(jī)器人

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，超級(jí)商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、車站、會(huì)展中心及物流倉(cāng)庫(kù)等大型人流、物流場(chǎng)所的規(guī)模和數(shù)量不斷擴(kuò)大，大中城市的高層、高檔商用日益增多，其保安自動(dòng)化需求日趨迫切。巡邏機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、路線規(guī)劃、動(dòng)態(tài)決策、行為控制以及報(bào)警裝置于一體的多功能綜合系統(tǒng)，采用巡邏機(jī)器人實(shí)行定時(shí)、定點(diǎn)監(jiān)控巡邏或不間斷流動(dòng)巡邏將是目前一種可行的解決方案[1]。而機(jī)器人在環(huán)境中能夠準(zhǔn)確地定位以及躲避可能存在的障礙物，是機(jī)器人完成巡邏任務(wù)的前提和基礎(chǔ)。將機(jī)器人用于保安工作，具有廣闊的應(yīng)用前景，近年來(lái)已受到國(guó)內(nèi)外的重視，成為服務(wù)機(jī)器人的一個(gè)新研究方向。

目前，在校園中比較通用的辦法是，校園物業(yè)招聘保安，成立夜間巡邏隊(duì)。實(shí)踐證明，這種方法雖然能起到一定的作用，但缺陷也是非常明顯的。首先，安保行業(yè)缺口大。據(jù)資料顯示，安保從業(yè)人員不足需求量的80%，需求缺口不少于112萬(wàn)人，并且安保行業(yè)的流動(dòng)性非常高。其次，從業(yè)人員的素質(zhì)偏低。由人構(gòu)成的夜間巡邏隊(duì)伍不能保證不遺留死角，且人在深夜容易瞌睡，保安人員會(huì)發(fā)生脫崗漏崗睡崗現(xiàn)象。再次，保安“老齡化”趨勢(shì)嚴(yán)重。校園保安即使發(fā)現(xiàn)有可疑人員也無(wú)法迅速通知監(jiān)控中心，安保行業(yè)市場(chǎng)面臨的困惑亟待解決。而隨著人工智能安保機(jī)器人的出現(xiàn)，安保機(jī)器人作為智能安防中的重要一員，可代替更多的勞動(dòng)力，成為產(chǎn)業(yè)升級(jí)或變革的重要工具，傳統(tǒng)商業(yè)的安防模式將逐漸進(jìn)入機(jī)器智能化時(shí)代[2]。鑒于此，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了智能巡邏校園安保機(jī)器人。

1 智能校園巡邏安保機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 智能校園巡邏安保機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

智能校園巡邏安保機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)是把一系列傳感器以及檢測(cè)裝置與圖像傳輸裝置安裝在基于麥克納母輪的移動(dòng)平臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)自由靈活的移動(dòng)。綜合上述的裝置和平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了巡邏機(jī)器人的全方位的智能巡邏與安保。

整機(jī)是由基于麥克納木輪的底盤系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、視覺(jué)避障系統(tǒng)、圖像采集及傳輸系統(tǒng)、檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)組成。安保機(jī)器人的巡邏功能分自動(dòng)巡邏和遠(yuǎn)程遙控巡邏兩種模式[3]。在自動(dòng)模式下，機(jī)器人可根據(jù)環(huán)境信息，自動(dòng)構(gòu)建地圖及實(shí)時(shí)定位，并按預(yù)定路線、預(yù)定時(shí)間執(zhí)行巡邏任務(wù)。在巡邏過(guò)程中機(jī)器人若自身電力不足，可自行尋找充電樁對(duì)接充電。遠(yuǎn)程模式則是通過(guò)遠(yuǎn)程遙控器操作機(jī)器人巡邏。其中麥克納母輪底盤系統(tǒng)和底盤控制系統(tǒng)用來(lái)保證機(jī)器人的靈活移動(dòng)與避障，可以根據(jù)場(chǎng)地的具體情況，設(shè)定規(guī)劃好一條路徑，也可以通過(guò)視覺(jué)避障系統(tǒng)發(fā)出的指令進(jìn)行移動(dòng)。視覺(jué)避障系統(tǒng)用來(lái)保證機(jī)器人的避障與行進(jìn)。當(dāng)視覺(jué)避障系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)接近障礙時(shí)，發(fā)出信號(hào)給底盤控制系統(tǒng)，使其做出判斷，并做出正確的路徑規(guī)劃，繼續(xù)前進(jìn)。圖像采集及傳輸系統(tǒng)用來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖像采集與回傳，其具有夜視功能的高清數(shù)字?jǐn)z像頭及各種傳感器，可實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、錄像存儲(chǔ)、歷史回放。同時(shí)該機(jī)器人還可以通過(guò)前后左右4個(gè)移動(dòng)高清數(shù)字?jǐn)z像頭，綜合各個(gè)傳感器信息，將檢測(cè)到的圖像回傳給控制系統(tǒng)與控制室，控制系統(tǒng)做出判斷后，若發(fā)現(xiàn)異常情況，會(huì)立即發(fā)送到檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，檢測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)周邊環(huán)境的與發(fā)出報(bào)警，當(dāng)其發(fā)現(xiàn)可疑的氣體或圖像后，立即拉響警報(bào)并且給主控室發(fā)出報(bào)警，提醒主人當(dāng)前環(huán)境發(fā)生異常情況。

1.2 視覺(jué)避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

視覺(jué)避障部分采用超聲波與光電管結(jié)合，超聲波測(cè)距部分使用TR40超聲波探頭，而紅外檢測(cè)則采用了L5IR3-30紅外發(fā)射二極管和IRM38BL-2一體化接收頭，其具有衰減低、可靠性高等特點(diǎn)[4]。在利用超聲波測(cè)距的同時(shí)，利用紅外線檢測(cè)彌補(bǔ)超聲波檢測(cè)的角度精度，因?yàn)槌暡òl(fā)射頭的發(fā)射角度較大，而紅外線發(fā)射頭的發(fā)射角度相對(duì)較小，將兩者結(jié)合可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)出前方物體的具體位置和距離，甚至可以掃描出前面物體的大體輪廓。在機(jī)器人進(jìn)入自動(dòng)值守模式時(shí)，兩側(cè)的熱釋紅外傳感器開(kāi)始工作，當(dāng)有人在傳感器警戒范圍內(nèi)走動(dòng)時(shí)，由人體發(fā)出的微量紅外線通過(guò)菲涅爾透鏡聚焦后，在熱釋電人體紅外線傳感器的內(nèi)部敏感元件上引起溫度變化而產(chǎn)生極化，從而在傳感器的外接電阻兩端輸出傳感信號(hào)。此傳感信號(hào)相當(dāng)微弱，經(jīng)二級(jí)放大、雙向鑒幅、延時(shí)處理后，再送往單片機(jī)處理，從而實(shí)現(xiàn)攝像頭自動(dòng)檢測(cè)拍攝移動(dòng)人體的功能[5]。

1.3 可移動(dòng)底盤設(shè)計(jì)

可移動(dòng)底盤設(shè)計(jì)能夠使車具有前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)的能力。使用鋁型材去制作底盤，因?yàn)殇X型材結(jié)構(gòu)特殊方便后期的調(diào)整，而且鋁型材的質(zhì)量比較輕，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，并且鋁型材符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，使用更加方便。又因?yàn)槭切⌒蜋C(jī)器人，所以對(duì)機(jī)器人的質(zhì)量有限定，使用鋁型材作為機(jī)器人的底盤，剛好解決了機(jī)器人底盤笨重，對(duì)電機(jī)負(fù)載較大的難點(diǎn)，同時(shí)鋁型材有專門的連接件，有很少的打孔和很少的折彎，加工簡(jiǎn)單，裝配方便，減少了對(duì)鋁型材的二次加工，所以極大地方便了機(jī)器人的組裝，同時(shí)也大大減輕了后期調(diào)整的負(fù)擔(dān)，能夠使車具有前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)的能力。

智能校園巡邏安保機(jī)器人作為一種新的一種全向移動(dòng)的新型機(jī)器人，其基本結(jié)構(gòu)是通過(guò)把一系列的傳感器與檢測(cè)裝置安裝在底盤上面，使其完成相應(yīng)的功能。機(jī)器人的底盤是保證機(jī)器人移動(dòng)的核心，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該考慮到其靈活性，一般的底盤都比較笨重，靈活性比較差，或者運(yùn)動(dòng)特性不好，不能滿足在校園環(huán)境中使用的條件，而且不能在一些狹小的環(huán)境中移動(dòng)，會(huì)對(duì)機(jī)器人的功能起到一定的限制。所以在下文中我們對(duì)機(jī)器人的底盤進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析。

2 底盤可行性方案的設(shè)計(jì)與比較

2.1 方案一

如圖1所示，三角全向輪系的路徑調(diào)試較好，耐碰撞性能一般，有著較好的強(qiáng)度，且機(jī)構(gòu)布置方便，但在制作方面有一定難度且移動(dòng)性能較差，調(diào)試過(guò)程中不易實(shí)現(xiàn)。

圖1 三輪全向輪系

2.2 方案二

如圖2所示，差速輪系的路徑調(diào)試一般，有著較好的耐碰撞性和強(qiáng)度，制作工藝簡(jiǎn)單，但在機(jī)構(gòu)布置方面有一定難度。

2.3 方案三

如圖3所示，麥克納姆輪系的路徑調(diào)試效果較好，有著較好的耐碰撞性和強(qiáng)度，制作比較困難，但在機(jī)構(gòu)布置方面非常簡(jiǎn)單。機(jī)器人的底盤使用麥克納姆輪，因?yàn)槭褂名溈思{姆輪是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個(gè)機(jī)輪法向力上面。依靠各自機(jī)輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個(gè)合力向量，從而保證了這個(gè)平臺(tái)在最終的合力向量的方向上能自由地移動(dòng)，而不改變機(jī)輪自身的方向。在其輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移[6]。小滾子的母線很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動(dòng)。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個(gè)這種新型輪子進(jìn)行組合，可以更靈活方便地實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能[7]。

圖2 差速輪系

圖3 基于麥克納姆輪的四輪全向輪系

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)3種底盤的對(duì)比分析，采用麥克納姆輪有著較大的優(yōu)勢(shì)。機(jī)器人安裝了基于麥克納姆輪的底盤，所以克服了大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人不可以移動(dòng)的問(wèn)題，該機(jī)器人可以自由行走，運(yùn)動(dòng)靈活，操作方便，同時(shí)將多種傳感器安裝在可以動(dòng)的底盤上，大大提高了機(jī)器人的靈活性。此外該小型可移動(dòng)智能安保巡邏機(jī)器人非常適合應(yīng)用在空間有限、狹窄的環(huán)境，在提高工作效率、降低人力成本方面具有明顯的效果。

該小型可移動(dòng)多用途機(jī)器人的體積小，且具有一定的智慧。因此其訓(xùn)練和調(diào)試工作將變得更加簡(jiǎn)單，同時(shí)操作控制將變得更加簡(jiǎn)潔容易上手，因此其性價(jià)比將進(jìn)一步提升[8]。所以該機(jī)器人的使用范圍將更加廣泛，其不僅可以在校園環(huán)境中發(fā)揮自如，而且適用于商場(chǎng)、大型樓宇中，從而有力地解決了安保人員雇傭難、勞動(dòng)力短缺的問(wèn)題。

[1]王田苗，劉進(jìn)長(zhǎng).機(jī)器人技術(shù)主題發(fā)展戰(zhàn)略的若干思考[J].中國(guó)制造業(yè)信息化，2003（1）：31-35.

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Design of intelligent campus patrol security robot

Xue Jinyan, Zhang Bin, Wu Han
（Mechanical Engineering School of Harbin University of Science and Technology, Harbin 150000, China）

The intelligent robot of the new function is one of the hotspots of the present research, and the intelligent vehicle is a kind of wheeled robot, which plays an irreplaceable role in the real life and the military fi eld of science and technology because it can adapt to the complicated environment, perform some tasks that humans can not. Combined with the campus security issues that are often of concern to society, we hereby designed a campus security robot car. This paper mainly elaborates the current situation, the main problems and the development direction of the robot at home and abroad. In addition, the basic structure and function of intelligent security robot are expounded.

intelligent car; security; robot

薛金言（1995— ），男，甘肅武威人，本科；研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。