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一种用于巡检作业的移动机器人设计与实现


机器人与主控计算机通信中的抗干扰能力。首先, 5 . 8 G H z 系统采用直接序列扩频技术, 频率比较高, 信道也较丰富, 所以抗干扰能力相对要强一些。另 外, 由于常见的 2 . 4 G H z 频段在生产生活中利用率 高, 使得这个频段十分拥挤, 受到的干扰也较多。而
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甘 肃 科 技 第 3 0卷 但是在距离较远的情况下, 通常并不能直接获 知测试面。为了解决这个问题, 本机器人选用的红 外测温仪采用了激光指示技术。在该红外测温仪中 内置有两个红外指示激光器。开始测温时, 这两个 激光器会沿着测试光路的边沿线发出激光, 激光照 射在被测物体上形成两个光点, 以这两个光点连线 为直径构成的圆形面积即为该距离下的有效测温 面。由于红外测温仪与摄像机固定在云台相同的转 动机构上, 测温时可以通过拍摄图像观察到激光光 点, 进而获知当下的被测目标。
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3 运行结果
我们分别在实验室和室外环境中对机器人的关 键技术进行了验证。对于导航部分, 我们在实验室 陆标 中铺设了如图 9所示的实验路径。在图 9中, 1~ 6用做机器人的定位与转弯, 陆标 7用做机器人 的定位与测试, 每个陆标上都置有 R F I D卡。进行 导航实验前, 先将机器人置于两个陆标之间的磁条 上。而后, 通过远程计算机向机器人发送行走指令, 使机器人移动到某个陆标。如果机器人行进路线上 跨越某个非目的地陆标时, 将自主作出转弯或直行 动作。机器人到达目的地陆标时, 将会停止运动并 等待下次命令。机器人到达陆标 7时, 将会停止运 动, 同时驱动云台转到一定角度并拍摄视频, 用来验 证到达关键点的自主检测功能。机器人行走过程 中, 将两个陆标间的最短路径做为最优路径, 并确保 在行走过程中, 不会因为机器人起始位置的朝向而 选择非优路径。验证过程中, 我们试验了所有陆标 间的路径, 并验证了陆标 7作为测试点的功能。实 验结果表明, 机器人能够沿预设磁条行进并能在陆 标处做出正确动作, 导航功能可靠、 稳定。
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图5 导航流程
由于磁导航仅能满足机器人沿预设路径行走, 为了满足机器人在巡检过程中, 在预设地点对特定 目标进行检测和在路口控制转弯的功能, 机器人需 要能够在场地中定位, 即机器人确定自身在二维工 作环境中相对于全局坐标的位置
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编号, 每个编号对应机器人的一个特定动作( 如转 弯、 测温、 拍摄视频等) , 不同编号对应特定动作的 指令集将会预先写入到机器人程序中。当机器人读 取到场地中某个陆标时, 程序将查询该陆标对应的 机器人动作, 驱动机器人完成特定功能。 2 . 2 视频采集与传输 在机器人巡检过程中, 视频采集是感知周边环 境的一个重要方面, 同时还需要将一些关键视频传 输到主控计算机上, 用来进行更进一步的判别工作。 本机器人选用的云台摄像机如图 7所示。通过改造 亚安公司的 Y S 3 0 2 1云台摄像机, 将红外测温仪置 从而达到摄像机与测温仪同时转 于转轴 1的一侧, 动的目 的。转 轴 1的 垂 直 转 动 范 围 为 -9 0 °~ + 4 5 ° , 转轴 2的水平转动范围为 0 ° ~ 3 6 0 ° , 摄像机拍 摄分辨率为 7 0 4× 5 7 6 , 水平视场角为 4 8 . 0 ° ( 广角 端) ~ 2 . 8 ° ( 远端) , 能够满足全视角拍摄的要求。
采集到的信息发送给主板。主板通过程序判断机 器人与磁条 的 相 对 横 向 偏 移, 进而控制机器人的 两个驱动轮, 保证机器人沿着预先铺设的磁条行 进, 从而实 现 机 器 人 的 自 主 行 走。整 个 导 航 流 程 如图 5所示。
第 6期 郭 毅等: 一种用于巡检作业的移动机器人设计与实现
。主要的定位
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方法有: 惯性定位、 陆标定位、 声音定位等
。本机
器人采用的是陆标定位法, 即在工作环境中预先设 置已知的陆标, 如图 6所示, 机器人通过对陆标的
图6 陆标与磁条
视频数据采集完成后, 利用亚安公司的网络编码器 I P Y 8 1 0 1 J D并结合网络编程技术, 可以将视频数据 保存在机器人的硬盘上, 也可以通过无线网络传输 到主控计算机上。
移动机器人的研究开始于 2 0世纪 6 0年代末 期, 目的是研究应用人工智能技术在复杂环境下, 对 机器人系统的自主推理、 规划和控制
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. 8 G H z的 中 央 处 理 器 和 核 心 速 度 集成 有 主 频 1 4 0 0 M H z 的图形处理器, 能够执行复杂图像处理程 序与机器人运动控制程序。
1 机器人概况
机器人外观如图 1所示。图 1中机器人顶部安 装有一款天津亚安科技公司的车载云台相机 Y S 3 0 2 1 , 经改造后云台两侧分别搭载了高清摄像头 和红外测温仪。机器人中部安装有无线信号发射天 线, 用于机器人与远程计算机通讯。机器人底部安 装有磁导航传感器与 R F I D读卡器, 用于机器人的 导航与定位。在机器人后部机箱中, 内置有低功耗 嵌入式主板、 可编程逻辑控制器、 供电模块等, 用于 传感器采集、 运动机构控制与供电。其中嵌入式主 板采用了威强电工业电脑公司的低功耗嵌入式主板 N O V A- D 4 2 5 1 , 工作时功耗约为 1 7 . 5 W。主板同时
5 . 8 G H z 频段产品化水平相对于 2 . 4 G H z 频段较低, 所以采用 5 . 8 G H z 无线技术能够有效的避免通信中 的干扰, 增加了传输的稳定性。 本机器人在硬件上采用无线网桥连接全向天线 的方式与主控计算机组成一个点对点网络。主控计 算机也采用同样的网络硬件结构。全向天线是水平 各个方位增益相同的天线, 相对于定向天线来说覆 盖角度较大, 能够覆盖水平方向 3 6 0 ° 范围。由于机 器人在移动过程中随时有可能与主控计算机进行通 信, 采用全向天线能够使机器人在天线覆盖范围内 的任何位置与主控计算机通信, 增加了通信的稳定 2 d B i , 最大 性。本机器人选用的全向天线增益为 1 功率为 1 0 0 W, 满足远距离通信要求。同时, 本机器 采用 的 无 线 网 络 通 信 速 率 理 论 上 能 够 达 到 3 0 0 M b p s , 满足搭载相机所拍摄视频的传输要求。 2 . 3 温度测量 考虑到机器人巡检过程中可能会对关键物体的 温度进行测量, 本机器人安装有红外测温仪实现测温 功能。红外测温仪是一种远距离非接触式温度测量 仪器, 在机器人上的安装位置如图 7所示。在自然界 中, 温度在绝对零度以上的物体, 都会因自身的分子 运动而辐射出红外线
。由于智能
移动机器人能够代替人类从事危险、 恶劣和繁重的 工作, 提高生产效率, 减轻劳动强度, 所以智能移动
2 ] 机器人已经成为机器人研究的热门领域 [ 。经过
3 0多年的探索, 轮式和履带式移动机器人已走出实
3 ] 验室, 应用到人类实际生活中 [ 。
目前, 我国已有多款室外轮式机器人应用于实
。非接触式红外测温仪的
原理就是通过吸收物体表面向外辐射的红外能量来 测定物体的表面温度。非接触式红外测温仪由光学 系统、 光电探测器、 信号处理电路及显示输出等部分 组成。光学系统汇聚其视场内目标的红外辐射能量 聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该电 信号经过信号处理电路转变为被测目标的温度值。 安装的红外测温是广东佛山宏光公司代理的德 国欧普士 C T l a s e r 系列测温仪, 该测温仪的测温范围 为 0~1 3 0 0 ℃, 能够满足多数情况下的 测 温 要 求。 由于光学系统的特殊构造, 红外测温仪的测试面是 一个圆形, 该测试面的直径与测量距离有一定的关 系, 通常测量距离越远, 被测目标的直径就越大。本 机器人选用的红外测温仪光路图如图 8所示。为了 精确测量被测目标的温度, 一般最好将被测物体整 体包括在测试面内。
探测来确定自身的位置。图 2中所示的 R F I D读卡 器用来探测场地中的 R F I D卡即陆标。在场地中特 定 地点预先固定多个人采用 5 . 8 G H z 无线技术与主控计算机 0 2 . 1 1 n标准。5 . 8 传输视频数据, 无线网络遵从 8 G H z 频段是一个开放的 I S M 频 段, 它能够应用 8 0 2 . 1 1 a 、 8 0 2 . 1 1 n 、 F C CP a r t 1 5等 多 个 国 际 标 准。 本机器人采用 5 . 8 G H z 无线技术的主要目的是提高
元件就会输出一个电信号, 通过采集这些霍尔元件 的输出电信号, 就可以判断磁导航传感器与磁条的 相对偏移, 进而获知车体与磁条的相对偏移。
驱动行走, 前轮为两个万向轮。驱动轮 1和驱动轮 2 分别由两个电机控制, 可以实现同转速直线行走
图4 导航
导 航 磁 条 是 经 特 殊 工 艺 制 作 而 成 的 条 状 磁 体。这种磁 条 可 以 随 意 弯 曲 与 裁 剪, 并且不损坏 磁性, 十分 便 于 在 实 际 场 地 中 铺 设。利 用 磁 导 航 方式, 需要预先在机器人行走道路上铺设磁条, 保 证在行走时 磁 道 航 传 感 器 能 够 感 应 到 磁 条, 并将
2 机器人关键技术
2 . 1 机器人导航 导航是自主移动机器人的关键技术。导航的目 的是机器人通过传感器感知环境和自身状态, 实现
2 ] 在有障碍物的环境中面向目标的自主运动 [ 。本
机器人主要面向巡视路径固定的场合, 即通过沿预 设路径移动与停止实现机器人的行走与定位功能。 图 3为机器人行走机构俯视图。本机器人采用后轮
第3 0卷 第 6期 2 0 1 4年 3月
甘肃科技 G a n s uS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y
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一种用于巡检作业的移动机器人设计与实现
郭 毅, 万 毅
( 兰州大学 信息科学与工程学院, 甘肃 兰州 7 3 0 0 0 0 ) 摘 要: 介绍了一种能够应用于小区安防巡视、 工业现场监控等自动化巡检场合的轮式移动机器人。本机器人能够 完成固定路线的巡视工作, 并对巡视路线上的关键目标进行视频拍摄和温度检测, 从而起到替代人工的作用, 具有 一定的应用前景。对机器人导航、 视频采集与传输以及温度测量等关键技术进行了较详细的介绍。利用本文方法 开发的移动机器人, 通过实验室环境验证, 系统运行平稳。 关键词: 信号与信息处理; 机器人; 导航; 视频采集; 红外测温 中图分类号: T P 2 4 2 . 6
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