室內安防巡邏與滅火多功能機器人控制系統的設計與實現*

*基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目（201910222018）。

作者簡介：張憲鋒（1999—），男，黑龍江哈爾濱人，2017級本科生，E-mail:zxf183813@163.com。

通訊作者簡介：郭士清（1973—），男，博士，副教授，主要研究方向為地下作業技術與裝備、機電一體化，E-mail: 61233774@qq.com。

0   引言

目前倉儲中心、超級商場等大型場所的三防依賴監控系統，因監控系統存在盲區，安保人員有限，且因安保人員安全意識麻痹及疲勞性，易出現監控不到位，進而增加了事故發生的風險性。一旦發生事故，損失嚴重。因此，研制集移動機器人、消防機器人和巡檢機器人功能于一體，具有環境感知、自動報警、初級火情處理、路線規劃、動態決策功能的智能安防與滅火多功能機器人，可以滿足市場對室內自動化消防與巡檢查設備需求^[1-4]。

1   機器人本體結構

室內安防巡邏與滅火多功能機器人整體采用鋁合金材料構成，由履帶移動底盤、滅火設備、事故檢測傳感器、控制系統組成，理論模型如圖1 所示。此機器人以卡片式電腦樹莓派作為上位控制中心，單片機作為底層驅動，激光雷達獲取周圍實際環境信息繪制室內地圖，結合溫度傳感器、火焰傳感器、煙霧傳感器檢測事故發生。

圖1 機器人理論模型

機器人工作時會事先記錄室內環境，制定巡邏路線，在巡邏的同時對室內溫度、火焰、煙霧情況進行監控以判斷事故發生，并通過滅火設備進行及時處理。

2   控制系統硬件設計

室內巡邏與滅火機器人以樹莓派3B+ 運行Linux 內核的Ubuntu Mate 系統作為上位控制中心，如圖2 所示為實際樹莓派3B+ 硬件。使用YDLIDAR 激光雷達采集環境點云進行完成地圖構建，配合動態規劃算法控制機器人整體工作^[5-6]。

圖2 樹莓派實物

機器人的下位機控制板選用主頻72 MHz 的STM32F103RET6 為核心，控制板除單片機最小系統外，還配有MPU6050 六軸IMU 傳感器，其內包含三軸加速度計與三軸陀螺儀傳感器，可以向上位機提供機器人實際位置歐拉角，以進行機器人導航使用，此外，控制板還具有電機驅動電路、編碼器接口電路、舵機接口電路、傳感器接口電路等多個機器人實際應用電路，局部電氣原理圖如圖3 所示。

圖3 局部電路原理圖

3   控制系統軟件設計

本文機器人控制系統軟件設計總體依賴于ROS 分布式軟件框架，其中上位控制層作為機器人控制服務器，與用戶監控層都處于以Linux 系統為基礎的ROS 環境下進行操作（圖4）。下位驅動層對機器人實際執行器與傳感器進行輸入/ 輸出控制，將數據通過RosSerial 協議上傳到上位控制層。上位控制層結合下位層數據進行激光雷達數據采集、SLAM 建圖算法、路徑規劃算法、事故檢測算法的運行，上位層各算法之間以ROS 節點方式獨立存在，并通過ROS 話題模型進行數據傳送。用戶通過上位監控層利用SSH 方式連接至機器人上位控制層，對機器人進行狀態監控及行為控制^[8]。

圖4 機器人軟件架構

4   系統實驗測試

在本文機器人中電子地圖構建功能在工作中起到重要作用。為驗證本文設計機器人控制系統中電子地圖構建的效果，遙控機器人在室內封閉場地移動并啟動電子地圖構建程序節點，待機器人移動一周后，觀察機器人電子地圖構建功能的完成度，整體實驗流程如圖5 所示。

圖5 實驗流程圖

實際搭建測試場地如圖6 所示，機器人實時建圖結果由圖7 所示。由對比可以觀察出實際場景與機器人實時地圖構建顯示地形重合率95% 以上，可以滿足使用需求。

圖6 測試場地

5   結語

針對室內安防巡邏與滅火多功能機器人的工作特性，對機器人具體功能進行分析，設計并實現了室內安防巡邏與滅火多功能機器人控制系統，并對控制系統的電子地圖構建功能進行樣機實驗。最終得出結論：本文控制系統可以實現室內安防巡邏與滅火多功能機器人的基本功能。

圖7 機器人實時建圖顯示

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（本文來源于《電子產品世界》雜志社2021年1月期）