小區(qū)安防監(jiān)控機(jī)器人設(shè)計(jì)報(bào)告(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 人的核心模塊，是機(jī)器人的中樞控制機(jī)構(gòu)，主要具有以下功能：環(huán)境信息數(shù)據(jù)融合控制決策視頻捕獲遠(yuǎn)程通信綜合運(yùn)算單元功能模塊之間相互協(xié)同，進(jìn)行工作，對(duì)傳感器采集的信息進(jìn)行融合，經(jīng)過(guò)科學(xué)、嚴(yán)密的分析作做出科學(xué)的決策，如圖42所示，環(huán)境信息數(shù)據(jù)融合模塊的輸入、輸出數(shù)據(jù)流圖，其中視頻流由單獨(dú)的線程進(jìn)行處理，將視頻流分解為視頻信息和視頻數(shù)據(jù)兩部分，視頻信息包括視頻格式信息和視頻大小信息，決策模塊將據(jù)此開辟合適的網(wǎng)絡(luò)通道傳送到監(jiān)控單元。圖35 綜合運(yùn)算單元模塊關(guān)系圖 決策模塊決策模塊將遠(yuǎn)程控制模式處理為所有三種運(yùn)行模式中優(yōu)先級(jí)最高的一種，這是由于機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中受各種因素的干擾如突發(fā)性的天氣變化、道路施工等有可能會(huì)出現(xiàn)某些無(wú)法預(yù)知的或自身無(wú)法糾正的錯(cuò)誤動(dòng)作，為了防止在無(wú)法預(yù)知的情況下機(jī)器人意外造成損傷或者是能迅速恢復(fù)正常運(yùn)行，決策模塊會(huì)絕對(duì)優(yōu)先處理來(lái)自遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的控制指令。學(xué)習(xí)模式是機(jī)器人熟悉自身工作環(huán)境的一個(gè)重要功能，從推廣應(yīng)用的角度講，這一功能也是非常必要的，因?yàn)椴煌纳钚^(qū)其路徑信息，環(huán)境狀況都是不同的。機(jī)器人被安排在陌生的小區(qū)環(huán)境中執(zhí)行巡邏任務(wù)，如果無(wú)法學(xué)習(xí)環(huán)境信息那么將會(huì)使機(jī)器人的使用意義大打折扣。本項(xiàng)目中，機(jī)器人的學(xué)習(xí)功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)模仿生物遠(yuǎn)徙時(shí)會(huì)在沿途留下信息素，然后依靠搜索信息素正確找到目的地的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)的。一旦進(jìn)入學(xué)習(xí)模式，決策模塊將在記憶系統(tǒng)中開辟相應(yīng)的存儲(chǔ)空間，并根據(jù)環(huán)境信息融合單元提供的坐標(biāo)方位、位移量等信息，在存儲(chǔ)空間中“留下痕跡”。對(duì)一些關(guān)鍵部位，機(jī)器人將根據(jù)人工指示，除了留下痕跡外，還另外留下特殊的標(biāo)志，決策模塊涉及的具體功能子模塊關(guān)系如下圖43所示：圖36 綜合運(yùn)算單元模塊關(guān)系圖上圖描述了綜合運(yùn)算單元中的決策模塊與其它功能單元的銜接關(guān)系， 由于在本設(shè)計(jì)中，機(jī)器人共有三種運(yùn)行模式即遠(yuǎn)程控制模式、學(xué)習(xí)模式和工作模式，在不同的運(yùn)行模式下決策模塊將有不同的決策算法，對(duì)不同的決策算法其輸入輸出數(shù)據(jù)流也互有差異。上圖綜合了三種運(yùn)行模式下的輸入輸出數(shù)據(jù)流，并沒(méi)有嚴(yán)格區(qū)分各種運(yùn)行模式及其對(duì)應(yīng)的輸入輸出。第四章 概要設(shè)計(jì)監(jiān)控單元的硬件平臺(tái)采用Contex_A8開發(fā)板（簡(jiǎn)稱A8），安防監(jiān)控機(jī)器人的硬件平臺(tái)是由C51和S51兩塊51單片機(jī)和UPMagic6410開發(fā)板（簡(jiǎn)稱6410）組合而成。各個(gè)硬件平臺(tái)之間的通信方式包括無(wú)線通信和串口通信。Contex_A8與UPMagic6410之間通過(guò)無(wú)線WIFI通信；C51和S51之間以及51單片機(jī)與6410開發(fā)板之間的通信是串口通信。通信模塊處理的主要信息包括圖像信息、命令信息和位置信息。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖41所示。Contex_A8為開發(fā)平臺(tái)的監(jiān)控單元6410開發(fā)板S51 C51串口1Wifi串口2WifiTRTR傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu) 圖41 通信模塊硬件結(jié)構(gòu)圖 網(wǎng)絡(luò)通信監(jiān)控臺(tái)與機(jī)器人之間的網(wǎng)絡(luò)信息有三類，圖像信息，位置狀態(tài)信息和指令信息；鑒于信息的特征和網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，采用UDP通信，分別開啟2個(gè)udpSocket，分別用于傳輸圖像信息和位置指令信息，采用多線程的方式。雙戶雙擊監(jiān)控平臺(tái)的“startImage”按鈕后，監(jiān)控平臺(tái)向8888端口發(fā)送廣播包，只有6410開發(fā)板收到廣播包后，回發(fā)“ok”信息，此時(shí)監(jiān)控平臺(tái)與6410建立網(wǎng)絡(luò)連接，用于圖像的傳輸。下層的6410將攝像頭拍攝的圖像，采用科學(xué)的分包機(jī)制，分包發(fā)送圖像信息給監(jiān)控平臺(tái)，當(dāng)監(jiān)控平臺(tái)收到數(shù)據(jù)包后，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行組包，并顯示相應(yīng)的圖像。在監(jiān)控平臺(tái)雙擊“l(fā)earnMode”，監(jiān)控臺(tái)向9888端口發(fā)送廣播包，信息包含“l(fā)earnMode”，下層的6410收到廣播包后，回發(fā)“ok”信息，當(dāng)監(jiān)控臺(tái)收到信息后，就可以向機(jī)器人發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令了。向處于工作模式時(shí)，機(jī)器人向監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送x和y坐標(biāo)信息，將機(jī)器人的當(dāng)前的位置描畫小區(qū)的電子地圖上，顯示在LCD顯示屏上。圖42為指令信息和位置信息的網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)序圖。 圖42運(yùn)動(dòng)控制 sequence 圖像采集設(shè)備為了提高圖像的質(zhì)量，我們采用高清的攝像頭，經(jīng)過(guò)比較我們選取卓為科技（SOVIC）的鷹眼攝像頭313， 30萬(wàn)像素 CMOS感光芯片，如圖43所示，產(chǎn)品參數(shù)如表41所示。圖43 鷹眼攝像頭313表41攝像頭313參數(shù)項(xiàng)目具體參數(shù)圖像傳感器30萬(wàn)像素 CMOS感光芯片最大圖像分辨率640*480鏡片五片全玻璃鏡頭，彩色濾光片IR視場(chǎng)62度幀速率320*240像素，30幀/秒；640*280像素，20幀/秒；1280*960像素，20幀/秒視頻格式24位真彩色，1420/RGB聚焦范圍3cm無(wú)限遠(yuǎn)圖像信噪比72最低照明值5Lux亮度、白平衡設(shè)置自動(dòng)、手動(dòng)輸入接口（即插即用） 圖像傳輸 圖像傳輸是在上位機(jī)的A8開發(fā)板和中間層的6410開發(fā)板之間進(jìn)行的，6410首先將數(shù)據(jù)包分割，鑒于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪芰?，?024kb為分割的單位，向上位機(jī)發(fā)送，A8收到數(shù)據(jù)包后，依據(jù)數(shù)據(jù)包的編號(hào)進(jìn)行組包，并將圖像顯示在圖像顯示區(qū)域，時(shí)序圖如圖44所示。圖44圖像傳輸sequence安防監(jiān)控機(jī)器人可以在小區(qū)內(nèi)沿線行走，本產(chǎn)品中采用的是5路灰度傳感器，如圖45所示。BFD1000 專門設(shè)計(jì)用作黑（白）線檢測(cè)的傳感器，特別適合復(fù)雜黑白線、交叉黑白線的檢測(cè)，它有6 路高靈敏度的紅外傳感器（5 路巡線、1 路蔽障），能夠?qū)诎拙€準(zhǔn)確的識(shí)別，具有如下功能和特點(diǎn)： 集成5 路循跡傳感器，適合復(fù)雜黑線（白線）的跟蹤，對(duì)于簡(jiǎn)單的黑線（白線）尋取更不在話下。 有一路蔽障用的紅外傳感器，蔽障距離可以通過(guò)滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)，方便有蔽障需求的機(jī)器人設(shè)計(jì)。 有一個(gè)專門設(shè)計(jì)的觸碰傳感器，使得有這方面的需求機(jī)器人設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便。 輸出信號(hào)全部都為數(shù)字信號(hào)，方便與單片機(jī)相連。 全部傳感器都有LED 燈作為指示，方便調(diào)試 滿足大多數(shù)系統(tǒng)需求。 圖45 灰度傳感器模塊圖安防監(jiān)控機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位置信息來(lái)源于光電傳感器和電子羅盤，如圖46所示。確定機(jī)器人的位置，即x,y坐標(biāo)主要依賴于以下信息：來(lái)源于光電轉(zhuǎn)感器的輪子的轉(zhuǎn)速。來(lái)源于電子羅盤的角度信息。經(jīng)過(guò)比較，選擇GY26電子羅盤，GY26 是一款低成本平面數(shù)字羅盤模塊。輸入電壓低，功耗小，體積小。其工作原理是通過(guò)磁傳感器中兩個(gè)相互垂直軸同時(shí)感應(yīng)地球磁場(chǎng)的磁分量，從而得出方位角度，此羅盤以RS232 協(xié)議，及IIC 協(xié)議與其他設(shè)備通信。該產(chǎn)品精度高，穩(wěn)定性高，能夠在任意位置得到準(zhǔn)確的方位角，其輸出的波特率是9600bps，數(shù)據(jù)以詢問(wèn)方式輸出，具有校準(zhǔn)功能和磁偏角補(bǔ)償功能，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。 光電傳感器電子羅盤 圖46 位置定位傳感器光電傳感器外引三根線，分別為VCC棕色、GND藍(lán)色、信號(hào)線黑色（在代碼里初始化時(shí)必須把信號(hào)位置零）。當(dāng)有物體遮住時(shí)，會(huì)把相應(yīng)信號(hào)線連接的管腳置成成低電位，代碼里進(jìn)行計(jì)數(shù)，滿足發(fā)送條件（目前是任意左右光電個(gè)數(shù)大于等于2）時(shí)發(fā)送，并把計(jì)數(shù)器清空，方便下次重新計(jì)數(shù)。原本設(shè)計(jì)為左右輪各裝一個(gè)遮擋薄片，后來(lái)因精度問(wèn)題，改為左右輪各安放五個(gè)（每72度安裝一個(gè)遮擋薄片以提高精度）。光電傳感器工作原理如圖47所示。 47 光電傳感器原理圖分為發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。發(fā)送器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。三角反射板是結(jié)構(gòu)牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回，具有實(shí)用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過(guò)反射后，還是從這根反射線返回。鑒于機(jī)器人工作環(huán)境的突發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性，有一些突發(fā)的情況，需要機(jī)器人進(jìn)行自主躲避障礙物。為了準(zhǔn)確的避障，選取的元器件必須測(cè)量精準(zhǔn)，在30厘米內(nèi)誤差不得大于5厘米，本產(chǎn)品采用的超聲傳感器如圖48所示。圖48 超聲傳感器基本工作原理:1. 采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，提供至少10us的高電平信號(hào)。2. 模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；3．有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2。第五章 詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)“小區(qū)安防監(jiān)控機(jī)器人”的人機(jī)交互界面主要是指監(jiān)控單元的操作界面，也是使用者的主要操作界面。主要包括開機(jī)界面、機(jī)器學(xué)習(xí)界面、位置定位界面和圖像監(jiān)控界面。 UI界面 界面設(shè)計(jì)“機(jī)器學(xué)習(xí)”界面的界面元素主要包括工作模式切換類按鈕，運(yùn)動(dòng)指令類按鈕，以及推桿電機(jī)的控制按鈕，如表51所示，各個(gè)界面元素的布局結(jié)構(gòu)如圖51所示。 表51 機(jī)器學(xué)習(xí)界面元素按鈕名類型功能learnmodeQPushButton切換到學(xué)習(xí)模式并發(fā)送工作象限studymodeQPushButton切換到學(xué)習(xí)模式scanfQPushButton搜索熱點(diǎn)connectQPushButton連接選擇的無(wú)線熱點(diǎn)goQPushButton前進(jìn)backQPushButton后退rightQPushButton右轉(zhuǎn)l