李家成,陸桂龍,陳 芹,郝家輝,陶華磊,胡兆鵬

(南通理工學(xué)院,江蘇 南通 226000)

0 引言

信息化時代到來,一體化機器人隨之誕生,在電子信息技術(shù)體系加持下,智能機器人的應(yīng)用更加充分,其優(yōu)勢越來越明顯。智能安防機器人在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用可以代替人工進行所有危險性、高頻性的工作,包括各項危險性檢測、環(huán)境全面監(jiān)控、危險警報提示以及數(shù)據(jù)的高效采集等。

1 智能安防機器人的核心構(gòu)成

智能安防機器人備受好評主要是源于功能強大,其自身控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性也十分優(yōu)越。在實際中,可以應(yīng)用模塊化設(shè)計思路,對控制系統(tǒng)進行精準(zhǔn)設(shè)計,搭建總體設(shè)計框架,制定可行的初步規(guī)劃;針對主要控制系統(tǒng)完成合理化設(shè)計,不斷提高智能安防機器人的應(yīng)用水平。

智能安防機器人的核心構(gòu)成較為復(fù)雜,具體包含運動控制子系統(tǒng)、電機驅(qū)動器、傳感器子系統(tǒng)、具有輔助功能的攝像頭控制子系統(tǒng)等。在對子系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上,還要利用機器人平臺進行控制系統(tǒng)測試,保證實驗測試的有效性;要對測試結(jié)果進行全面分析,制定可行性較高的、優(yōu)質(zhì)的總結(jié)報告。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

控制系統(tǒng)總體設(shè)計中包含的模塊較多,除了主控器(核心構(gòu)件)外,還包括運動控制子系統(tǒng)、攝像頭、上位機App等。在設(shè)計環(huán)節(jié),控制系統(tǒng)總體設(shè)計是關(guān)鍵。本文設(shè)計的智能安防機器人以STM32F429電機控制器和云服務(wù)器為核心,其中,STM32F429電機控制器主要由電機驅(qū)動器、直流伺服電機、激光導(dǎo)航傳感器構(gòu)成,云服務(wù)器主要包括電腦上位機和手機App終端,系統(tǒng)本身包含噪聲傳感器、煙霧傳感器、超聲波傳感器、磁導(dǎo)航傳感器、地標(biāo)傳感器、溫濕度傳感器以及觸摸屏。系統(tǒng)總體設(shè)計,如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 主控器設(shè)計

主控器是智能安防機器人的主要信息處理設(shè)備,屬于整個系統(tǒng)的核心構(gòu)建,可以將其看作具有支配功能的“大腦”,是系統(tǒng)的中樞神經(jīng),實時與各項子系統(tǒng)(機器人中的)保持聯(lián)系,共同完成合作。在主控制器的加持下,將信息進行匯總,并精準(zhǔn)處理命令信息;根據(jù)具體指令將信息下放到相應(yīng)的子系統(tǒng)中,確保命令合理完成。

主控器在安防機器人系統(tǒng)中地位特殊,可以實現(xiàn)各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn),使通心和控制功能得以順利實現(xiàn),優(yōu)化智能安防機器人性能。同時,主控器捕捉機器人的運動狀態(tài),并進行合理調(diào)整,根據(jù)具體需求改變機器人的運行軌跡、糾正不良習(xí)慣。機器人在完成巡檢任務(wù)的過程中,為了確保巡檢的可靠性,必須搭配多線程分級管理,充分利用搭載無線通信模塊和操作系統(tǒng)實現(xiàn)遠程通信功能。因此,在智能安防機器人的研發(fā)階段,關(guān)鍵環(huán)節(jié)是主控器的合理設(shè)計及對控制系統(tǒng)的優(yōu)化,在控制模塊基礎(chǔ)上追加驅(qū)動模塊,完善機器人的通信功能。

2.2 運動控制器的設(shè)計

運動控制器子系統(tǒng)的地位同樣重要,主要功能是根據(jù)命令內(nèi)容判斷主控器的速度和真實的運行方向,實現(xiàn)多個姿態(tài)的調(diào)整(如前進、后退、轉(zhuǎn)向等),確保運動方式的實現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計總方案對運動控制器實施優(yōu)化。同時,運動控制器具有特殊性,所以必須要考慮囊括多種設(shè)計因素,不斷提升子系統(tǒng)模塊的功能。

2.3 電機驅(qū)動器設(shè)計

電機驅(qū)動器的位置特殊,位于電機控制器核心地帶,與永磁同步電機距離較短,作為中間電路,其性能完善、功能強大,可以將控制信號(電機控制器發(fā)出的)進行放大,實現(xiàn)智能安防機器人的換向、剎車等功能,是智能安防機器人成功發(fā)揮作用的關(guān)鍵。此外,還具有控制邏輯功能,可以精準(zhǔn)保護電路。

智能安防機器人之所以運行效率高,就是因為多個電機的相互配合,包括光電編碼器、永磁同步電機、永磁同步電機驅(qū)動器、編碼器,如圖2所示。電機驅(qū)動器模塊以STM32F429電機控制器為核心,PWM驅(qū)動模塊通過改變脈沖幅度來控制系統(tǒng)電路電壓的輸出,并通過開關(guān)設(shè)計來調(diào)節(jié)電流的傳輸效率,完成PWM信號輸出可以保證和主控制器通信,提高通信的實效性;永磁同步電機驅(qū)動器將轉(zhuǎn)子動能轉(zhuǎn)化為電能,實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)、無功率調(diào)節(jié)和無功負荷分配,是一種高精度的伺服控制系統(tǒng);永磁同步電機省去了集電環(huán)和電刷,無需勵磁電流,沒有勵磁損耗,提高了電動機的效率和功率密度[1];光電編碼器和解碼器傳送、接收命令信息[2-3],實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)。

圖2 電機控制

2.4 傳感器子系統(tǒng)的設(shè)計

智能安防機器人的重要性逐漸被認可,其實際應(yīng)用可以彌補人工管理作業(yè)中存在的不足,人承擔(dān)安防、巡檢等相關(guān)任務(wù),降低人工成本。合格的安防機器人需要保持一定的敏銳性,實時感知外界環(huán)境,因此,其多個傳感器之間要保持關(guān)聯(lián)性、匹配度高度一致。對多傳感器融合技術(shù)靈活區(qū)分和應(yīng)用,將多種傳感器整合,發(fā)揮取長補短效果,共同提升系統(tǒng)的精確度。在設(shè)計該子系統(tǒng)時,需要多考慮智能安防機器人的應(yīng)用需求,充分發(fā)揮數(shù)據(jù)采集功能,有效捕捉導(dǎo)航、環(huán)境信息。同時,發(fā)揮數(shù)據(jù)處理功能,在信息收集完成后按照要求

整合加以,使智能安防機器人能對接收的命令作出清晰、明確的判斷。

2.5 攝像頭子系統(tǒng)設(shè)計

攝像頭傳輸子系統(tǒng)的實際作用是完整地監(jiān)控現(xiàn)場環(huán)境,確保監(jiān)控數(shù)據(jù)的合理性、精準(zhǔn)性,是機器人獲取執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵。攝像頭傳輸子系統(tǒng)由可見光攝像機和紅外熱成像攝像機構(gòu)成,可以科學(xué)地探測環(huán)境溫度,如果溫度偏高就會自動觸發(fā)報警功能,兩個攝像機系統(tǒng)相互輔助。

(1)可見光攝像機,發(fā)揮基礎(chǔ)性作用,清晰成像功能實現(xiàn)對環(huán)境的實時監(jiān)控,屬于不可或缺的攝像頭子系統(tǒng)核心要素;同時,其還包括錄像、回放功能,是對攝像頭子系統(tǒng)功能發(fā)揮的一種保障。(2)紅外熱成像攝像機同樣功能顯著,用來檢測現(xiàn)場的設(shè)備,通過設(shè)備溫度的檢測,綜合評估設(shè)備性能。當(dāng)設(shè)備溫度過高,說明系統(tǒng)存在危險性,此時該攝像頭會發(fā)揮報警功能。實踐證明,該攝像機功能強大,監(jiān)測范圍廣泛,各處溫度異常點均能精準(zhǔn)捕捉,效果十分顯著。

在實際應(yīng)用中,為了強化攝像頭子系統(tǒng)的整體應(yīng)用效果,可以在以上兩種攝像機的基礎(chǔ)上增加云臺控制功能,以完成精準(zhǔn)度較高的攝像機控制,達到360°地進行目標(biāo)監(jiān)控的目的;同時,通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)將攝像機監(jiān)控影像遠程傳輸?shù)紸pp終端,為現(xiàn)場人員的場景監(jiān)控與分析提供方便。

3 結(jié)語

綜上所述,智能安防機器人在新時期備受關(guān)注,其控制系統(tǒng)的設(shè)計逐漸受到重視,想要出色完成系統(tǒng)設(shè)計,需要綜合各方面的因素,考慮周全,同時掌握各個子系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能和設(shè)計要求。實踐表明,只有子系統(tǒng)功能完善,整個控制系統(tǒng)的性能才會提升。現(xiàn)實中,通過優(yōu)化各子系統(tǒng)性能,可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計效果最大化的目標(biāo)。