基于慣性穩(wěn)定與快速跟蹤雙模式的安防機器人

時延君　周禹軒　高浩　李婭婷　朱軍

摘 要：針對現(xiàn)有安防偵察機器人在穩(wěn)定成像與大范圍敏捷跟蹤等方面的不足，提出了一種基于慣性穩(wěn)定與快速跟蹤技術雙模式的安防偵察機器人系統(tǒng)。通過總體方案設計、結構設計，硬件與軟件設計、加工與裝配、集成與測試實驗，實現(xiàn)了安防偵察機器人無線驅動行走、姿態(tài)擾動隔離、動態(tài)慣性穩(wěn)定成像、靜態(tài)長時伺服監(jiān)視、大范圍快速目標捕捉等主要功能目標。實驗表明：該機器人既可在危險場合靜態(tài)監(jiān)視，又可在逼近目標過程中動態(tài)獲取高清晰圖像。

關鍵詞：安防防護；偵察機器人；慣性穩(wěn)定成像；快速目標跟蹤；無線控制

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2945（2019）04-0001-04

Abstract： In view of the deficiency of the existing scout robot in stable imaging and large scale agile tracking， a novel scout robot system is proposed， which combines both of the inertial stability technology and the wireless remote control to achieve the dual purpose of improving the image quality and target capture efficiency. By conducting overall scheme design， structure optimization， hardware and software design in control system， machining， assembly， integration， testing and experiment， etc.， the scout robot system was eventually realized， which has five typical main functions， such as wireless-drive walking， attitude disturbance isolation， dynamic inertial-stability imaging， static long-time servo monitoring and large-range fast target capture. The experimental results show that the robot can not only statically monitor object in dangerous situations， but also dynamically obtain high-resolution images in a movable process of approaching the target.

Keywords： security protection； scout robot； inertial-stability imaging； fast target tracking； wireless control

引言

近年來，一些嚴重危害公共安全和人員生命安全的危急突發(fā)事件時常發(fā)生，比如恐怖分子在人員稠密的公共場所安放爆炸物、危險化學品倉庫發(fā)生火災導致有害氣體泄漏，以及在一些核電廠發(fā)生事故產(chǎn)生核輻射，等等[1-3]。這些突發(fā)事件和事故對人民人身安全和社會公共安全產(chǎn)生嚴重危害和威脅，迫切需要對事故情況進行安全偵查、實時監(jiān)測和排除[4-6]。安防偵察機器人能代替救援人員進入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險災害事故現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)采集、處理和反饋，從而避免人員損傷和降低財產(chǎn)損失。因此，安防偵察機器人對于危機防爆、安全維穩(wěn)、公共安全和人民的健康生活均具有重要現(xiàn)實意義[7-9]。

然而，現(xiàn)有的一些安防偵察機器人存在明顯不足。比如，一些安防偵察機器人只有攝像功能，卻沒有防抖功能。在此情況下，如果承載偵察機器人攝像裝置的小車在野外進行動態(tài)拍攝時，傳輸回來的圖像質量將模糊不清，影響后方人員對危險現(xiàn)場信息的準確判斷；另外，一些偵察機器人的攝像系統(tǒng)沒有轉動功能，如果目標不在前進方向的監(jiān)視范圍內，搜索目標只能靠操控機器人小車大范圍轉動達到，非常費時費力，在危機事故發(fā)生時可能會貽誤救災或排爆的寶貴時機。

針對上述不足，本文提出一種基于慣性穩(wěn)定與快速跟蹤雙模式的安防偵察機器人系統(tǒng)。通過將慣性穩(wěn)定技術、無線操控及視頻反饋校正等技術相結合，實現(xiàn)提高監(jiān)視圖像質量和目標快速捕捉的雙重目的。

1 安防偵察機器人系統(tǒng)方案設計

針對現(xiàn)有安防機器人不足，本文提出基于慣性穩(wěn)定與快速跟蹤雙模式的安防偵察機器人總體設計思想和設計方案。安防偵察機器人具備無線驅動行走、姿態(tài)擾動隔離、動態(tài)慣性穩(wěn)定成像、靜態(tài)長時伺服監(jiān)視、大范圍快速目標捕捉等主要功能。根據(jù)主要功能，將主要組成部分劃分為高清晰CCD數(shù)碼照相機、無線圖像傳輸系統(tǒng)、APP無線智能驅動小車、Z向升降式三軸慣性穩(wěn)定平臺結構、自主穩(wěn)定伺服與無線遙控跟蹤雙模式控制系統(tǒng)主要模塊。

圖1為防偵察機器人系統(tǒng)總體方案示意圖。安防偵察機器人工作過程可以描述為：首先需要將相機置于輕小型慣性穩(wěn)定平臺上，利用慣性穩(wěn)定平臺的框架穩(wěn)定功能使得該攝像機在野外地面不平及危險環(huán)境下能夠始終保持穩(wěn)定成像。同時，能夠通過框架轉動實現(xiàn)對危險目標的大范圍跟蹤搜尋。此外，為了使得人與安防偵察小車之間有一定的安全距離，穩(wěn)定平臺的控制電路與平臺上位機監(jiān)控界面采用無線傳輸實現(xiàn)。最后，將輕小型穩(wěn)定平臺安裝于小車上，利用手機APP的無線傳輸控制小車運動，最終實現(xiàn)目標的高清監(jiān)視，實現(xiàn)安防偵察機器人系統(tǒng)的總體功能。

2 安防偵察機器人系統(tǒng)模塊設計

2.1 輕小型三軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)設計

圖2為輕小型三軸慣性穩(wěn)定平臺三維CAD模型。慣性穩(wěn)定平臺是實現(xiàn)慣性穩(wěn)定與快速目標跟蹤模式的基礎與關鍵部件。三自由度輕小型慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)，具有伺服穩(wěn)定和無線遙控兩種工作模式，主要組成部分包括三軸框架系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)、角位置測量系統(tǒng)及控制系統(tǒng)五大部分。三軸框架系統(tǒng)的基座通過減振器與小車相連，隔離小車線振動；方位框架由基座支承，實現(xiàn)±130°回轉；橫滾框架由方位框架支承，實現(xiàn)±30°內回轉；俯仰框架由橫滾框架支承，實現(xiàn)-90°至+30°回轉。

2.1.1 穩(wěn)定平臺結構設計

輕小型慣性穩(wěn)定平臺用于承載相機并在危險場所路面不平條件下，控制系統(tǒng)根據(jù)慣性姿態(tài)測量系統(tǒng)提供的框架角位置與角速率信息，產(chǎn)生指令，通過驅動框架反向旋轉對姿態(tài)擾動進行補償[10]。

由于危險物可能突然移動，導致監(jiān)視器失去目標，這就需要穩(wěn)定平臺具有對目標危險物的快速跟蹤功能。設計的輕小型慣性穩(wěn)定平臺利用其三個框架的自由小角度轉動補償姿態(tài)擾動、實現(xiàn)相機拍攝的穩(wěn)定，利用三個框架的各自獨立轉動實現(xiàn)相機拍攝的大范圍跟蹤控制。

2.1.2 穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)設計

（1）伺服穩(wěn)定方案設計

伺服穩(wěn)定設計方案為；穩(wěn)定平臺采用三環(huán)復合PID控制，通過位置姿態(tài)測量系統(tǒng)（POS）采集平臺橫滾框，俯仰框和方位框的姿態(tài)角，同時分別解算出三個框架的加速度以及速率，以此構成三環(huán)控制[11-12]，當整個電路系統(tǒng)一上電時，在慣性傳感器（陀螺和加速度計）的測量機結算下，穩(wěn)定平臺三個框架同時達到水平穩(wěn)定，當受到外界干擾時，平臺能夠克服外界的擾動實現(xiàn)框架自主穩(wěn)定，從而使得相機成像穩(wěn)定，保證圖像的清晰度。

（2）手動跟蹤方案設計

安防偵察機器人系統(tǒng)在實現(xiàn)搜尋危險物過程中除了要實現(xiàn)穩(wěn)定成像以外，還要實現(xiàn)快速遠程遙控跟蹤功能，即在監(jiān)視器的視野范圍內若沒有發(fā)現(xiàn)目標危險物，則能夠通過上位機監(jiān)控界面實現(xiàn)對穩(wěn)定平臺框架的轉動快速追蹤危險物。這一部分的內容則主要通過上位機監(jiān)控界面，同時還包括安防偵察小車來完成。具體實現(xiàn)過程為，首先通過相機監(jiān)控界面觀察圖像中是否存在目標危險物，若存在則鎖定危險物進行后續(xù)處理，若不存在則通過平臺上位機監(jiān)測界面輸入角度指揮平臺三個框架轉動直至相機視野中出現(xiàn)目標危險物，這時候再過手機APP操縱小車先轉向至目標危險物方向，然后向前移動至合適的距離，從而完成這一階段的任務，進入后續(xù)處理。

2.2 快速跟蹤遠程無線控制系統(tǒng)設計

安防偵察機器人的無線傳輸主要包括平臺電路與上位機監(jiān)控界面之間的無線傳輸，以及手機APP與安防偵察小車之間的無線控制，還有平臺相機以及對應的相機監(jiān)控界面之間的圖像傳輸。

首先，平臺電路與上位機監(jiān)控界面之間的無線傳輸采用目前市面上比較成熟的無線模塊。其次，手機APP與安防偵察小車之間的無線控制同樣也采用無線傳輸?shù)姆绞?，通過小車內部的藍牙模塊與特定的手機APP匹配，然后可以通過該APP上的鍵盤功能自己設置快捷鍵，從而可以在手機APP上實時操作小車的自由移動，包括前進，后退，轉向，停止等功能。最后，平臺相機以及對應的相機監(jiān)控界面之間的圖像傳輸也采用無線傳輸方式，這部分的傳輸主要是基于相關的調研，最后選定一款可以和本系統(tǒng)所使用的相機實現(xiàn)無線通訊的取景控制器，該控制器通過USB串口與相機進行連接，最后通過它自身發(fā)出的WiFi信號與相機監(jiān)控界面之間實現(xiàn)圖像的實時傳輸及儲存。

手機APP與安防偵察小車之間的無線藍牙控制同樣也采用無線傳輸?shù)姆绞剑瑘D3為小車內部藍牙模塊。

相機以及對應的相機監(jiān)控界面之間的圖像傳輸也采用無線傳輸?shù)姆绞剑虼宋覀儾捎靡豢羁梢院拖鄼C實現(xiàn)無線傳輸?shù)娜【翱刂破?。圖4為安裝了取景控制器的平臺相機及小車。

2.3 安防偵察小車的無線移動控制

只有安防偵察小車的自由移動控制，才能夠實現(xiàn)對危險目標的圖像采集及在線監(jiān)測。因此，需要利用無線通信，遠程操縱遙控機器人偵察小車遠距離向危險現(xiàn)場靠近。偵察小車的控制采用手機APP無線控制，基于無線通信加入藍牙功能，實現(xiàn)對安防偵察小車的無線移動控制。

2.3.1 系統(tǒng)的安防偵察小車的定制加工及無線藍牙模塊的添加

基于輕小型慣性穩(wěn)定平臺的結構，與小車的設計廠家進行交流，在安防偵察小車上面設計二層臺的安裝孔的大小及位置，用于穩(wěn)定平臺Z向高度可調節(jié)安裝。同時，在安防偵察小車加工完成以后，完成平臺以及二層臺的安裝，同時打開小車內部電路，在主控板上加入藍牙模塊。圖5為二層臺及平臺支架安裝在小車上的實物圖。

2.3.2 系統(tǒng)的控制電路板的安裝

本系統(tǒng)設計的控制系統(tǒng)集成了多個功能，按照預先設計時在二層臺下面留出來的電路盒的位置，將調試過程中的電路板集成到安裝盒里面之后，將電路盒放在二層臺底部，最后將平臺安裝好，將三個電機的輸入輸出線分別接到電路板的驅動板上，從而完成控制電路板與系統(tǒng)的連接。

2.3.3 系統(tǒng)的安防偵察小車手機控制軟件測試及練習

系統(tǒng)的安防偵察小車控制軟件界面如下圖6所示。

3 安防偵察小車加工、調試與集成實驗

3.1 慣性穩(wěn)定平臺加工與裝配

基于平臺的結構圖，通過機械加工廠對穩(wěn)定平臺進行了結構加工與裝配，并選型購置了減震器、力矩電機、光電碼盤等元器件。圖7是慣性穩(wěn)定平臺組裝完成后的整體實物圖。

3.2 偵察小車

安防偵察機器人需要具備移動功能，以實現(xiàn)靠近或者原理目標危險物的功能。針對該系統(tǒng)的設計要求，我們定制了偵察小車。小車具備移動的功能和轉向功能。該小車最大能夠承載50kg的重量，最大的移動速度能夠達到6m/s，手機藍牙控制其移動距離可以達到10m。圖8為安防偵察機器人系統(tǒng)定制的無線安防偵察小車的實物圖。

3.3 偵察機器人集成實驗

圖9為基于慣性穩(wěn)定與快速跟蹤雙模式的安防偵察機器人實物照片。將安防偵察機器人組成完成，之后進行實驗。實驗的目的是測試機器人能否成功定位靜止目標物以及在目標物移動狀態(tài)下是否能完成追蹤功能。

圖10為輕小型平臺的動態(tài)實驗實物圖。通過對設計的安防偵察機器人執(zhí)行觀測任務的實驗測試，驗證了機器人的各方面性能：

首先，該安防偵察機器人系統(tǒng)可以實現(xiàn)輕小型慣性穩(wěn)定平臺的自主穩(wěn)定及跟蹤功能，它能夠針對復雜的危險環(huán)境，自主保持輕小型慣性穩(wěn)定平臺的框架穩(wěn)定；當圖像視野內不存在目標物時，平臺能夠實現(xiàn)大范圍跟蹤從而將目標危險物置于監(jiān)視器中心，完成目標跟蹤監(jiān)測。

其次，該安防偵察機器人可以完成無線傳輸功能，能夠實現(xiàn)平臺電路與上位機監(jiān)控界面之間的圖像無線傳輸，通過輕小型慣性穩(wěn)定平臺電路與平臺上位機監(jiān)控界面的無線連接實現(xiàn)對平臺框架的穩(wěn)定及手動跟蹤監(jiān)測功能。

第三，該安防偵察機器人可實現(xiàn)對安防偵察小車的無線控制。該系統(tǒng)中的安防偵察小車的控制采用手機APP無線控制，利用手機完成對安防偵察小車的無線移動的功能，實現(xiàn)對承載輕小型慣性穩(wěn)定平臺的安防偵察小車的無線控制。

4 結束語

本文設計了一種基于慣性穩(wěn)定實時偵察/監(jiān)視與大范圍快速目標跟蹤雙模式的安防偵察機器人，將慣性穩(wěn)定技術與無線控制技術相結合，克服了現(xiàn)有偵察機器人的不足，實現(xiàn)了提高監(jiān)視圖像質量和目標捕捉效率的雙重目的。該機器人既可在危險場合靜態(tài)監(jiān)視，又可在逼近目標過程中動態(tài)獲取高清晰圖像，主要功能包括：（1）無線驅動行走功能；（2）姿態(tài)擾動隔離功能；（3）動態(tài)慣性穩(wěn)定成像；（4）靜態(tài)長時伺服監(jiān)視功能；（5）大范圍目標快速捕捉功能。當目標位置突然發(fā)生變化，后方人員發(fā)給穩(wěn)定平臺無線控制指令，穩(wěn)定平臺從伺服控制切入快速跟蹤控制模式，后方人員通過監(jiān)視器大范圍無線控制追蹤目標，獲取目標后馬上恢復穩(wěn)定監(jiān)視模式。

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