趙曉慧， 秦緒玲

(營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，遼寧營口115000)

近年來，大型集會場所的公共事故頻發(fā)，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(xiàn)場管理不力，安保警力不足，疏散不當(dāng)，指引不及時(shí)[1].因此，迫切需要設(shè)計(jì)一款具有輔助疏散指引功能的安保機(jī)器人.近年來，國內(nèi)外安保類機(jī)器人產(chǎn)品逐漸進(jìn)入大家的視線，主要功能包括巡邏警戒、自動(dòng)巡航與路徑規(guī)劃、語音對講、火災(zāi)報(bào)警等.然而，針對集會場所的人流疏散與監(jiān)控并沒有相應(yīng)產(chǎn)品.結(jié)合國家安全應(yīng)急部門在處置反恐、驅(qū)暴等方面的實(shí)際需求，研制一款能夠輔助公安干警監(jiān)控人流密集場所并可完成一系列安保工作的安保警戒機(jī)器人.該機(jī)器人能夠臨時(shí)定點(diǎn)安置在人流密集的大型活動(dòng)場所、節(jié)假日廣場及景點(diǎn).系統(tǒng)可由一臺機(jī)器人形成警戒點(diǎn)，或由多臺機(jī)器人形成警戒線，警務(wù)人員統(tǒng)一調(diào)度指揮.安保警戒機(jī)器人可替代公安干警24 h不間斷監(jiān)控重要活動(dòng)場所的警戒區(qū)域，可根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)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(jìn)行合理疏導(dǎo)，對違紀(jì)違規(guī)的行為進(jìn)行取證和警告.該款安保機(jī)器人能夠輔助完成安保警戒任務(wù)，大幅度減少現(xiàn)場警力，從而有效預(yù)防事故發(fā)生，加強(qiáng)防御控制能力.現(xiàn)就安保警戒機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)及其功能模塊進(jìn)行分析.

1 機(jī)器人系統(tǒng)概述

安保警戒機(jī)器人主要由可升降監(jiān)控模塊、聲光報(bào)警模塊、操作面板和機(jī)器人載體四部分組成(如圖1所示)，可伸縮支架連接監(jiān)控模塊與機(jī)器人載體.其中，監(jiān)控模塊為安保機(jī)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(qū)域警戒攝像頭、聲光報(bào)警系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸天線.機(jī)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(jī)器人載體裝載可伸縮支架的控制模塊及機(jī)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(jī)器人具有以下主要功能：

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)控人流密集場所動(dòng)向，并將拍攝畫面實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶蠓街笓]平臺，后方平臺指揮人員可根據(jù)需要調(diào)整機(jī)器人監(jiān)控模塊的高度及方向.

(2)實(shí)時(shí)記錄過往車輛，建立車輛信息庫，對可疑車輛進(jìn)行聲光報(bào)警提示并取證.

(3)可在后方指揮平臺根據(jù)現(xiàn)場需要設(shè)置警戒線，機(jī)器人對越界人員進(jìn)行警告及疏導(dǎo).

(4)機(jī)器人可驗(yàn)證人員身份信息，對可疑人員進(jìn)行記錄.

2 機(jī)器人載體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人載體采用輪式行走機(jī)構(gòu)[2].為防止機(jī)器人受外力作用傾倒發(fā)生危險(xiǎn)，機(jī)器人載體底部安裝可伸縮撐腳，在架設(shè)機(jī)器人時(shí)可拉出，以增強(qiáng)機(jī)器人的穩(wěn)定性.

機(jī)器人載體為整體式框架結(jié)構(gòu)(見圖2).底部為動(dòng)力層，安裝電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電壓轉(zhuǎn)換模塊；中部為控制機(jī)器人可伸縮支架的動(dòng)力系統(tǒng)；上部安裝機(jī)器人控制系統(tǒng).

3 機(jī)器人動(dòng)力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人采用冗余的供電系統(tǒng)，可以自由切換AC220V或DC24V.采用AC220V供電時(shí)，為機(jī)器人直流電源自動(dòng)充電.這里選用兩檔開關(guān)直接切換機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)供電模式.控制系統(tǒng)用于分析機(jī)器人的頭部動(dòng)作，主要有機(jī)器人頭部左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上升和下降.

機(jī)器人頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)通過步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速器連接桅桿實(shí)現(xiàn).電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制方式主要有微機(jī)控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制卡和PLC控制等形式[3].考慮到適應(yīng)工廠惡劣的操作環(huán)境，同時(shí)希望簡化操作工人對機(jī)器的操作過程， PLC可以使用專用的運(yùn)動(dòng)控制模塊控制步進(jìn)電機(jī)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(jī)器人頭部的升降動(dòng)力系統(tǒng)以氣源為動(dòng)力，通過空氣的壓縮推動(dòng)多節(jié)缸套活塞的運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到升降重物的目的.相對于電動(dòng)升降桿和液壓升降桿來說，氣動(dòng)桅桿的升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為簡單，且不會因?yàn)殇摻z繩的斷裂而造成設(shè)備損毀和人員傷害，也不會因液壓系統(tǒng)的泄露對環(huán)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(jià)格低的特點(diǎn).多方面考慮戶外風(fēng)、機(jī)器人本體尺寸和輕量化的設(shè)計(jì)原則，氣動(dòng)桅桿的直徑不易過大，且桅桿壓縮長度應(yīng)控制在機(jī)器人本體高度的范圍.機(jī)器人頭部的升降動(dòng)作通過控制氣動(dòng)充氣泵的充放氣來實(shí)現(xiàn).

4 機(jī)器人后場平臺

機(jī)器人采用一體化5.8 G無線網(wǎng)橋與后場通訊，系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖3所示.后場軟件系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，集人員身份識別、車輛識別、人員越界識別和機(jī)器人云臺控制等多個(gè)子系統(tǒng)，并嵌入視頻監(jiān)控的聯(lián)動(dòng)應(yīng)用，能同時(shí)顯示三臺機(jī)器人前端的視頻圖像.軟件集成車牌識別攝像頭及區(qū)域警戒攝像頭SDK，采用開放API，以方便后續(xù)功能設(shè)備嵌入開發(fā)，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(tǒng)對機(jī)器人前端讀取的身份信息與已錄入信息庫的信息進(jìn)行比對識別，并對讀取信息進(jìn)行存檔；車牌識別系統(tǒng)可通過手動(dòng)輸入的方式建立管理信息庫，機(jī)器人前端抓拍過往車輛，系統(tǒng)比對車輛信息庫，機(jī)器人前端發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警提示，警告無權(quán)限車輛，后場軟件將車輛信息錄入系統(tǒng)；人員越界識別系統(tǒng)可根據(jù)真實(shí)物理警戒線的擺放，在后場設(shè)置虛擬警戒線，對穿越警戒線人員機(jī)器人前端發(fā)出聲光警告，后場系統(tǒng)對其越界行為抓拍取證；云臺控制系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)機(jī)器人的監(jiān)控范圍，包括伸縮支架的高度和伸縮攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度.

5 安保警戒機(jī)器人樣機(jī)試驗(yàn)

安保警戒機(jī)器人試制樣機(jī)如圖4所示.為驗(yàn)證安保警戒機(jī)器人的實(shí)際使用功能，分別進(jìn)行了監(jiān)控系統(tǒng)測試、車牌識別準(zhǔn)確度測試、人員越界識別準(zhǔn)確度測試和聲光報(bào)警系統(tǒng)分貝測試.試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，安保警戒機(jī)器人具備優(yōu)良的功能性，在白天及夜間均能發(fā)揮安保警戒功能，對人流進(jìn)行有效的管控及警示，識別準(zhǔn)確率較高.因車輛行進(jìn)角度和光線原因，機(jī)器人視覺識別仍存在一定的誤差.另外，夜間的取證準(zhǔn)確率相對白天低，可以考慮后期在機(jī)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(jī)器人樣機(jī)功能測試結(jié)果

6 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)了一款面向公共安全的安保警戒機(jī)器人，可臨時(shí)定點(diǎn)安放在人流密集場所，協(xié)助公安干警疏導(dǎo)人流及開展警戒工作，分別對機(jī)器人前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及后場軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論述.同時(shí)，通過測試驗(yàn)證了機(jī)器人的功能.機(jī)器人能夠輔助完成大量安保警戒任務(wù)，大幅度減少了現(xiàn)場警力，有效預(yù)防了安全事故的發(fā)生.