基于ROS的智能巡检机器人系统.pdf
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1、2023 年第 10 期204智能技术信息技术与信息化基于 R O S的智能巡检机器人系统李佳益1 余 卓1 汤业翔1 谢海奇1 朱 敏1LI Jiayi YU Zhuo TANG Yexiang XIE Haiqi ZHU Min 摘要 针对公共安全治理环境日益复杂、治安巡检效率低下难以应对突发情况的问题,提出一种基于 ROS 的智能巡检机器人系统辅助目前的治安方式,以满足治安需求。系统由监控中心与机器人协作完成。现场处,机器人本体采用模块化设计,具备导航、避障、图像采集、数据传输等功能,通过预构建环境地图,根据巡检规划在场所内自主导航,并通过无线网络将感知信息传输至监控中心实时分析。监控中
2、心处,实时获取机器人现场全部信息并充分调用数据库资源,利用大数据对现场人群进行分析,如身份核验、体征检测、动作判断等处理工作,并采取联网预警、信息录入等措施优化巡检过程。经过研究测试,系统能够完成自主导航与远、近程操纵,具备出色的巡检功能。关键词 机器人;人工智能;自动控制;公共治安;ROS doi:10.3969/j.issn.1672-9528.2023.10.0431.合肥工业大学 安徽合肥 230041 基金项目 受合肥工业大学 2022 年大学生创新性实验计划项目基金资助,项目编号:2022103590190 引言随着经济的发展和进步,人们对生活安全保障愈发重视,安防行业在此趋势下也
3、在不断发展。近年来,我国智能机器人行业发展迅速,国家鼓励加快自动化、智能化装备推广应用及高危企业装备升级换代1。形式上,公共安全理念已从快速响应向风险预防转变,从传统的救灾减灾向韧性提升、风险治理、协同应对的可持续发展方向转变。而在传统治安体系中,人防+物防的方式已无法满足日益复杂的治安环境。疫情传播、火灾、非法入侵、伤人事件等已将公共安全治理上升到了传统治安难以应对的高度。人力成本越来越大,而安防需求也在不断提高,促使新的安防手段出现2。本项目基于 ROS 的治安巡检系统着力于解决这一系列痛点3。机器人通过预构建环境地图,根据巡检规划在场所内自主导航。监控中心处,通过机器人的摄像模组实时获取
4、机器人现场全部信息并充分调用数据库资源,利用大数据对现场人群进行分析,如身份核验、体征检测、动作判断等,并采取联网预警、信息录入等措施优化巡检过程。巡检机器人可以完成多种场景下的安防巡检工作。1 系统硬件设计1.1 总体设计巡检机器人硬件系统由主控模块、建图导航模块、视觉模块、数据通信模块、底盘模块五大部分组成,另可增添其他外设。主控模块用于调度机器人各类传感器与外设执行巡检任务并与监控中心互相进行通信,是机器人本体的核心。以主控模块为核心的机器人系统的整体硬件设计如图 1所示。图 1 系统整体设计除主控模块外的模块与外设外,其余模块均作为被控对象。建图导航模块应用于机器人地图创建与导航;视觉
5、模块负责识别人脸与检测体征;数据通信模块承担传输传感器信息、接受远程指令的任务;底盘模块现使用综合性能较为稳定的四驱底盘,特殊场景下也可更换履带式或其他特殊底盘。机器人样机如图 2 所示。2023 年第 10 期205智能技术信息技术与信息化 图 2 机器人实物图1.2 控制单元主控模块由 ROS 主控NVIDIA Jetson TX1 嵌入式开发平台、STM32 主控(主控芯片 STM32F407VET6)及 USB hub 板组成,如图 3 所示。ROS 主控内运行 Ubuntu18.04 系统,该板使用 NVIDIA 高性能计算单元,具有较强的深度学习性能,算力优秀,用于数据处理、发布指
6、令决策与通信;STM32 主控微控制器为 STM32F104VET6,用于与 ROS主控通信进行底盘控制,该板可同时控制四路电机,板载MPU6050,支持 5.5V 对外供电,具备过热保护、短接保护、过流保护等功能。图 3 控制单元机器人需要接入多种外部设备,ROS 主控预留的接口较少,故采用两块 USB hub 板作为拓展接口使用,每块 hub 板配备 4 个 USB 输出接口,可同时支持多种外设。1.3 外部设备1.3.1 传感器建图导航模块以激光雷达为主体,通过 USB 转 TTL 连接至主控,用于检测障碍物信息完成地图构建与避障。激光发射器发出调制脉冲激光,对周围环境进行二维扫描探测。
7、采用飞行时间(TOF)测距原理,通过内嵌的信号处理单元,利用激光发出与再次被接收的时间差解算出物体与传感器的相对距离。再结合高精度自适应角度测量模块输出的角度信息,可以得到量程内周围 360 环境的二维平面信息。视觉模块用于人脸识别与体征检测,由视觉传感器与热成像测温传感器组成。利用 3D 打印外壳将两传感器固定在同一视角,搭配铰链支座与高度可调的支架可实现巡检机器人俯仰视角与高度的调节。其中视觉传感器采用 USB 免驱动摄像头,直接接入巡检机器人主控模块 hub 板即可读取出图像;热成像测温传感器采用基于海曼 HTPA3232 的红外热成像测温模块。该模块为集成光学镜头的高性能、高质量数字信
8、号的 3232 像素热电堆红外阵列测温模块,可广泛用于人体测温、热源追踪、实验观测、电路检修、机器人等场景。1.3.2 数据通信数据通信模块包括 4G 模块与 2.4 GHz 无线装置两种设备。4G 模块用于与监控中心完成远距离无线通信,完成传输传感器信息、接受远程指令远程遥控的任务4;2.4 GHz 无线装置用于近距离遥控,仅在机器人调试或需现场遥控的场合直接操纵机器人移动。4G 模块采用 EC200A-CN,是移远通信专为 M2M 和IoT 领 域 设 计 的 LTE Cat4 无 线 通 信 模 块。该 模 块 采 用3GPPRel.9LTE 技术,支持最大下行速率 150 Mbit/s
9、 和最大上行速率 50 Mbit/s。EC200A-CN 内置丰富的网络协议,集成多个工业标准接口,并支持多种驱动和软件功能,极大地拓展了其在 M2M 领域的应用范围。机器人使用该模块进行 RNDIS 上网,移植 linux 驱动并发送 AT 指令拨号上网即可实现。成功上网后使用 cpolar 内网穿透工具建立稳定的TCP 隧道,即可让监控中心的客户端主机进行远程登录和数据传输5。近距离操纵机器人采取 2.4 GHz 短距离无线传输技术,无线接收器直接与主控相连,遥控装置发送按键指令,无线接收器接收指令并传递至主控,机器人底盘在接收到主控发送的速度后,便可控制电机运转,从而进行现场操纵。1.3
10、.3 底盘设计选型阶段。团队在阿克曼式底盘、差速式底盘、全向轮(三轮)底盘、全向轮(四轮)底盘、麦克纳姆式底盘、四轮滑移底盘、履带底盘、四轮滑移底盘八种轮式底盘中进行对比,通过实际应用场景、载荷能力、环境承载能力、成本等方面综合评判后选取四轮滑移底盘作为巡检机器人底盘。巡检机器人的四轮滑移底盘使用四路电机独立驱动,通过四轮差速控制算法实现小车的各种运动。四路电机驱动保证了机器人具备足够的动力,可较为轻快地应对爬坡地形。相对于阿克曼底盘,该结构更简单、紧凑,零部件数量更少,控制效率提高,故障率更低。采用结构简单的硬质实心胶轮也避免了麦克纳姆轮和万向轮带来的缺点,使用方便,易于维护,具有良好的负重
11、能力,机动性强。四轮滑移底盘同时也避免了两轮差速底盘存在的问题,重心在底盘中央,可实2023 年第 10 期206智能技术信息技术与信息化现原地自转,更加稳定,可以应对各种路况。符合本项目在室外不同场景下的巡检需求。2 系统软件设计巡检机器人系统的功能依靠 Ubuntu 系统内的 ROS 运行。ROS 是专为机器人软件开发所设计出来的一套开源软件架构,具有框架松耦合性、功能库丰富、数据记录分析与仿真测试更便捷的特点。对于本项目的巡检机器人系统来说,ROS 是一个非常符合编程需求的框架,该框架将原本松散的零部件耦合在一起,并且提供了通信框架。基于 ROS 的应用程序之间建立起了沟通的桥梁,因此巡
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