一款安保警戒機器人的設計與實現

趙曉慧， 秦緒玲

(營口職業技術學院機電工程學院，遼寧營口115000)

近年來，大型集會場所的公共事故頻發，例如：2014年上海外灘踩踏事件造成了36人死亡，49人受傷.究其事故原因，主要是現場管理不力，安保警力不足，疏散不當，指引不及時[1].因此，迫切需要設計一款具有輔助疏散指引功能的安保機器人.近年來，國內外安保類機器人產品逐漸進入大家的視線，主要功能包括巡邏警戒、自動巡航與路徑規劃、語音對講、火災報警等.然而，針對集會場所的人流疏散與監控并沒有相應產品.結合國家安全應急部門在處置反恐、驅暴等方面的實際需求，研制一款能夠輔助公安干警監控人流密集場所并可完成一系列安保工作的安保警戒機器人.該機器人能夠臨時定點安置在人流密集的大型活動場所、節假日廣場及景點.系統可由一臺機器人形成警戒點，或由多臺機器人形成警戒線，警務人員統一調度指揮.安保警戒機器人可替代公安干警24 h不間斷監控重要活動場所的警戒區域，可根據現場的實際需要靈活布置，采用聲光等方式對靠近的人員予以勸誡，對集中人流進行合理疏導，對違紀違規的行為進行取證和警告.該款安保機器人能夠輔助完成安保警戒任務，大幅度減少現場警力，從而有效預防事故發生，加強防御控制能力.現就安保警戒機器人的整體設計及其功能模塊進行分析.

1 機器人系統概述

安保警戒機器人主要由可升降監控模塊、聲光報警模塊、操作面板和機器人載體四部分組成(如圖1所示)，可伸縮支架連接監控模塊與機器人載體.其中，監控模塊為安保機器人的頭部，安裝在可伸縮支架上方，主要裝載車牌識別攝像頭、區域警戒攝像頭、聲光報警系統和網絡數據傳輸天線.機器人操作面板采用友好化交互界面，主要用于顯示和識別身份信息，機器人載體裝載可伸縮支架的控制模塊及機器人的電源模塊.四部分功能模塊相互配合完成一系列安保工作.

機器人具有以下主要功能：

(1)實時監控人流密集場所動向，并將拍攝畫面實時傳輸到后方指揮平臺，后方平臺指揮人員可根據需要調整機器人監控模塊的高度及方向.

(2)實時記錄過往車輛，建立車輛信息庫，對可疑車輛進行聲光報警提示并取證.

(3)可在后方指揮平臺根據現場需要設置警戒線，機器人對越界人員進行警告及疏導.

(4)機器人可驗證人員身份信息，對可疑人員進行記錄.

2 機器人載體結構設計

機器人載體采用輪式行走機構[2].為防止機器人受外力作用傾倒發生危險，機器人載體底部安裝可伸縮撐腳，在架設機器人時可拉出，以增強機器人的穩定性.

機器人載體為整體式框架結構(見圖2).底部為動力層，安裝電池、驅動電機和電壓轉換模塊；中部為控制機器人可伸縮支架的動力系統；上部安裝機器人控制系統.

3 機器人動力控制系統設計

機器人采用冗余的供電系統，可以自由切換AC220V或DC24V.采用AC220V供電時，為機器人直流電源自動充電.這里選用兩檔開關直接切換機器人動力系統供電模式.控制系統用于分析機器人的頭部動作，主要有機器人頭部左轉、右轉、上升和下降.

機器人頭部的轉動通過步進電機經減速器連接桅桿實現.電機驅動的控制方式主要有微機控制系統、運動控制卡和PLC控制等形式[3].考慮到適應工廠惡劣的操作環境，同時希望簡化操作工人對機器的操作過程， PLC可以使用專用的運動控制模塊控制步進電機單軸或多軸的位置，故采用可編程控制器(PLC)作為控制元件.

機器人頭部的升降動力系統以氣源為動力，通過空氣的壓縮推動多節缸套活塞的運動，從而達到升降重物的目的.相對于電動升降桿和液壓升降桿來說，氣動桅桿的升降傳動機構較為簡單，且不會因為鋼絲繩的斷裂而造成設備損毀和人員傷害，也不會因液壓系統的泄露對環境造成污染，具備重量輕、維修方便、安全、壽命長、耐候性好和價格低的特點.多方面考慮戶外風、機器人本體尺寸和輕量化的設計原則，氣動桅桿的直徑不易過大，且桅桿壓縮長度應控制在機器人本體高度的范圍.機器人頭部的升降動作通過控制氣動充氣泵的充放氣來實現.

4 機器人后場平臺

機器人采用一體化5.8 G無線網橋與后場通訊，系統總體框架結構如圖3所示.后場軟件系統采用模塊化的設計方法，集人員身份識別、車輛識別、人員越界識別和機器人云臺控制等多個子系統，并嵌入視頻監控的聯動應用，能同時顯示三臺機器人前端的視頻圖像.軟件集成車牌識別攝像頭及區域警戒攝像頭SDK，采用開放API，以方便后續功能設備嵌入開發，人性化的操作界面操作方便.

人員身份信息識別，可通過二代身份證、攝像頭拍照采集信息，系統對機器人前端讀取的身份信息與已錄入信息庫的信息進行比對識別，并對讀取信息進行存檔；車牌識別系統可通過手動輸入的方式建立管理信息庫，機器人前端抓拍過往車輛，系統比對車輛信息庫，機器人前端發出相應的聲光報警提示，警告無權限車輛，后場軟件將車輛信息錄入系統；人員越界識別系統可根據真實物理警戒線的擺放，在后場設置虛擬警戒線，對穿越警戒線人員機器人前端發出聲光警告，后場系統對其越界行為抓拍取證；云臺控制系統能夠調節機器人的監控范圍，包括伸縮支架的高度和伸縮攝像頭的轉動角度.

5 安保警戒機器人樣機試驗

安保警戒機器人試制樣機如圖4所示.為驗證安保警戒機器人的實際使用功能，分別進行了監控系統測試、車牌識別準確度測試、人員越界識別準確度測試和聲光報警系統分貝測試.試驗結果如表1所示，安保警戒機器人具備優良的功能性，在白天及夜間均能發揮安保警戒功能，對人流進行有效的管控及警示，識別準確率較高.因車輛行進角度和光線原因，機器人視覺識別仍存在一定的誤差.另外，夜間的取證準確率相對白天低，可以考慮后期在機器人頭部加裝照明裝置，增加其夜間的可視范圍.

表 1 安保警戒機器人樣機功能測試結果

6 結語

本研究設計了一款面向公共安全的安保警戒機器人，可臨時定點安放在人流密集場所，協助公安干警疏導人流及開展警戒工作，分別對機器人前端系統設計以及后場軟件系統的實現進行了論述.同時，通過測試驗證了機器人的功能.機器人能夠輔助完成大量安保警戒任務，大幅度減少了現場警力，有效預防了安全事故的發生.