機(jī)車協(xié)同安防機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁 越，劉云平

（南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210000）

目前中國傳統(tǒng)的國家安全系統(tǒng)以“人防+物防”的方法來完成，但是由于中國社會(huì)上老齡化趨勢日益嚴(yán)重、勞動(dòng)力成本持續(xù)高漲、國家安全人才流失率持續(xù)增加等問題，它已不適應(yīng)目前的社會(huì)發(fā)展趨勢[1]。同時(shí)，由于傳統(tǒng)安防產(chǎn)業(yè)面臨著信息孤島的現(xiàn)狀，在查詢數(shù)據(jù)時(shí)需要人為過濾，而無法直接與云端的大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行自動(dòng)交流，極大地降低了用戶的效率;同時(shí)也只能做出事后反應(yīng)，并沒有事前主動(dòng)出擊、自主防范的能力[2]。機(jī)車協(xié)同安防機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，不僅解決了在復(fù)雜場景下工作的技術(shù)難題，還提高了巡檢全面性和穩(wěn)定性，有利于安防事業(yè)的發(fā)展。

1 整體設(shè)計(jì)

隨著城市的發(fā)展和擴(kuò)張，安防的范圍和難度不斷增長，同時(shí)人口老齡化情況日益嚴(yán)重、勞動(dòng)力成本飆升，如今安防行業(yè)的成本居高不下，社會(huì)也對(duì)安防系統(tǒng)提出了更高的要求，用安防機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)安防系統(tǒng)勢在必行[3]。為了提升安防效率和性能，本文介紹機(jī)車協(xié)同安防機(jī)器人的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，實(shí)物如圖1 所示。

圖1 機(jī)車協(xié)同安防機(jī)器人實(shí)物圖

機(jī)器人具有在多種環(huán)境下工作的能力，不僅能在白天針對(duì)相關(guān)安全問題進(jìn)行巡邏，在夜間也可以利用事件相機(jī)在黑暗的環(huán)境中高效提取圖像。在機(jī)器人定位方面，應(yīng)用事件相機(jī)裝配有視覺與慣導(dǎo)單元相結(jié)合的里程計(jì)、用于環(huán)境感知的激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)小車視野受限或者需要無人機(jī)去執(zhí)行某些特定的拍照任務(wù)時(shí)，無人機(jī)會(huì)自動(dòng)起飛進(jìn)行拍攝任務(wù)，擴(kuò)大了檢測的范圍；同時(shí)由于無人機(jī)續(xù)航時(shí)間有限，無人車上安裝了無線充電裝置，給無人機(jī)充電續(xù)航，保證了系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)作。

結(jié)合安防行業(yè)的實(shí)際需求，安防機(jī)器人除了具有基礎(chǔ)的定位和巡檢功能，還具有人物識(shí)別、測速、車輛違章檢測、煙霧報(bào)警等功能，進(jìn)一步拓展了安防能力[4]。

2 硬件設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品硬件部分如圖2 所示，機(jī)器人系統(tǒng)主要由無人機(jī)以及無人車組成，并搭載多種傳感器采集數(shù)據(jù)。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)主要由無人車和無人機(jī)二部分構(gòu)成，其中無人機(jī)與無人車間用P900 數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信，具備高效率、少延遲的優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)數(shù)據(jù)通訊的穩(wěn)定性較強(qiáng)，并可提供良好的噪聲系數(shù)抑制，出色的抗干擾性能和快速平穩(wěn)的頻率合成。

無人機(jī)上搭載事件相機(jī)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。事件相機(jī)是一個(gè)新型的視覺感應(yīng)器，通過測量每個(gè)像素點(diǎn)光照強(qiáng)度的改變來生成“事件”，擁有低延時(shí)、高動(dòng)態(tài)范圍的技術(shù)先進(jìn)特點(diǎn)[5]。慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)為導(dǎo)航參數(shù)解算控制系統(tǒng)，以陀螺旋轉(zhuǎn)和加速度儀為主要敏感元件。系統(tǒng)中通過利用陀螺旋轉(zhuǎn)的輸出形成導(dǎo)航坐標(biāo)系，然后再利用加速度儀的輸出計(jì)算出目標(biāo)物在坐標(biāo)系中的速度和位移。系統(tǒng)具備隱藏好，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)值持續(xù)性好且噪音較少的優(yōu)勢，而且短期精確度和穩(wěn)定性良好。

無人車上搭載了RTK 定位模塊、雙目相機(jī)和激光雷達(dá)。選用的SKY2-機(jī)載RTK 定位模塊具有高動(dòng)態(tài)接收機(jī)板卡，在高速狀態(tài)下能達(dá)到厘米級(jí)的差分定位結(jié)果，使整個(gè)產(chǎn)品具備更好的精度和更好的安全性與穩(wěn)定性。激光雷達(dá)是發(fā)送激光能量束，以檢測目標(biāo)位移，速率等特征物理量的雷達(dá)控制系統(tǒng)。由于雷達(dá)在連續(xù)工作時(shí)不受有源干擾影響，所得到的數(shù)值更加精確，比實(shí)時(shí)好，而且激光雷達(dá)安裝簡單，適宜用作小型環(huán)境感應(yīng)控制系統(tǒng)中的檢測器。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)同搜索算法

對(duì)于無人機(jī)和無人汽車的協(xié)同搜索采用波門跟蹤算法[6]，通常包括以下3 種情況：

（1）沒有要求的目標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)處于等待模式。

（2）當(dāng)目標(biāo)出現(xiàn)變化并在附近波門內(nèi)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)保持跟蹤模式。

（3）當(dāng)目標(biāo)從波門消失時(shí)，波門就會(huì)展開全局搜索。

無人車在運(yùn)動(dòng)過程中，運(yùn)動(dòng)軌跡必須服從某一確定的函數(shù)關(guān)系。設(shè)無人車在前a 幀圖象中的中心位置坐標(biāo)為（xk，yk），則k 的取值范圍為（0，1，2，3...a）。無人車運(yùn)動(dòng)的x 坐標(biāo)推導(dǎo)和y 坐標(biāo)推導(dǎo)很相似。假設(shè)x 的最符合要求的二次函數(shù)應(yīng)該用下式表達(dá)

可得a 個(gè)點(diǎn)的誤差方差：

使用最小二乘法來讓誤差平方達(dá)到最小化，可得：

將式（3）帶入式（1）便可以算出下一幀中無人車位于圖片中的位置。

3.2 多傳感器融合

多個(gè)傳感器融合是指采用多個(gè)傳感器為同一載體提供準(zhǔn)確位置信息。為了實(shí)現(xiàn)合理的傳感器數(shù)據(jù)融合，必須充分考慮這幾個(gè)傳感器之間的輸出延時(shí)差。對(duì)于事件相機(jī)與IMU 相結(jié)合的傳感器系統(tǒng)而言，視覺數(shù)據(jù)延時(shí)通常難以準(zhǔn)確估算，使用擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）創(chuàng)建了一種視覺慣性系統(tǒng)，它可以有效融合IMU 和視覺數(shù)據(jù)，提供準(zhǔn)確豐富的運(yùn)動(dòng)和環(huán)境結(jié)構(gòu)信息。傳感器融合原理如圖3 所示。

圖3 傳感器融合原理

4 數(shù)傳模塊

無人車與無人機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊利用P900 數(shù)傳模塊得以實(shí)現(xiàn)。P900 以其極小的封裝和適應(yīng)性設(shè)計(jì)，成為對(duì)空間和成本有要求的終極應(yīng)用。P900 具有穩(wěn)定可靠，高速率，低延時(shí)，數(shù)據(jù)通訊安全性強(qiáng)的優(yōu)勢。除此之外，P900 能提供極佳的噪聲系數(shù)控制，卓越的抗干擾性能以及迅捷穩(wěn)定的頻率合成。P900 在目前國內(nèi)無人機(jī)、應(yīng)急語音通訊行業(yè)具有非常大的應(yīng)用前景。其實(shí)物圖如圖4 所示。

圖4 P900 數(shù)傳模塊實(shí)物圖

5 上位機(jī)監(jiān)控

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要用于用戶對(duì)機(jī)器人狀態(tài)、環(huán)境狀況以及攝像頭相關(guān)圖像的查看，以便機(jī)器人對(duì)用戶輸出有關(guān)安防隱患信息。該界面采用QT5 中的Label、Push Button、Combo Box 等控件，涉及到機(jī)器人巡檢的主要任務(wù)。當(dāng)機(jī)器人處于巡檢任務(wù)模式時(shí)，用戶可以實(shí)時(shí)查看安防車的位置坐標(biāo)、剩余電量、信號(hào)強(qiáng)弱以及無人機(jī)的飛行高度，并且控制無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)路徑，同時(shí)無人機(jī)將拍攝到的畫面實(shí)時(shí)傳輸?shù)接脩羝聊簧?。機(jī)器人巡檢操作界面如圖5 所示。

圖5 機(jī)器人巡檢操作界面

6 結(jié)束語

安防機(jī)器人已經(jīng)完成了現(xiàn)場部署和運(yùn)行，實(shí)際使用過程中可以給機(jī)器人制定巡檢任務(wù)，機(jī)器人按要求完成該路線的巡邏后，將巡視的結(jié)果上傳到上位機(jī)監(jiān)控部分，供使用者參考。相比于傳統(tǒng)的安防方式，使用本文介紹的機(jī)器人提高了安防的全面性和持續(xù)性，并能實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜天氣環(huán)境下的工作任務(wù)。