基于移動機器人的智能家居安防系統

山東科技大學電氣與自動化工程學院 汪新浩 李翠萍 趙 曜 胡曉濤

基于移動機器人的智能家居安防系統

山東科技大學電氣與自動化工程學院 汪新浩 李翠萍 趙 曜 胡曉濤

隨著居住環境改變和城市流動人口的急劇增加，社會治安面臨嚴峻考驗，傳統的人防保安方式難以適應我們的要求，智能安防已成為當前的發展趨勢。本項目智能家居安防系統以ARM嵌入式為依托，設計了一臺基于A星算法最優路徑規劃的小型移動機器人，其采用全時四驅驅動的PID控制和電子羅盤對行走路線的實時矯正，可以使行走路徑精確。本系統涉及通信技術、自動控制技術、圖像處理與傳輸技術，音視頻技術等，具備自主導航、圖像處理、人臉識別、語音表達、自主攻擊與跟蹤目標等功能，可全面構建安全住宅環境，提升家居環境的安全性、智能性。

家居安防系統；移動機器人；最優路徑規劃；四驅驅動

1 智能家居安防系統的背景

智能機器人作為能分析出現的情況,能調整自己的動作以達到操作者所提出的全部要求,能擬定所希望的動作,并在信息不充分的情況下和環境迅速變化的條件下完成這些動作,被廣泛應用到了許多領域。隨著居住環境改變和城市流動人口的急劇增加,社會治安面臨嚴峻考驗,要保障家居環境的安全,防止偷盜事件的發生,就必須有可靠的安全防范系統,傳統的人防保安方式難以適應我們的要求,智能安防已成為當前的發展趨勢。

2 智能家居安防系統的設計

2.1 智能家居安防系統設計理念

目前國內外家居防盜系統功能單一、智能化差,對現場突發情況難以做出正確的判斷,很難保證家居安全。本項目為了解決此類安防系統存在的問題,大膽嘗試了基于ARM嵌入式的自主移動機器人快速定位,兼具語音恐嚇、聲光報警、圖像處理與傳輸、自主避障與具備一定攻擊能力的上位機與下位機結合的設計理念。

2.2 智能家居安防系統的實現方法

2.2.1 最優路徑規劃

自主移動機器人要實現成功的避障,首先需要一個準確的現實模型。由于房間里家具的擺放位置是靜止不變的,避障問題可采用基于模型的規劃法。房間里的監控攝像頭可以把家居環境分割成以移動機器人橫向截面積為單位面積的柵格。將家具擺放位置所能覆蓋到的柵格路徑代價屬性賦值為1,將無障礙物區域所覆蓋到的柵格路徑代價屬性賦值為0。若一個網格內既有安全區域,也有障礙物區域,則將此網格按照障礙物區域賦值。

全局規劃中采用可以在較短時間內找到最優方案的A星。A星算法作為一種啟發式的圖搜索算法,能夠較好的滿足航跡規劃問題中的各種約束條件和要求。A星算法能夠在有限的可選狀態中確定一個最優解,并在理論上保證全局最優解的收斂性[4]。它的任務就是在具有障礙物的環境中按照行走路線最短的評價標準尋找一條從起始狀態到目標狀態的無碰路徑。

A星算法具體步驟為:

(1)將攝像頭拍攝的家居環境地圖轉化為A星算法所需的柵格地圖;

(2)上位機圖像處理后確定每個柵格的屬性;

(3)將移動機器人位置所在的柵格記為起始格,將被觸發的門、窗節點所在的柵格記為終止點;

(4)將起始柵格添加到算法的開啟列表中;

(5)重復的采用啟發式算法:

1)在開啟列表中尋找起始柵格;

2)把它從開啟列表中移動到關閉列表中;

3)對每一個相鄰的柵格,如果它路徑代價為1,即不可通過或者該網格己經在關閉列表中,跳過此網格;反之如下:如果該網格在開啟列表不存在,將此網格添加到開啟列表中。將當前網格作為這一網格的父節點,記錄這個網格的f(n),g(n),h(n)的值。若它在開啟列表中己經存在,則用g(n)的值為參考來檢查目前所選擇的新的路徑是否更優。若為更優路徑,則將這一網格的父節點移動到當前網格,并重新計算這一網格的g(n)和f(n)值。如果保持開啟列表中按f(n)值的大小排序,改變之后可能需要重新對開啟列表排序[1]。

4)當終止網格被添加到關閉列表中,這時認為最優路徑己經找到,或者沒有找到目標網格,但開啟列表己經為空,此時路徑不存在;

(6)保存路徑。從終止格開始,將每一個在封閉列表中相鄰的網格的中心用實線連接起來,直到回到起始網格,這樣就得到A星算法產生的路徑。產生的路徑將以一維數組的形式保存(奇數代表行走步數,偶數代表左轉右轉)。

2.2.2 全時四驅的增量式PID控制

本系統移動機器人采用全時四驅的差速運動方式。可提高車輛在普通路面的抓地力和過彎轉向性能。差動輪是齒輪傳動機構,具有結構緊湊、體積小、質量小、承載能力大、遞功率范圍及傳動范圍大、運行噪聲小、效率高及壽命長等優點[2]。四個車輪采用增量式PID控制,可以使四個車輪在行駛過程中保持車速一致,從而使行走路線準確。