一種自主巡邏智能預(yù)警的機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

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(1.廣州大學(xué) 華軟軟件學(xué)院 電子系，廣州 510990；2.廣州卓絕智能科技有限公司)

引　言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，倉(cāng)庫(kù)空間面積也越來(lái)越大，而倉(cāng)庫(kù)監(jiān)管技術(shù)并未得到同步發(fā)展，導(dǎo)致各地倉(cāng)庫(kù)的危險(xiǎn)事故頻頻發(fā)生，例如，2015年8月15日，在震驚中外的天津?yàn)I海新區(qū)塘沽危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)大爆炸中，165人死亡，8人失聯(lián)，334人受傷，據(jù)惠譽(yù)國(guó)際信用評(píng)級(jí)有限公司評(píng)估該次事故直接損失高達(dá)15億美元。

化學(xué)化工產(chǎn)業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，而化工產(chǎn)品中?；酚终紦?jù)了相當(dāng)份額[1]，?；穫}(cāng)庫(kù)的危險(xiǎn)事故大多是因倉(cāng)庫(kù)環(huán)境變化造成的[2-3]，而倉(cāng)庫(kù)環(huán)境又由空氣溫濕度、壓強(qiáng)、光照、泄漏?；窛舛鹊茸兞狂詈隙桑瑢?duì)倉(cāng)庫(kù)全范圍中相關(guān)環(huán)境變量的檢測(cè)是預(yù)防危險(xiǎn)事故的先決條件。目前危化品倉(cāng)庫(kù)的管理一般有純?nèi)斯けO(jiān)控管理和設(shè)備監(jiān)控管理兩種方式，但不管是純?nèi)斯けO(jiān)控還是設(shè)備監(jiān)控都存在很大的缺陷，天津大爆炸就證明了這一點(diǎn)。在純?nèi)斯す芾矸绞较拢瑹o(wú)論倉(cāng)管人員是否充足，都很難做到24小時(shí)不間斷無(wú)差錯(cuò)地巡邏，而且因人體對(duì)環(huán)境信息的感知不夠敏感，倉(cāng)庫(kù)環(huán)境惡化時(shí)不容易發(fā)覺(jué)。借助設(shè)備監(jiān)控這種管理方式也存在以下問(wèn)題[4-5]：倉(cāng)庫(kù)定點(diǎn)安裝監(jiān)控裝置容易存在監(jiān)控盲區(qū)；安裝的檢測(cè)傳感器較單一，且針對(duì)性不強(qiáng)，漏報(bào)警和誤報(bào)警率高，系統(tǒng)缺乏智能性；需多點(diǎn)安裝監(jiān)控裝置，系統(tǒng)成本太高。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)具有自主巡邏、立體檢測(cè)、智能預(yù)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的危化品倉(cāng)庫(kù)巡邏機(jī)器人系統(tǒng)，有效彌補(bǔ)了?；穫}(cāng)庫(kù)安全監(jiān)控中存在的不足。

1　總體方案設(shè)計(jì)

本巡邏機(jī)器人能夠借助巡邏導(dǎo)航子系統(tǒng)在危化品倉(cāng)庫(kù)中全范圍自主巡邏，同時(shí)通過(guò)環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)對(duì)倉(cāng)庫(kù)中各種環(huán)境參數(shù)和泄漏危化品濃度進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)融合處理，并通過(guò)WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將各種原始數(shù)據(jù)和融合后數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器保存。同時(shí)機(jī)器人會(huì)對(duì)采集的各種環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，并將數(shù)據(jù)融合結(jié)果值和報(bào)警閾值進(jìn)行比較來(lái)判定倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的危險(xiǎn)程度，當(dāng)機(jī)器人認(rèn)為倉(cāng)庫(kù)綜合環(huán)境存在安全隱患時(shí)，會(huì)發(fā)出預(yù)警甚至報(bào)警信號(hào)，當(dāng)管理人員未及時(shí)處理時(shí)，機(jī)器人會(huì)通過(guò)GSM打電話給倉(cāng)庫(kù)管理人員，工作人員也可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)登陸云服務(wù)器隨時(shí)隨地查看倉(cāng)庫(kù)情況或?qū)C(jī)器人發(fā)送各種控制指令。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　巡邏機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1　巡邏導(dǎo)航子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)巡邏機(jī)器人在室內(nèi)閉合環(huán)境中的自主巡邏功能，硬件上它由微控制器STM32F429IG及最小系統(tǒng)電路、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊L298N、6軸運(yùn)動(dòng)處理組件MPU6050、紅外避障檢測(cè)傳感器E18-D80NK等組成。它首先利用L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)使機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)，并利用E18-D80NK傳感器進(jìn)行障礙物檢測(cè)，借助MPU6050內(nèi)置的角速度傳感器檢測(cè)機(jī)器人在巡邏過(guò)程中累計(jì)變換的方向角，在機(jī)器人每巡邏一圈后，巡邏方式自動(dòng)在右手法則和左手法則之間切換，同時(shí)在巡邏過(guò)程中利用PID算法對(duì)機(jī)器人行進(jìn)路徑進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在?；穫}(cāng)庫(kù)中的自主巡邏導(dǎo)航功能。巡邏導(dǎo)航子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　巡邏導(dǎo)航子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2　環(huán)境檢測(cè)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)周邊各種環(huán)境變量的檢測(cè)、多傳感器數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)通信和視頻監(jiān)控功能，硬件上包括微控制器STM32F429IG(與巡邏導(dǎo)航子系統(tǒng)共用)、泄漏?；窔怏w檢測(cè)傳感器MQ2(可檢測(cè)液化氣、烷、苯、氫氣、酒精、煙霧等)、火焰檢測(cè)傳感器RB-02S022A、溫濕度傳感器DHT11等環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器(必要時(shí)還可根據(jù)不同的需要在預(yù)留的單片機(jī)接口加裝所需要的傳感器)，通信模塊包括集GSM、藍(lán)牙技術(shù)于一體的模塊SIM808和WiFi模塊RTL8188EUS，視頻監(jiān)控采用可電動(dòng)控制的云臺(tái)+攝像頭組合，用戶可以通過(guò)攝像頭在遠(yuǎn)程控制云臺(tái)查看倉(cāng)庫(kù)中各個(gè)角度的畫面。在工作原理上，它首先利用機(jī)器人自身攜帶的上述各種傳感器在巡邏過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)利用MCU對(duì)各傳感器采集的數(shù)據(jù)以基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感器數(shù)據(jù)融合模型進(jìn)行融合處理，并根據(jù)融合結(jié)果自行判斷當(dāng)前倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的危險(xiǎn)程度，當(dāng)融合結(jié)果接近報(bào)警閾值時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)通過(guò)WiFi向遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)向發(fā)出相應(yīng)的預(yù)警甚至報(bào)警信號(hào)，當(dāng)管理人員未及時(shí)處理時(shí)，機(jī)器人還會(huì)利用SIM808給管理人員撥打電話。整個(gè)環(huán)境檢測(cè)子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　環(huán)境檢測(cè)子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1　自主巡邏功能

在室內(nèi)環(huán)境中自主移動(dòng)是機(jī)器人進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控的前提，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境中的自主巡邏，采用了紅外傳感器檢測(cè)可行走區(qū)域的邊界，以左手法則和右手法則作為機(jī)器人全地圖巡邏的準(zhǔn)則，同時(shí)通過(guò)角速度傳感器和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)檢測(cè)機(jī)器人前進(jìn)時(shí)累積的方位角和里程數(shù)，每轉(zhuǎn)完1圈時(shí)，機(jī)器人以45°角在左、右手法則之間切換巡邏，并以PID控制算法使機(jī)器人沿著室內(nèi)地圖邊緣平行前移。

本文中左手法則定義：在自主巡邏過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)到左側(cè)有障礙物(即可行走區(qū)域的邊界)時(shí)，機(jī)器人以PID算法與邊界保持一定的距離沿著邊界前行，直到轉(zhuǎn)完1圈為止。在機(jī)器人前行的過(guò)程中，將行經(jīng)的路程和轉(zhuǎn)換的方向角不斷進(jìn)行累加，當(dāng)路程等于預(yù)先設(shè)定的室內(nèi)空地巡邏路徑周長(zhǎng)，且機(jī)器人方位的轉(zhuǎn)向角度達(dá)到360°時(shí)即認(rèn)為轉(zhuǎn)完1圈。右手法則類似。

本系統(tǒng)使用的自主巡邏算法流程圖如圖4所示。

圖4　機(jī)器人自主巡邏算法流程圖

3.2　多傳感器數(shù)據(jù)融合功能

通過(guò)對(duì)周邊環(huán)境各種參數(shù)的檢測(cè)來(lái)預(yù)估環(huán)境潛在的危險(xiǎn)度是巡邏機(jī)器人非常重要的功能，通過(guò)搭載多個(gè)異型

傳感器來(lái)感知環(huán)境中的溫度、濕度、有毒、易燃易爆氣體濃度是最常用的檢測(cè)方法。但由于各種環(huán)境變量之間存在不同程度耦合作用，例如當(dāng)空氣中相對(duì)濕度大于60%時(shí)，發(fā)生火災(zāi)很少，易燃易爆氣體在空氣中的安全濃度閾值大大提升；當(dāng)濕度在40%～60%之間時(shí)，可以發(fā)煙燃燒但不易擴(kuò)大燃燒面積，當(dāng)空氣濕度在30%～40%時(shí)，容易燃燒并蔓延，而濕度低于25%時(shí)，極易發(fā)生火災(zāi)，空氣中極少量的易燃易爆氣體也可能會(huì)引發(fā)災(zāi)難[6-7]。為此，本系統(tǒng)在硬件上利用多個(gè)異型傳感器的互補(bǔ)性來(lái)豐富對(duì)空間環(huán)境各變量的檢測(cè)，并設(shè)計(jì)了一種以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心算法的特征級(jí)數(shù)據(jù)融合模型來(lái)評(píng)估環(huán)境參數(shù)的危險(xiǎn)度。

本文設(shè)計(jì)的以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心算法的多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，其原理是首先通過(guò)巡邏機(jī)器人系統(tǒng)的n個(gè)異型傳感器采集倉(cāng)庫(kù)環(huán)境變量，再利用拉依達(dá)法則對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，然后進(jìn)行歸一化處理，將處理結(jié)果作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)輸入數(shù)據(jù)，最后利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合處理，并將融合結(jié)果作為機(jī)器人報(bào)警決策的依據(jù)進(jìn)行輸出。

圖5　基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中包括1個(gè)輸入層、1個(gè)隱層和1個(gè)輸出層。為便于研究，本文選取了三個(gè)典型環(huán)境變量(包括空氣溫度x1、空氣相對(duì)濕度x2、各種有毒或可燃性?；窛舛染C合值x3)作為網(wǎng)絡(luò)輸入，選用預(yù)警變量y(0≤y≤1)作為網(wǎng)絡(luò)輸出層結(jié)點(diǎn)的輸出。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相關(guān)參數(shù)如表1所列。具體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計(jì)和訓(xùn)練過(guò)程詳見(jiàn)本項(xiàng)目已另著論文(參考文獻(xiàn)[8])。

表1　訓(xùn)練后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

3.3　遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)

一方面，機(jī)器人在巡邏過(guò)程中通過(guò)環(huán)境檢測(cè)子系統(tǒng)周期性地采集周邊環(huán)境數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合模型進(jìn)行融合處理，然后將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)(包括融合處理的結(jié)果)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳至云服務(wù)器，當(dāng)融合結(jié)果接近報(bào)警閾值時(shí)機(jī)器人還會(huì)給監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送預(yù)警信號(hào)，當(dāng)管理人員未及時(shí)作出處理時(shí)機(jī)器人還會(huì)通過(guò)GSM方式給管理員手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。另一方面，管理人員也可通過(guò)PC監(jiān)控平臺(tái)或手機(jī)監(jiān)控平臺(tái)訪問(wèn)服務(wù)器，隨時(shí)隨地查看當(dāng)前倉(cāng)庫(kù)環(huán)境，必要時(shí)還可以通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)遠(yuǎn)程對(duì)機(jī)器人發(fā)送指令。

遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)包括機(jī)器人程序、云服務(wù)器程序、PC監(jiān)控平臺(tái)程序和手機(jī)App程序。其中機(jī)器人程序主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)上傳、發(fā)送報(bào)警信號(hào)和接收控制信號(hào)等功能，云服務(wù)器以中國(guó)移動(dòng)提供的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)oneNET為基礎(chǔ)，主要用于接收、保存機(jī)器人上傳的數(shù)據(jù)，并為PC監(jiān)控平臺(tái)和手機(jī)App提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)；PC監(jiān)控平臺(tái)采用oneNET配套的WEB服務(wù)實(shí)現(xiàn)，主要用于從云服務(wù)器讀取機(jī)器人上傳的環(huán)境信息和機(jī)器人本身的狀態(tài)參數(shù)；手機(jī)App上除了PC監(jiān)控平臺(tái)程序功能外，另外加入了機(jī)器人遠(yuǎn)程控制功能，其工作流程如圖6所示。

圖6　遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)工作流程圖

4　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1　實(shí)驗(yàn)條件

采集危化品倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)事故前夕的數(shù)據(jù)十分困難，但為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的巡邏機(jī)器人系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的效果，在面積約30 m2的室內(nèi)空間模擬了?；穫}(cāng)庫(kù)的地形和可能出現(xiàn)的各種異常環(huán)境，并以各種家具物品模擬危化品存放處，輔以加濕器和除濕器作為濕度控制手段，以可制冷制熱的空調(diào)作為溫度控制手段，對(duì)于極端高溫不好模擬的情況，則直接在程序中設(shè)置數(shù)據(jù)代替，并把A點(diǎn)和B點(diǎn)作為?；窔怏w模擬泄漏點(diǎn)，以煤氣瓶模擬泄漏氣體CO，所建立的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖7所示。

圖7　模擬危化品倉(cāng)庫(kù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

4.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.2.1自主巡邏

?；穫}(cāng)庫(kù)自主巡邏是機(jī)器人及時(shí)發(fā)現(xiàn)危化品氣體泄漏的基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人實(shí)際行走路線如圖8所示，其中S1點(diǎn)為機(jī)器人右手法則中首次發(fā)現(xiàn)障礙物邊界的點(diǎn)，即開(kāi)始第1圈巡邏時(shí)的起點(diǎn)，S2為左手法則中初次發(fā)現(xiàn)障礙物邊界的點(diǎn)，也即被機(jī)器人標(biāo)為第2圈巡邏的起點(diǎn)，S3為第3圈巡邏起點(diǎn)，實(shí)線箭頭為第1圈巡邏的軌跡，點(diǎn)劃線箭頭為第2圈巡邏的軌跡，虛線箭頭為第3圈巡邏的軌跡。

可以看出在這種復(fù)雜度的地形中，機(jī)器人可以完全遍歷所有危化品存放點(diǎn)，在左、右手法則切換巡邏的過(guò)程中，以右手法則進(jìn)行巡邏的奇數(shù)圈起點(diǎn)明顯不同，以左手法則進(jìn)行巡邏的偶數(shù)全起點(diǎn)也不一樣，但不管起點(diǎn)如何變化，機(jī)器人均能按預(yù)定的規(guī)則一直在倉(cāng)庫(kù)中巡邏，并遍歷所有?；反娣劈c(diǎn)。巡邏機(jī)器人在查找是否有泄漏點(diǎn)時(shí)，檢測(cè)出存在泄漏點(diǎn)的時(shí)間取決于該泄漏點(diǎn)附近空氣中CO濃度，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，?；纺M泄漏點(diǎn)A和B發(fā)生少量煤氣泄漏，機(jī)器人在巡邏第1圈時(shí)發(fā)現(xiàn)B點(diǎn)泄漏，第2圈時(shí)發(fā)現(xiàn)A點(diǎn)泄漏，進(jìn)一步驗(yàn)證了該機(jī)器人自主巡邏算法的有效性。

4.2.2智能報(bào)警

為了驗(yàn)證巡邏機(jī)器人的多傳感器數(shù)據(jù)融合算法的有效性，通過(guò)調(diào)節(jié)控制實(shí)驗(yàn)倉(cāng)庫(kù)中不同溫度、濕度和煤氣泄漏度，利用巡邏機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了大量的安全預(yù)警報(bào)警測(cè)試。為便于驗(yàn)證，將測(cè)試過(guò)程中的30組數(shù)據(jù)的安全度按安全規(guī)則進(jìn)行了人工判定，并將機(jī)器人融合輸出值y(0≤y≤1)作為機(jī)器人預(yù)警依據(jù)，并規(guī)定y值越接近0表示安全度越高，反之越接近1表示安全度越低，并設(shè)定當(dāng)y≤0.3時(shí)不報(bào)警，當(dāng)0.30.7時(shí)紅色警報(bào)，30組測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所列。

圖8　實(shí)驗(yàn)倉(cāng)庫(kù)中自主巡邏第1、2圈路線圖

從表2可知，機(jī)器人對(duì)30組測(cè)試數(shù)據(jù)的融合結(jié)果雖然與報(bào)警預(yù)期有一定的偏差，但均在允許的誤差范圍內(nèi)，按規(guī)則生成的自動(dòng)判定結(jié)果與人工判定結(jié)果一致，完全可以應(yīng)用于機(jī)器人巡邏過(guò)程的分級(jí)預(yù)警。

表2　30組測(cè)試數(shù)據(jù)表

結(jié)　語(yǔ)