山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 汪新浩 李翠萍 趙 曜 胡曉濤

基于移動(dòng)機(jī)器人的智能家居安防系統(tǒng)

山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 汪新浩 李翠萍 趙 曜 胡曉濤

隨著居住環(huán)境改變和城市流動(dòng)人口的急劇增加，社會(huì)治安面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，傳統(tǒng)的人防保安方式難以適應(yīng)我們的要求，智能安防已成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。本項(xiàng)目智能家居安防系統(tǒng)以ARM嵌入式為依托，設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于A星算法最優(yōu)路徑規(guī)劃的小型移動(dòng)機(jī)器人，其采用全時(shí)四驅(qū)驅(qū)動(dòng)的PID控制和電子羅盤對(duì)行走路線的實(shí)時(shí)矯正，可以使行走路徑精確。本系統(tǒng)涉及通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、圖像處理與傳輸技術(shù)，音視頻技術(shù)等，具備自主導(dǎo)航、圖像處理、人臉識(shí)別、語(yǔ)音表達(dá)、自主攻擊與跟蹤目標(biāo)等功能，可全面構(gòu)建安全住宅環(huán)境，提升家居環(huán)境的安全性、智能性。

家居安防系統(tǒng)；移動(dòng)機(jī)器人；最優(yōu)路徑規(guī)劃；四驅(qū)驅(qū)動(dòng)

1 智能家居安防系統(tǒng)的背景

智能機(jī)器人作為能分析出現(xiàn)的情況,能調(diào)整自己的動(dòng)作以達(dá)到操作者所提出的全部要求,能擬定所希望的動(dòng)作,并在信息不充分的情況下和環(huán)境迅速變化的條件下完成這些動(dòng)作,被廣泛應(yīng)用到了許多領(lǐng)域。隨著居住環(huán)境改變和城市流動(dòng)人口的急劇增加,社會(huì)治安面臨嚴(yán)峻考驗(yàn),要保障家居環(huán)境的安全,防止偷盜事件的發(fā)生,就必須有可靠的安全防范系統(tǒng),傳統(tǒng)的人防保安方式難以適應(yīng)我們的要求,智能安防已成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。

2 智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念

目前國(guó)內(nèi)外家居防盜系統(tǒng)功能單一、智能化差,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)情況難以做出正確的判斷,很難保證家居安全。本項(xiàng)目為了解決此類安防系統(tǒng)存在的問(wèn)題,大膽嘗試了基于ARM嵌入式的自主移動(dòng)機(jī)器人快速定位,兼具語(yǔ)音恐嚇、聲光報(bào)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(jī)與下位機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)理念。

2.2 智能家居安防系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

2.2.1 最優(yōu)路徑規(guī)劃

自主移動(dòng)機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)成功的避障,首先需要一個(gè)準(zhǔn)確的現(xiàn)實(shí)模型。由于房間里家具的擺放位置是靜止不變的,避障問(wèn)題可采用基于模型的規(guī)劃法。房間里的監(jiān)控?cái)z像頭可以把家居環(huán)境分割成以移動(dòng)機(jī)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(jià)屬性賦值為1,將無(wú)障礙物區(qū)域所覆蓋到的柵格路徑代價(jià)屬性賦值為0。若一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)既有安全區(qū)域,也有障礙物區(qū)域,則將此網(wǎng)格按照障礙物區(qū)域賦值。

全局規(guī)劃中采用可以在較短時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)方案的A星。A星算法作為一種啟發(fā)式的圖搜索算法,能夠較好的滿足航跡規(guī)劃問(wèn)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(tài)中確定一個(gè)最優(yōu)解,并在理論上保證全局最優(yōu)解的收斂性[4]。它的任務(wù)就是在具有障礙物的環(huán)境中按照行走路線最短的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尋找一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的無(wú)碰路徑。

A星算法具體步驟為:

(1)將攝像頭拍攝的家居環(huán)境地圖轉(zhuǎn)化為A星算法所需的柵格地圖;

(2)上位機(jī)圖像處理后確定每個(gè)柵格的屬性;

(3)將移動(dòng)機(jī)器人位置所在的柵格記為起始格,將被觸發(fā)的門、窗節(jié)點(diǎn)所在的柵格記為終止點(diǎn);

(4)將起始柵格添加到算法的開啟列表中;

(5)重復(fù)的采用啟發(fā)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(dòng)到關(guān)閉列表中;

3)對(duì)每一個(gè)相鄰的柵格,如果它路徑代價(jià)為1,即不可通過(guò)或者該網(wǎng)格己經(jīng)在關(guān)閉列表中,跳過(guò)此網(wǎng)格;反之如下:如果該網(wǎng)格在開啟列表不存在,將此網(wǎng)格添加到開啟列表中。將當(dāng)前網(wǎng)格作為這一網(wǎng)格的父節(jié)點(diǎn),記錄這個(gè)網(wǎng)格的f(n),g(n),h(n)的值。若它在開啟列表中己經(jīng)存在,則用g(n)的值為參考來(lái)檢查目前所選擇的新的路徑是否更優(yōu)。若為更優(yōu)路徑,則將這一網(wǎng)格的父節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到當(dāng)前網(wǎng)格,并重新計(jì)算這一網(wǎng)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(duì)開啟列表排序[1]。

4)當(dāng)終止網(wǎng)格被添加到關(guān)閉列表中,這時(shí)認(rèn)為最優(yōu)路徑己經(jīng)找到,或者沒(méi)有找到目標(biāo)網(wǎng)格,但開啟列表己經(jīng)為空,此時(shí)路徑不存在;

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

2.2.2 全時(shí)四驅(qū)的增量式PID控制

本系統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人采用全時(shí)四驅(qū)的差速運(yùn)動(dòng)方式?？商岣哕囕v在普通路面的抓地力和過(guò)彎轉(zhuǎn)向性能。差動(dòng)輪是齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量小、承載能力大、遞功率范圍及傳動(dòng)范圍大、運(yùn)行噪聲小、效率高及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。四個(gè)車輪采用增量式PID控制,可以使四個(gè)車輪在行駛過(guò)程中保持車速一致,從而使行走路線準(zhǔn)確。