智能安防巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：在當(dāng)今社會(huì)，安防需求不斷升級(jí)，傳統(tǒng)巡檢手段難以難以符合高效、智能監(jiān)控的要求。智能安防巡檢機(jī)器人具備自主感知、巡檢高效和可遠(yuǎn)程操控等特點(diǎn)，逐漸成為解決方案之一。本文研究智能安防巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，通過構(gòu)建穩(wěn)定性測(cè)試平臺(tái)，以機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）系統(tǒng)為基礎(chǔ)，全面評(píng)估機(jī)器人在巡檢任務(wù)中的性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)表現(xiàn)出色，為智能安防領(lǐng)域提供了一套高效、可靠的監(jiān)控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能安防；巡檢機(jī)器人；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP 399" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著科技迅速發(fā)展，智能安防系統(tǒng)在保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全方面發(fā)揮了越來越重要的作用[1]。智能安防巡檢機(jī)器人以其卓越的自主性、高效的巡檢能力和靈活的應(yīng)用性逐漸成為引領(lǐng)安防技術(shù)的關(guān)鍵力量。隨著城市化進(jìn)程加速和社會(huì)安全問題多樣化，傳統(tǒng)的安防巡檢手段已經(jīng)難以滿足復(fù)雜多變的安全需求[2-3]。智能安防巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)具備先進(jìn)的傳感器技術(shù)，能夠高效感知周圍環(huán)境，實(shí)時(shí)獲取信息。在此基礎(chǔ)上，機(jī)器人能夠通過自主建圖技術(shù)更智能地規(guī)劃巡檢路徑，快速響應(yīng)各類任務(wù)。機(jī)器人不僅在日常安防巡檢中發(fā)揮作用，還具備應(yīng)變能力，能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)事件。本文研究智能安防巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過深入探討硬件平臺(tái)、自主建圖、路徑規(guī)劃和安防巡檢等關(guān)鍵技術(shù)，提高系統(tǒng)的智能化水平。本研究的目的是為智能安防巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用提供更完善、可行的解決方案，推動(dòng)智能安防技術(shù)不斷發(fā)展，為人們創(chuàng)造更安全、智能的社會(huì)環(huán)境。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人平臺(tái)

為了保證智能安防巡檢機(jī)器人平臺(tái)具有足夠的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性，用DJI RoboMaster S1作為底盤平臺(tái)。該底盤配備了全向輪，操控靈活，內(nèi)置的陀螺儀和加速度計(jì)保證其穩(wěn)定性，模塊化設(shè)計(jì)便于后續(xù)升級(jí)和定制[4-5]。使用 Velodyne VLP-16 LiDAR 傳感器進(jìn)行 360°激光掃描，其作用是構(gòu)建地圖和感知環(huán)境。使用SICK LMS511激光雷達(dá)，提供更高分辨率的目標(biāo)檢測(cè)和避障功能。使用FLIR Boson系列紅外攝像頭，支持夜視和溫度檢測(cè)，用于不同光照條件下的目標(biāo)識(shí)別。使用Sharp GP2Y0A02YK0F，用于近距離障礙物檢測(cè)。為了保證機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間工作，采用Panasonic NCR18650B作為主要電池，其高容量和高放電率能夠支持機(jī)器人不間斷工作。準(zhǔn)備太陽(yáng)能充電板，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下提供額外的能源補(bǔ)充[6]。

1.2 控制系統(tǒng)

平臺(tái)采用NVIDIA Jetson AGX Xavier高性能嵌入式處理器，具備強(qiáng)大的計(jì)算能力和先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)加速能力，能夠處理復(fù)雜的圖像和傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)支持ROS。使用RoboClaw 2x60A Motor Controller，支持雙馬達(dá)獨(dú)立控制，保證底盤和執(zhí)行器運(yùn)行平穩(wěn)，控制高效。使用Wirepas Mesh進(jìn)行無線通信，構(gòu)建可靠的機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，支持Wi-Fi和4G/5G通信，保證與中央監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程操控。

1.3 安全裝置

智能安防巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)采用Polycarbonate/ABS混合材料制成的外殼，強(qiáng)度很高，能夠有效抵御外部物體的碰撞和損害。機(jī)器人外殼采用IP67級(jí)別密封設(shè)計(jì)，保證機(jī)器人在惡劣天氣和環(huán)境中能夠穩(wěn)定運(yùn)行，防水深度達(dá)1 m，防塵性能良好。選擇這些硬件旨在提供一個(gè)穩(wěn)健、高效和可靠的機(jī)器人平臺(tái)，以適應(yīng)各種環(huán)境并滿足任務(wù)要求。在實(shí)際應(yīng)用中，可能需要根據(jù)具體情況進(jìn)行微調(diào)和定制。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 自主建圖

自主建圖通過激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)構(gòu)建機(jī)器人所在環(huán)境的地圖，使機(jī)器人能夠感知并理解其周圍的物體、結(jié)構(gòu)和空間分布，有助于提高機(jī)器人對(duì)環(huán)境的認(rèn)知，自主建圖流程如圖1所示。

系統(tǒng)集成了多種傳感器和技術(shù)，為環(huán)境感知提供全面、精確的數(shù)據(jù)。通過激光雷達(dá)360°掃描，系統(tǒng)能夠高效地獲取環(huán)境中各方向障礙物的距離和角度信息，全方位感知周圍環(huán)境。激光雷達(dá)的高精度測(cè)距和定位能力為系統(tǒng)提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)還利用攝像頭拍攝實(shí)時(shí)圖像，為后續(xù)處理圖像和提取特征提供了豐富的視覺信息。圖像處理技術(shù)可以識(shí)別和分析圖像中的物體、輪廓和其他關(guān)鍵特征，為系統(tǒng)進(jìn)一步的決策和規(guī)劃提供重要支持。結(jié)合攝像頭和激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠在多個(gè)感知層面上獲取全面的環(huán)境信息。為了更好地整合數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式將極坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，具體計(jì)算過程如公式（1）所示。

（1）

式中：X為橫軸的坐標(biāo)點(diǎn)位置，Y為縱軸的坐標(biāo)點(diǎn)位置；R為距離；θ為角度。對(duì)攝像頭圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺處理，提取特征點(diǎn)、角點(diǎn)等，以輔助建圖。將激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，系統(tǒng)精準(zhǔn)記錄了環(huán)境中各點(diǎn)的三維坐標(biāo)，利用機(jī)器人底盤的里程計(jì)信息，推算機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中的位姿變化。慣性測(cè)量單元（IMU）使用機(jī)器人的陀螺儀和加速度計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合卡爾曼濾波等算法，提高位姿的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)使用基于激光雷達(dá)和視覺信息的Hector SLAM算法，對(duì)機(jī)器人周圍環(huán)境進(jìn)行建圖，融合激光雷達(dá)點(diǎn)云地圖和視覺特征地圖，得到綜合的環(huán)境地圖。持續(xù)接收傳感器數(shù)據(jù)，利用運(yùn)動(dòng)估計(jì)和SLAM算法實(shí)時(shí)更新機(jī)器人的位姿和環(huán)境地圖。將實(shí)時(shí)建立的地圖存儲(chǔ)在機(jī)器人內(nèi)部，以備后續(xù)使用，可選地將地圖數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程同步至中央監(jiān)控系統(tǒng)，以供全局監(jiān)控和管理。

2.2 路徑規(guī)劃

智能安防巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的高效運(yùn)行來自多個(gè)關(guān)鍵模塊的配合。中央監(jiān)控系統(tǒng)或任務(wù)下發(fā)模塊負(fù)責(zé)向機(jī)器人傳遞具體任務(wù)，例如需要巡檢的區(qū)域或檢測(cè)的特定目標(biāo)，這為機(jī)器人提供了明確的導(dǎo)航目標(biāo)。自主建圖模塊通過實(shí)時(shí)地圖提供關(guān)鍵的環(huán)境信息，包括障礙物位置和機(jī)器人當(dāng)前位置。這個(gè)模塊通過傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新地圖，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境的變化，為路徑規(guī)劃提供準(zhǔn)確的地理信息。在路徑規(guī)劃階段，系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)性質(zhì)和環(huán)境特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)穆窂揭?guī)劃算法，保證當(dāng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，機(jī)器人選擇最優(yōu)路徑，提高效率和準(zhǔn)確性。為了評(píng)估路徑優(yōu)劣，使用機(jī)器人當(dāng)前位置與目標(biāo)位置之間的距離估計(jì)算法計(jì)算歐氏距離，計(jì)算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：D為兩點(diǎn)之間的歐氏距離；x1、y1為第一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)；x2、y2為第二個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。在路徑規(guī)劃中，對(duì)路徑搜索和權(quán)值計(jì)算來說，估算非常重要，估算直線距離有助于選擇更直觀和高效的路徑。路徑規(guī)劃不僅需要考慮直線距離，還需要考慮路徑中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)和難度因素，因此，在規(guī)劃過程中，系統(tǒng)會(huì)為路徑中的各點(diǎn)分配相應(yīng)權(quán)值，以便更全面地評(píng)估路徑優(yōu)劣。權(quán)值分配可以反映路徑中的難度、風(fēng)險(xiǎn)或其他關(guān)鍵因素，使路徑規(guī)劃算法更智能，適應(yīng)性更強(qiáng)。為了保證路徑規(guī)劃更高效，引入A*算法，這是一種常用于圖搜索和圖遍歷的算法。A*算法綜合考慮路徑的實(shí)際代價(jià)和估計(jì)的剩余代價(jià)，能夠在地圖中搜索一條從當(dāng)前位置到目標(biāo)位置的最佳路徑。A*算法的估價(jià)函數(shù)如公式（3）所示。

f（n）=g（n）+h（n） " " " " （3）

式中：f（n）為估價(jià)函數(shù)值；g（n）為起點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)n的實(shí)際代價(jià)；h（n）為啟發(fā)函數(shù)估計(jì)的代價(jià)。該算法不僅考慮了路徑的長(zhǎng)度，還充分考慮了路徑的權(quán)值分布，使機(jī)器人能夠智能地規(guī)劃復(fù)雜環(huán)境中的路徑。系統(tǒng)通過擬合光滑路徑的樣條曲線，保證路徑平滑性和可執(zhí)行性。將優(yōu)化后的路徑轉(zhuǎn)化為機(jī)器人底盤的控制命令，保證機(jī)器人能夠按照規(guī)劃路徑行進(jìn)。機(jī)器人按照生成的控制命令執(zhí)行路徑，通過里程計(jì)和傳感器反饋數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新位置。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)任務(wù)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，反饋任務(wù)完成狀態(tài)至中央監(jiān)控系統(tǒng)，以便監(jiān)控和記錄。

2.3 安防巡檢

完成路徑規(guī)劃后，機(jī)器人按照規(guī)劃路徑執(zhí)行導(dǎo)航。路徑跟蹤的目標(biāo)是實(shí)時(shí)更新機(jī)器人的位置，保證其沿規(guī)劃好的路徑移動(dòng)，完成安防巡檢，具體流程如圖2所示。

系統(tǒng)具備強(qiáng)大的自主導(dǎo)航能力，綜合利用里程計(jì)和傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)更新機(jī)器人的當(dāng)前位置。其中，里程計(jì)提供了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡信息，激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器負(fù)責(zé)感知周圍環(huán)境。多源數(shù)據(jù)集成為機(jī)器人提供了全面感知的基礎(chǔ)，使其能夠準(zhǔn)確地沿著規(guī)劃路徑移動(dòng)。在路徑跟蹤方面，系統(tǒng)采用PID（比例-積分-微分）控制算法，保證機(jī)器人能夠在運(yùn)動(dòng)過程中保持位置精確。算法不斷調(diào)整機(jī)器人的速度和方向，有效跟蹤其規(guī)劃路徑。系統(tǒng)通過持續(xù)監(jiān)測(cè)里程計(jì)和傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)糾正機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀況，保證其在巡檢過程中導(dǎo)航準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

在巡檢過程中可能會(huì)遇到各種障礙物，為了應(yīng)對(duì)這些情況，在系統(tǒng)中引入激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器數(shù)據(jù)。這些傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)周圍環(huán)境中的障礙物，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的避障動(dòng)作。執(zhí)行避障動(dòng)作可能涉及調(diào)整機(jī)器人的導(dǎo)航角度，以保證機(jī)器人能夠繞過障礙物而不發(fā)生碰撞。這個(gè)調(diào)整過程如公式（4）所示。

jx=j+jb " " " " " （4）

式中：jx為新角度；j為原角度；jb為障礙物避讓角度。在巡檢過程中，機(jī)器人需要檢測(cè)并記錄任務(wù)目標(biāo)，例如異常物體或異常行為。通過攝像頭獲取圖像后，機(jī)器人檢測(cè)圖像中是否存在目標(biāo)，如果存在就記錄目標(biāo)的位置、類型等信息。智能導(dǎo)航?jīng)Q策使機(jī)器人能夠靈活應(yīng)對(duì)復(fù)雜的環(huán)境變化，完成巡檢任務(wù)。

3 測(cè)試試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為測(cè)試智能安防巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)試驗(yàn)。試驗(yàn)使用TurtleBot3 Waffle型號(hào)機(jī)器人底盤，配備北陽(yáng)（Hokuyo）URG-04LX-UG01激光雷達(dá)、樹莓派（Raspberry Pi）HQ Camera攝像頭等傳感器。主控制器采用Raspberry Pi 4B，運(yùn)行基于ROS的ROS Noetic版本，通信模塊采用Raspberry Pi內(nèi)置Wi-Fi，保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。配備大疆（DJI）RoboMaster EP Core Intelligent Battery高容量鋰電池，保證機(jī)器人能夠長(zhǎng)時(shí)間巡檢。使用TurtleBot3 Waffle 防護(hù)外殼，其IP65級(jí)防水、防塵設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)各種環(huán)境。利用Raspberry Pi自帶的SysBench工具測(cè)試Raspberry Pi 4B的性能。使用ROS提供的rosbag錄制和回放工具，測(cè)試Wi-Fi傳輸ROS消息的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。利用機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（Robotics Systems Lab，RSL）的ROS 導(dǎo)航棧（Navigation Stack）套件，測(cè)試機(jī)器人底盤的運(yùn)動(dòng)精度和速度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

為測(cè)試智能安防巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，試驗(yàn)選擇時(shí)間節(jié)點(diǎn)T1～T5，并記錄在系統(tǒng)運(yùn)行過程中機(jī)器人接收任務(wù)指令后的響應(yīng)時(shí)間、機(jī)器人每小時(shí)能夠完成的巡檢任務(wù)數(shù)量、傳感器獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、機(jī)器人與中央監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信穩(wěn)定性、機(jī)器人在巡檢過程中的導(dǎo)航精度以及機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)的避障效果，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1可以看出，在接收任務(wù)指令后，機(jī)器人平均響應(yīng)速度為12 ms～16 ms，任務(wù)響應(yīng)能力強(qiáng)，能夠迅速處理實(shí)時(shí)任務(wù)。機(jī)器人每小時(shí)能夠完成100～115個(gè)巡檢任務(wù)，說明其處理能力強(qiáng)，能夠滿足大面積區(qū)域的安防巡檢需求。傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性保持在97.5%～98.8%，說明傳感器數(shù)據(jù)獲取穩(wěn)定可靠，有助于機(jī)器人準(zhǔn)確感知環(huán)境。通信穩(wěn)定性保持在97.9%～98.2%，說明機(jī)器人與中央監(jiān)控系統(tǒng)之間通信穩(wěn)定，有助于系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控。機(jī)器人導(dǎo)航精度為0.11 m～0.15 m，說明機(jī)器人能夠精確遵循規(guī)劃路徑，高效完成任務(wù)。當(dāng)遇到障礙物時(shí)機(jī)器人的避障效果良好，說明其對(duì)環(huán)境變化具有敏感度，適應(yīng)能力強(qiáng)，安全程度高。

綜上所述，智能安防巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)是一套性能卓越的智能安防系統(tǒng)，在響應(yīng)速度、處理能力、傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、通信穩(wěn)定性、導(dǎo)航精度和避障效果等方面都表現(xiàn)出色。該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代安防領(lǐng)域，能夠提高安全巡檢的效率和可靠性。

4 結(jié)論

本文深入研究智能安防巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證系統(tǒng)在多個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)上的表現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在響應(yīng)速度、處理能力、傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、通信穩(wěn)定性、導(dǎo)航精度和避障效果等方面均表現(xiàn)出色。這個(gè)結(jié)論不僅對(duì)學(xué)術(shù)界在機(jī)器人技術(shù)和安防領(lǐng)域的研究具有一定的參考價(jià)值，還為工程實(shí)踐提供了指導(dǎo)。未來，科研人員將繼續(xù)提升系統(tǒng)性能，拓展適用場(chǎng)景，不斷推動(dòng)智能安防巡檢機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，為構(gòu)建更安全、智能的社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

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通信作者：常浩（1988-），男，漢族，湖南長(zhǎng)沙人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化運(yùn)用。

電子郵箱：657578985@qq.com。

基金項(xiàng)目：2023年湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（優(yōu)秀青年項(xiàng)目）“智能安防巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：23B0939）；湖南省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023 年度課題“科教融匯視域下高職教師教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)路徑研究”（項(xiàng)目編號(hào)：ND233677）；2021年度湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)專項(xiàng)課題“基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的安全生產(chǎn)裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：AY21E001）。