基于遠(yuǎn)程控制的雙輪安防機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 森 ，潘小琴 ，欽盼琛 ，張 普 ，閆 琦

（1.西南科技大學(xué) 智能機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐班，綿陽 621010；2.西南科技大學(xué) 工程技術(shù)中心，綿陽 621010）

安防產(chǎn)業(yè)在保障公共安全方面起著舉足輕重的作用，傳統(tǒng)安防分為人防措施和視頻監(jiān)控兩大類。人防措施存在監(jiān)守自盜、玩忽職守、防盜值班和危險(xiǎn)環(huán)境巡邏時(shí)人身安全風(fēng)險(xiǎn)高等隱患[1]；視頻監(jiān)控則因其固定安裝，存在死角，易于遭受破壞，且采用有線方式傳輸致使視頻圖像布線復(fù)雜，后期維護(hù)成本高。

雙輪機(jī)器人屬于輪式移動(dòng)機(jī)器人WMR（wheeled mobile robot），具有體積小、行動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[2]，在短途代步、軍事、環(huán)境偵察、安防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3]。針對(duì)傳統(tǒng)安防的不足，將雙輪機(jī)器人應(yīng)用于安防系統(tǒng)，值班人員可以使用智能手機(jī)或者電腦等終端設(shè)備，通過無線方式控制機(jī)器人在工廠車間、倉儲(chǔ)庫房、危險(xiǎn)環(huán)境和家庭空間等區(qū)域活動(dòng)，監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行、環(huán)境變化、人員活動(dòng)等情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障、火災(zāi)警情、煤氣泄漏及非法入侵等安全隱患。同時(shí)，值班人員通過遠(yuǎn)程操控機(jī)器人，可避免進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)，保障自身安全。

安防機(jī)器人系統(tǒng)，采用STM32系列芯片作為雙輪機(jī)器人的處理器，控制各模塊之間的相互配合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)現(xiàn)場狀況的采集和自動(dòng)報(bào)警。值班人員通過登錄遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場情況的視頻和感知數(shù)據(jù)，同時(shí)可以控制機(jī)器人抵近觀察并主動(dòng)介入。

1 安防機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

安防機(jī)器人系統(tǒng)，采用客戶端/服務(wù)器（C/S）結(jié)構(gòu)，以雙輪機(jī)器人作為服務(wù)器，智能終端設(shè)備作為客戶端，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。機(jī)器人使用攝像頭采集視頻圖像，通過各種傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，值班人員通過智能手機(jī)或者電腦等終端設(shè)備自帶的WiFi技術(shù)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，使用域名訪問服務(wù)器，可查看機(jī)器人傳輸?shù)囊曨l圖像及數(shù)據(jù)，同時(shí)可以通過網(wǎng)頁中的控件控制機(jī)器人的行動(dòng)，進(jìn)行重點(diǎn)觀察。為了實(shí)現(xiàn)該雙輪機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)車體平衡控制、視頻采集、傳感器控制等功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 System structure diagram

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

安防機(jī)器人主控制器選用STM32F103系列芯片，外接電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、編碼器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、熱釋傳感器、六軸運(yùn)動(dòng)處理組件及視頻采集模塊等，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 安防機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Security robot hardware structure

主控制器為STM32F103系列芯片，連接各子模塊，對(duì)各子模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，產(chǎn)生控制信號(hào)。利用MPU6050六軸運(yùn)動(dòng)處理組件采集姿態(tài)信息，計(jì)算出當(dāng)前傾斜角度，結(jié)合編碼器獲取的當(dāng)前速度，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制PWM波，實(shí)現(xiàn)雙路電機(jī)正反轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)小車的平衡直立、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

機(jī)器人搭載有多種傳感器功能模塊，用于檢測環(huán)境參數(shù)，預(yù)報(bào)警情。其中，溫濕度傳感器DHT11可以檢測當(dāng)前環(huán)境的溫、濕度，濕度測量誤差為5%，溫度測量誤差為2℃；煙霧傳感器MQ-2可以監(jiān)測是否有火災(zāi)發(fā)生，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下靈敏度S≥5，設(shè)置相對(duì)濃度超過100%時(shí)觸發(fā)報(bào)警；HC-SR501人體熱釋傳感器用于夜間巡邏時(shí)檢測是否有人闖入，感應(yīng)距離3～7 m可調(diào)；HC-SR04超聲測距模塊用于非接觸式距離感測，測量距離為2～400 cm，防止人為操作失誤導(dǎo)致機(jī)器人碰撞事件的發(fā)生。

視頻采集通過羅技C270網(wǎng)絡(luò)攝像頭實(shí)現(xiàn)，采用了MT7620N主控芯片運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器MJPG-streamer[4-5]，MT7620N和STM32之間通過串口通信，視頻服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)或PC端遠(yuǎn)程登錄，查看視頻信息及發(fā)送控制命令。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

安防機(jī)器人系統(tǒng)的軟件工作流程如圖3所示。服務(wù)器程序啟動(dòng)后，首先進(jìn)行初始化，完成后即開始自檢，如果檢測到有模塊未正常工作則進(jìn)行錯(cuò)誤提示并報(bào)警。自檢結(jié)束后等待終端連接，若入網(wǎng)失敗則進(jìn)行錯(cuò)誤提示并報(bào)警，若超時(shí)或入網(wǎng)成功則進(jìn)行視頻傳輸、PID控制及各傳感器模塊的信息采集。客戶端程序打開后，輸入服務(wù)器的IP地址，登錄連接到服務(wù)器，獲取服務(wù)器拍攝的實(shí)時(shí)視頻圖像和其他傳感器檢測數(shù)據(jù)，并可以通過點(diǎn)擊控件遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

圖3 安防機(jī)器人系統(tǒng)軟件控制流程Fig.3 Security robot system software control flow chart

3.1 姿態(tài)采集與角度融合

安防機(jī)器人采用兩輪行進(jìn)，因此準(zhǔn)確的姿態(tài)采集決定了機(jī)器人是否能平穩(wěn)運(yùn)行。系統(tǒng)采用MPU6050檢測車體姿態(tài)，其內(nèi)部集成了陀螺儀和加速度計(jì)組合的捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)。加速度計(jì)無累計(jì)誤差，可長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，但是對(duì)振動(dòng)非常敏感；陀螺儀受機(jī)器人振動(dòng)影響較小，但其自身及放大電路有溫漂，同時(shí)積分電路會(huì)產(chǎn)生累積誤差[6-7]，因此需要進(jìn)行濾波和去除噪聲處理。

本系統(tǒng)采用Kalman[8-9]濾波算法，對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀的測量信號(hào)進(jìn)行融合。Kalman濾波器作為一種有效的遞歸濾波器，通過預(yù)測某個(gè)值并評(píng)估預(yù)測值的不確定性，計(jì)算預(yù)測值與測量值的加權(quán)平均值，產(chǎn)生測量數(shù)據(jù)真值的估計(jì)值及其關(guān)聯(lián)計(jì)算值。最大的權(quán)重給予不確定性最小的值。其輸出的估計(jì)值與原始數(shù)據(jù)相比，更接近真值。此外，與批處理的濾波技術(shù)相比，Kalman濾波不需要?dú)v史的估計(jì)值和觀測數(shù)據(jù)，能較好地用低成本主控芯片實(shí)現(xiàn)。

3.2 串級(jí)PID控制

機(jī)器人是本質(zhì)不穩(wěn)定系統(tǒng)，平衡問題對(duì)機(jī)器人至關(guān)重要。要使得系統(tǒng)穩(wěn)定，必須采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗浴？刂品譃殪o平衡和動(dòng)平衡兩方面，由PID控制器實(shí)現(xiàn)。

3.2.1 靜平衡控制

機(jī)器人的實(shí)物屬性和外界環(huán)境變化使其姿態(tài)采集的信號(hào)不可避免的存在噪聲信號(hào)，這些噪聲經(jīng)過積分環(huán)節(jié)會(huì)不斷地積累，使得積分器失去消除靜差的功能并產(chǎn)生控制誤差，故采用PD控制器。

傳統(tǒng)線性PD控制器存在控制裕度小、魯棒性低、易出現(xiàn)平衡點(diǎn)自激振蕩等問題，因此最終構(gòu)建了用于雙輪機(jī)器人自平衡的非線性PD控制器，其表達(dá)式為

3.2.2 動(dòng)平衡控制

動(dòng)平衡控制包括了對(duì)前進(jìn)、后退和左右轉(zhuǎn)向的控制。對(duì)于前進(jìn)和后退的控制，即雙輪機(jī)器人的速度控制，利用編碼器檢測到電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速和給定速度，比較兩者的差值信號(hào)，構(gòu)建PI控制器得到輸出信號(hào)為

左右轉(zhuǎn)向控制需要兩輪的差速實(shí)現(xiàn)，對(duì)響應(yīng)要求較低。為降低成本，簡化程序，采用P控制。以垂直地面豎直向上建立轉(zhuǎn)軸z，通過計(jì)算機(jī)器人繞z軸的角速度和預(yù)設(shè)值的偏差，改變轉(zhuǎn)角。其表達(dá)式為

然而，雙輪機(jī)器人的靜平衡和動(dòng)平衡存在著矛盾：系統(tǒng)需要控制機(jī)器人的行動(dòng)，而行進(jìn)和轉(zhuǎn)彎使得機(jī)器人處于不平衡狀態(tài)，為使機(jī)器人平衡而不得不減緩機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，因此必須設(shè)置相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)理，如圖4所示。

圖4 串級(jí)PID控制Fig.4 Cascade PID controller block diagram

為了保證直立控制的優(yōu)先級(jí)最高，把速度控制放在直立控制之前，將速度控制的輸出作為直立控制的輸入，直立控制的輸出作為整個(gè)系統(tǒng)的輸出。然后，在機(jī)器人能夠平衡和行進(jìn)的基礎(chǔ)上，加入轉(zhuǎn)向控制，即整個(gè)系統(tǒng)滿足：

通過不斷調(diào)試PID參數(shù)，最終得到一組較優(yōu)的參數(shù)：

3.3 可視化遠(yuǎn)程控制軟件設(shè)計(jì)

MJPG-streamer是一款視頻流應(yīng)用軟件，用于從單一的輸入端獲取圖像并轉(zhuǎn)發(fā)到多個(gè)輸出端，利用網(wǎng)絡(luò)攝像頭的硬件壓縮功能進(jìn)行圖像處理，可有效減少CPU的負(fù)荷。處理器將攝像頭采集到的圖像存入緩存中，當(dāng)PC或手機(jī)終端向視頻Web服務(wù)器發(fā)出訪問申請時(shí)，服務(wù)器會(huì)將緩存中的圖像數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送給視頻監(jiān)控終端，形成視頻流。

輸入輸出過程的數(shù)據(jù)通過Web服務(wù)器進(jìn)行傳輸。使用lighttped，PHP建立Web服務(wù)器，運(yùn)用PHP調(diào)用shell命令對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，完成控制信息由服務(wù)器的接收端到串口緩沖區(qū)的傳遞。同時(shí)，將視頻流的數(shù)據(jù)從MJPG-streamer的接收內(nèi)嵌到用戶的操作界面，保證在用戶進(jìn)行操作的同時(shí)可以實(shí)時(shí)查看視頻畫面，完成實(shí)時(shí)控制。在網(wǎng)頁上通過調(diào)用已封裝函數(shù) Forward（），Backward（），TurnLeft（），TurnRight（），Stop（）這 5 個(gè)函數(shù)來控制機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止。調(diào)用已封裝的傳感器函數(shù)獲取當(dāng)前環(huán)境信息的數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

雙輪機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是建立在其姿態(tài)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，通過上位機(jī)得到經(jīng)Kalman濾波后的角度基本穩(wěn)定在0°上。機(jī)器人實(shí)物如圖5所示。

圖5 機(jī)器人實(shí)物Fig.5 Physical robot

通過手機(jī)或PC端瀏覽器登錄服務(wù)器端網(wǎng)址（http：//192.168.8.1：81）， 即可獲取機(jī)器人實(shí)時(shí)視頻傳輸圖像。登錄界面如圖6所示，輸入正確賬號(hào)密碼信息即可登錄。監(jiān)控界面實(shí)時(shí)傳輸當(dāng)前視頻和各種環(huán)境信息，如圖7所示。該視頻圖像清晰、無失真和抖動(dòng)現(xiàn)象；觸摸或點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕即可控制機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止。

圖6 終端登錄界面Fig.6 Terminal login interface

圖7 手機(jī)和PC端監(jiān)控界面Fig.7 Mobile phone and PC monitoring interface

5 結(jié)語

本文針對(duì)傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的不足，提出了一種用于安防的雙輪機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器（C/S）結(jié)構(gòu)，以 STM32F103為主控，采用 MPU6050對(duì)機(jī)器人姿態(tài)的采集并由Kalman濾波來得到最優(yōu)測量角度，結(jié)合串級(jí)PID控制器優(yōu)化策略，快速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的靜平衡和動(dòng)平衡控制。利用MJPG-streamer構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，值班人員可以通過智能手機(jī)或PC終端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看視頻和環(huán)境參數(shù)并控制機(jī)器人。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高、拓展性強(qiáng)，有著廣泛的應(yīng)用前景。

[1]梅濤，陳劍，陳宏炬，等.安防機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化前景[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化，2016，23（5）：51-55.

[2]王利清.基于終端滑模控制的兩輪移動(dòng)機(jī)器人自平衡實(shí)現(xiàn)方法研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2015，37（13）：16-18，30.

[3]梁文宇，周惠興，曹榮敏，等.雙輪載人自平衡控制系統(tǒng)研究綜述[J].控制工程，2010，17（S2）：139-144，190.

[4]陳恒鑫，林威，張欽宇.基于Mjpg-streamer的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2014，22（11）：3597-3599，3608.

[5]肖兒良，毛海軍，鞠軍平，等.基于開源軟件MJPG_Streamer的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2013，30（6）：84-87.

[6]姜香菊，劉二林.兩輪自平衡機(jī)器人角度檢測數(shù)據(jù)融合算法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2013，49（8）：203-205.

[7]馮智勇，曾瀚，張力，等.基于陀螺儀及加速度計(jì)信號(hào)融合的姿態(tài)角度測量[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，36（4）：137-141.

[8]吳友強(qiáng)，紀(jì)浩，鄒力涵.基于卡爾曼濾波的四旋翼飛行器懸停控制研究[J].自動(dòng)化與儀表，2013，42（11）：1-5.

[9]Liu Kun，Bai Ming，Ni Yuhua.Two-wheel self-balanced carbased on Kalman filtering and PID algorithm[C]//Industrial Engineering and Engineering Management（IE&EM）2011 IEEE 18th International Conference，Part 1，2011：281-285.