小区安防监控机器人设计报告(编辑修改稿)

小区安防监控机器人设计报告(编辑修改稿)内容摘要：

行走机构：轮式行走机构； 操控器： UPMagic6410+2Ceil51； 摄像头： USB 摄像头； 传感器： 超声传感器、电子罗盘，灰度传感器、 光电传感器 控制台： CortexTMA8 软件设计与实现 开发语言： ； 图像处理技术：图像 二值化 、轨迹映射 经过充分的论证，我们选择了技术方案二， 小区安防机器人的信息主要包括两类，一是图像信息，二是位置信息和运动指令。 监控于机器人是户外工作， 与监控台之间的通信是通过无线网络， 处理信息量大，原因方案二，理由是： 全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛 CortexTMA8 外扩 BLINK 无线网卡； 机器人的控制设备由 UPMagic6410 和 2 块 Ceil51， 原因是 机器人在工作状态下处理的信息量大，位置信息和运动指令可能不能丢失的原因，三个硬件 设备分工协作。 QT专业开发 UI 界面，具有良好的跨平台性并且设计的界面美观、精制。 全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛 第三章 总体设计 小区 安防机器人总体功能 主要包括机器学习和机器工作两种模式， 本产品是安防监控领域的新宠，代替保安人员对小区进行巡逻。 本产品的创新点在于将学习功能赋予机器人，使其具有智能性。 在学习模式下，对路况进行熟悉，对路径进行规划，从而达到自主识别路径，自主下达命令，使小区安防机器人实现自主工作。 在工作模式下，机器人可以自主进行避障和定位，独立完成对小区的安防巡逻工作。 当小区安防机器人出现脱离轨道时可以进行远程控制 ，使其回归正常轨道，从而达到了双重保障。 硬件体系结构 控制台 北京博创兴业科技有限公司开发的 UPCUP210 型开发平台 ， CPU 采用CortexTMA8 CORE， UPCUP210 采用基于 Samsung 公司最新的 S5PV210 嵌式微处理器。 S5PV210 是一款 16/32 的 RISC 微处理器，具有低成本、低功耗、高性能等优良品质，适用于移动电话和广泛的应用开发。 S5PV210 也包含了许多强大的硬件，用于提高任务运行的速度，例如动态视频处理，音频处理， 2D 图形，显示和缩放 等。 集 S5PV210 具有良好的外部存储器结构。 这种优化的结构能够在高端的通信服务中维持很高的内存宽带。 存储系统拥有两个外部存储器接口、 DRAM 和 Flash/ROM。 UPCUP210 型教学科研平台集成了 USB、 SD、 LCD、Camera 等常用设备接口，适用于各种手持设备、消费电子和工业控制设备等产品的开发。 UPCUP210 型平台可以作为计算机、电子通讯、软件开发等专业开设嵌入式软件课程的教学平台，又可作为广大从事 PDA 和科研单位的参考设计平台。 硬件的选择以满足以下功能需要 为依据： 机器人 与控制台进行无线 wifi 通信，需要无线 wifi 模块的支持， UPCUP210 型开发平台 ，运动 USBWIFI。 对机器人的运动控制是通过指令输入、发送等操作完成，与之相关的人机交互程序要显示在 LCD 屏上，另外图像控制的指令发布、图像显示等交互程 全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛 序要显示 LCD 屏上，配有 7’’LCD 触摸屏，并且固定在底板上。 程序开发过程中，程序烧写、与开发板的通信是通过 NFS 文件系统实现的 ，硬件配置如图 31 所示。 C o r t e x T M A 8L C D 触 摸 屏U S B W I F Im o d u l eS 5 P V 2 1 0串 口网络接口 图 31 CortexTMA8硬件 配置 “安防监控机器人 ”的 运动 控制机构由两块 Ceil51 担当，分别命名为 C51和 S51。 其中 C51 指挥控制步进电机转动 ， S51 对传感器采集的信息进行融合，为综合运算单元传递重要的信息。 UPMagic6410（以下简称 6410） 与 C51 和 S51之间 以及 C51 和 S51 之间都 是通过 串口通信 的 ， 安防监控机器人与控制台的通信是通过无线网络进行的，包括图像信息和命令信息以及状态信息等。 硬件结构图如图 42 所示。 全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛 U P M a g i c 6 4 1 0B L I N K 无 线 网 卡 U S B 摄 像 头A R M 1 1 芯 片光 电 传 感 器网络接口步 进 电 机步 进 电 机C 5 1灰 度 传 感 器电 子 罗 盘串 口S 5 1超 声 传 感 器推 杆 电 机舵 机机 器 人 图 32 “ 安防小区监控机器人 ”硬件结构图 “安防监控机器人 ” 按照硬件结构共分为三个层， 上位机和下位机和硬件设备层三部分构成，软、硬件件关系模块图如图 44 所示。 全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛 图 33 “安防小区监控机器人”模块关系图 视频监控 网络传输 视频采集 摄像头 上位机 下位机 硬件层 串口通信 V4l2 C51 运动位置监控 机器学习 /机器工作 视频传输 步进电机 灰度传感器 光电传感器 电子罗盘 S51 坐标定位 路径决策 全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛 软件体系结构 功能模块 安防机器人在真正投入工作前需要人工协助对指定的生活小区道路环境进行学习，学习过程中机器人按照人工指示 自动把小区路径信息，方位信息，自身坐标系统信息以及需要重点巡逻的关键部位信息记忆下来，这些信息将作为机器人脱离人工指挥，独立完成工作（巡逻）时的重要参考信息，学习过程事实上是机器人熟悉自己的工作环境的过程。 安防机器人对小区环境信息进行学习后，即可脱离人工干预，独立进行工作（巡逻），在工作过程中，安防机器人依据学习过程中记忆的路径信息自动沿着规定道路巡逻，并同时完成以下任务： 1 通过摄像头获取周围环境的视频数据，并通过无线网络传送到保安室监控大屏显示。 2 通过超声波传感器实时监测道路路面障 碍信息，监测到障碍后自动避障。 3 通过罗盘实时测量自己的运行方向。 4 通过光电传感器实时测量自己的运行速度和计算运行里程。 5 依据运动参数（方向和运行里程）计算自己当前在小区中的坐标。 6 依据坐标信息，向保安人员汇报自己当前在小区中所处的位置，并显示在监控大屏上。 7 接受保安人员远程紧急通知，并按照通知完成规定的动作。 8 自动检测电量，当自身电量不足时，向保安室发出通知，并自主返回充电坞充电。 全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛 监控单元驱 动 控 制 单 元综 合 运 算 单 元环 境 监 测 单 元超声测障罗盘定向光电测速路径循迹电量检测视 频 捕 获充电机构轮式行走机构云台环 境 信 息决 策 数 据无 线 网 络 图 34 安防监控机器人整体结构图 环境监测单元及驱动控制单元分别由两片 8051 系列单片机完成。 综合运算单元由 6410 系列 arm 开发板为核心部件，监控单元由博创 upcup210 开发板构成。 环境监测单元主要负责检测机器人行走过程中路径、障碍、方位等信息，在本设计中称为 S51，外接超声波测距、电子罗盘等传感器，获取到的环境信息经 8051 串口送入综合运算单元。 驱动控制单元主要依据综合运算单元送来的决策数据完成对机器人行走电机，摄像头旋转舵机，充电起落架等动力单元的控制和调节，在本设计中称为 C51。 综合运算 模块 综合运算单元作为机器人的控制中枢， 是安防监控机器人的核心模块，是机器人的中枢控制机构， 主要具有以下功能： 环境信息数据融合 控制决策 视频捕获 远程通信 综合运算单元功能模块之间 相互协同，进行工作， 对传感器采集的信息进行融合，经过科学、严密的分析作做出科学的决策， 如 图 42 所示， 环境信息数据融合模块的输入、输出数据流图，其中视频流由单独的线程进行处理，将视频流 全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛 分解为视频信息和视频数据两部分，视频信息包括视频格式信息和视频大小信息，决策模块将据此开辟合适的网络通道传送到监控单元。 环 境 信 息数 据 融 合路径信息障碍信息方向信息坐标系电量信息位移量决 策 模 块路径偏移量障碍距离当前坐标当前电量舵机角度摄像方向视 频 流视 频 数 据视频大小视频格式 图 35 综合运算单元模块关系图 决策模块 决策模块将远程控制模式处理为所有三种运行模式中优先级最高的一种，这是由于机器人在运行过程中受各种因素的干扰如突发性的天气变化、道路施工等有可能会出现某些无法预知的或自身无法纠正的错误动作，为了防止在无法预知的情况下机器人意外造成损伤或者是能迅速恢复正常运行，决策模块会绝对优先处理来自远程监控平台的控制指令。 学习模式是机器人熟悉自身工作环境的一个重要功能，从推广应用的角度讲，这一功能也是非常 必要的，因为不同的生活小区其路径信息，环境状况都是 全 国 大 学 生 嵌 入 式 物 联 网 设 计 大 赛 不同的。 机器人被安排在陌生的小区环境中执行巡逻任务，如果无法学习环境信息那么将会使机器人的使用意义大打折扣。 本项目中，机器人的学习功能的实现是通过模仿生物远徙时会在沿途留下信息素，然后依靠搜索信息素正确找到目的地的功能进行设计的。 一旦进入学习模式，决策模块将在记忆系统中开辟相应的存储空间，并根据环境信息融合单元提供的坐标方位、位移量等信息，在存储空间中“留下痕迹”。 对一些关键部位，机器人将根据人工指示，除了留下痕迹外，还另外留下特殊的标志， 决策模块涉及的具体 功能子模块关系如下图 43 所示： 决 策 模 块机 器人 左转机 器人 右转机 器人 前进机 器人 后退机 器人 学习 模式 开启机 器人 工作 模式 开启机 器人 定标紧 急返 航充 电位 置到 达起 落架 就位障 碍解 除避 障开 始远 程通 信探 测远 程紧 急命 令预 定地 点到 达起 始坐 标矫 正信 息素 嗅探信 息素 重建最 优路 径搜 索数 据 融 合 模 块行 走 机 构 驱 动 单 元 图 36 综合运算单元模块关系图 上图描述了综合运算单元中的决策模块与其它功能单元的衔接关系， 由于在本设计中，机器人共有三种运行模式即远程控制模式、学习模式和工作模式，在不同的运行模式下决策模块将有不同的决策算法，对不同的决策算法其输入输出数据流也互有差异。 上图综合了三种运行模式下的输入输出数据。