【文章內容簡介】 行走機構：輪式行走機構； 操控器： UPMagic6410+2Ceil51； 攝像頭： USB 攝像頭； 傳感器： 超聲傳感器、電子羅盤，灰度傳感器、 光電傳感器 控制臺： CortexTMA8 軟件設計與實現 開發(fā)語言： ； 圖像處理技術：圖像 二值化 、軌跡映射 經過充分的論證，我們選擇了技術方案二， 小區(qū)安防機器人的信息主要包括兩類，一是圖像信息，二是位置信息和運動指令。監(jiān)控于機器人是戶外工作， 與監(jiān)控臺之間的通信是通過無線網絡， 處理信息量大，原因方案二，理由是： 全 國 大 學 生 嵌 入 式 物 聯 網 設 計 大 賽 CortexTMA8 外擴 BLINK 無線網卡； 機器人的控制設備由 UPMagic6410 和 2 塊 Ceil51， 原因是 機器人在工作狀態(tài)下處理的信息量大，位置信息和運動指令可能不能丟失的原因，三個硬件 設備分工協作 。 QT專業(yè)開發(fā) UI 界面，具有良好的跨平臺性并且設計的界面美觀、精制。 全 國 大 學 生 嵌 入 式 物 聯 網 設 計 大 賽 第三章 總體設計 小區(qū) 安防機器人總體功能 主要包括機器學習和機器工作兩種模式， 本產品是安防監(jiān)控領域的新寵，代替保安人員對小區(qū)進行巡邏。本產品的創(chuàng)新點在于將學習功能賦予機器人，使其具有智能性。在學習模式下，對路況進行熟悉，對路徑進行規(guī)劃，從而達到自主識別路徑，自主下達命令，使小區(qū)安防機器人實現自主工作。在工作模式下，機器人可以自主進行避障和定位，獨立完成對小區(qū)的安防巡邏工作。當小區(qū)安防機器人出現脫離軌道時可以進行遠程控制 ，使其回歸正常軌道，從而達到了雙重保障。 硬件體系結構 控制臺 北京博創(chuàng)興業(yè)科技有限公司開發(fā)的 UPCUP210 型開發(fā)平臺 ， CPU 采用CortexTMA8 CORE， UPCUP210 采用基于 Samsung 公司最新的 S5PV210 嵌式微處理器。 S5PV210 是一款 16/32 的 RISC 微處理器，具有低成本、低功耗、高性能等優(yōu)良品質，適用于移動電話和廣泛的應用開發(fā)。 S5PV210 也包含了許多強大的硬件，用于提高任務運行的速度，例如動態(tài)視頻處理，音頻處理， 2D 圖形，顯示和縮放 等。集 S5PV210 具有良好的外部存儲器結構。這種優(yōu)化的結構能夠在高端的通信服務中維持很高的內存寬帶。存儲系統(tǒng)擁有兩個外部存儲器接口、 DRAM 和 Flash/ROM。 UPCUP210 型教學科研平臺集成了 USB、 SD、 LCD、Camera 等常用設備接口，適用于各種手持設備、消費電子和工業(yè)控制設備等產品的開發(fā)。 UPCUP210 型平臺可以作為計算機、電子通訊、軟件開發(fā)等專業(yè)開設嵌入式軟件課程的教學平臺，又可作為廣大從事 PDA 和科研單位的參考設計平臺。 硬件的選擇以滿足以下功能需要 為依據： 機器人 與控制臺進行無線 wifi 通信，需要無線 wifi 模塊的支持， UPCUP210 型開發(fā)平臺 ，運動 USBWIFI。 對機器人的運動控制是通過指令輸入、發(fā)送等操作完成，與之相關的人機交互程序要顯示在 LCD 屏上，另外圖像控制的指令發(fā)布、圖像顯示等交互程 全 國 大 學 生 嵌 入 式 物 聯 網 設 計 大 賽 序要顯示 LCD 屏上，配有 7’’LCD 觸摸屏，并且固定在底板上。 程序開發(fā)過程中，程序燒寫、與開發(fā)板的通信是通過 NFS 文件系統(tǒng)實現的 ，硬件配置如圖 31 所示。 C o r t e x T M A 8L C D 觸 摸 屏U S B W I F Im o d u l eS 5 P V 2 1 0串 口網絡接口 圖 31 CortexTMA8硬件 配置 “安防監(jiān)控機器人 ”的 運動 控制機構由兩塊 Ceil51 擔當，分別命名為 C51和 S51。 其中 C51 指揮控制步進電機轉動 ， S51 對傳感器采集的信息進行融合，為綜合運算單元傳遞重要的信息。 UPMagic6410（以下簡稱 6410） 與 C51 和 S51之間 以及 C51 和 S51 之間都 是通過 串口通信 的 ， 安防監(jiān)控機器人與控制臺的通信是通過無線網絡進行的，包括圖像信息和命令信息以及狀態(tài)信息等。 硬件結構圖如圖 42 所示。 全 國 大 學 生 嵌 入 式 物 聯 網 設 計 大 賽 U P M a g i c 6 4 1 0B L I N K 無 線 網 卡 U S B 攝 像 頭A R M 1 1 芯 片光 電 傳 感 器網絡接口步 進 電 機步 進 電 機C 5 1灰 度 傳 感 器電 子 羅 盤串 口S 5 1超 聲 傳 感 器推 桿 電 機舵 機機 器 人 圖 32 “ 安防小區(qū)監(jiān)控機器人 ”硬件結構圖 “安防監(jiān)控機器人 ” 按照硬件結構共分為三個層， 上位機和下位機和硬件設備層三部分構成，軟、硬件件關系模塊圖如圖 44 所示。 全 國 大 學 生 嵌 入 式 物 聯 網 設 計 大 賽 圖 33 “安防小區(qū)監(jiān)控機器人”模塊關系圖 視頻監(jiān)控 網絡傳輸 視頻采集 攝像頭 上位機 下位機 硬件層 串口通信 V4l2 C51 運動位置監(jiān)控 機器學習 /機器工作 視頻傳輸 步進電機 灰度傳感器 光電傳感器 電子羅盤 S51 坐標定位 路徑決策 全 國 大 學 生 嵌 入 式 物 聯 網 設 計 大 賽 軟件體系結構 功能模塊 安防機器人在真正投入工作前需要人工協助對指定的生活小區(qū)道路環(huán)境進行學習，學習過程中機器人按照人工指示 自動把小區(qū)路徑信息，方位信息，自身坐標系統(tǒng)信息以及需要重點巡邏的關鍵部位信息記憶下來，這些信息將作為機器人脫離人工指揮，獨立完成工作（巡邏）時的重要參考信息，學習過程事實上是機器人熟悉自己的工作環(huán)境的過程。 安防機器人對小區(qū)環(huán)境信息進行學習后，即可脫離人工干預，獨立進行工作（巡邏），在工作過程中，安防機器人依據學習過程中記憶的路徑信息自動沿著規(guī)定道路巡邏，并同時完成以下任務： 1 通過攝像頭獲取周圍環(huán)境的視頻數據，并通過無線網絡傳送到保安室監(jiān)控大屏顯示。 2 通過超聲波傳感器實時監(jiān)測道路路面障 礙信息，監(jiān)測到障礙后自動避障。 3 通過羅盤實時測量自己的運行方向。 4 通過光電傳感器實時測量自己的運行速度和計算運行里程。 5 依據運動參數（方向和運行里程）計算自己當前在小區(qū)中的坐標。 6 依據坐標信息，向保安人員匯報自己當前在小區(qū)中所處的位置，并顯示在監(jiān)控大屏上。 7 接受保安人員遠程緊急通知，并按照通知完成規(guī)定的動作。 8 自動檢測電量，當自身電量不足時，向保安室發(fā)出通知，并自主返回充電塢充電。 全 國 大 學 生 嵌 入 式 物 聯 網 設 計 大 賽 監(jiān)控單元驅 動 控 制 單 元綜 合 運 算 單 元環(huán) 境 監(jiān) 測 單 元超聲測障羅盤定向光電測速路徑循跡電量檢測視 頻 捕 獲充電機構輪式行走機構云臺環(huán) 境 信 息決 策 數 據無 線 網 絡 圖 34 安防監(jiān)控機器人整體結構圖 環(huán)境監(jiān)測單元及驅動控制單元分別由兩片 8051 系列單片機完成。綜合運算單元由 6410 系列 arm 開發(fā)板為核心部件，監(jiān)控單元由博創(chuàng) upcup210 開發(fā)板構成。環(huán)境監(jiān)測單元主要負責檢測機器人行走過程中路徑、障礙、方位等信息，在本設計中稱為 S51，外接超聲波測距、電子羅盤等傳感器，獲取到的環(huán)境信息經 8051 串口送入綜合運算單元。驅動控制單元主要依據綜合運算單元送來的決策數據完成對機器人行走電機，攝像頭旋轉舵機，充電起落架等動力單元的控制和調節(jié)，在本設計中稱為 C51。 綜合運算 模塊 綜合運算單元作為機器人的控制中樞， 是安防監(jiān)控機器人的核心模塊，是機器人的中樞控制機構， 主要具有以下功能： 環(huán)境信息數據融合 控制決策 視頻捕獲 遠程通信 綜合運算單元功能模塊之間 相互協同，進行工作， 對傳感器采集的信息進行融合，經過科學、嚴密的分析作做出科學的決策， 如 圖 42 所示， 環(huán)境信息數據融合模塊的輸入、輸出數據流圖，其中視頻流由單獨的線程進行處理，將視頻流 全 國 大 學 生 嵌 入 式 物 聯 網 設 計 大 賽 分解為視頻信息和視頻數據兩部分，視頻信息包括視頻格式信息和視頻大小信息，決策模塊將據此開辟合適的網絡通道傳送到監(jiān)控單元。 環(huán) 境 信 息數 據 融 合路徑信息障礙信息方向信息坐標系電量信息位移量決 策 模 塊路徑偏移量障礙距離當前坐標當前電量舵機角度攝像方向視 頻 流視 頻 數 據視頻大小視頻格式 圖 35 綜合運算單元模塊關系圖 決策模塊 決策模塊將遠程控制模式處理為所有三種運行模式中優(yōu)先級最高的一種，這是由于機器人在運行過程中受各種因素的干擾如突發(fā)性的天氣變化、道路施工等有可能會出現某些無法預知的或自身無法糾正的錯誤動作，為了防止在無法預知的情況下機器人意外造成損傷或者是能迅速恢復正常運行，決策模塊會絕對優(yōu)先處理來自遠程監(jiān)控平臺的控制指令。 學習模式是機器人熟悉自身工作環(huán)境的一個重要功能，從推廣應用的角度講，這一功能也是非常 必要的，因為不同的生活小區(qū)其路徑信息，環(huán)境狀況都是 全 國 大 學 生 嵌 入 式 物 聯 網 設 計 大 賽 不同的。機器人被安排在陌生的小區(qū)環(huán)境中執(zhí)行巡邏任務，如果無法學習環(huán)境信息那么將會使機器人的使用意義大打折扣。本項目中，機器人的學習功能的實現是通過模仿生物遠徙時會在沿途留下信息素，然后依靠搜索信息素正確找到目的地的功能進行設計的。一旦進入學習模式，決策模塊將在記憶系統(tǒng)中開辟相應的存儲空間，并根據環(huán)境信息融合單元提供的坐標方位、位移量等信息，在存儲空間中“留下痕跡”。對一些關鍵部位，機器人將根據人工指示，除了留下痕跡外，還另外留下特殊的標志， 決策模塊涉及的具體 功能子模塊關系如下圖 43 所示： 決 策 模 塊機 器人 左轉機 器人 右轉機 器人 前進機 器人 后退機 器人 學習 模式 開啟機 器人 工作 模式 開啟機 器人 定標緊 急返 航充 電位 置到 達起 落架 就位障 礙解 除避 障開 始遠 程通 信探 測遠 程緊 急命 令預 定地 點到 達起 始坐 標矯 正信 息素 嗅探信 息素 重建最 優(yōu)路 徑搜 索數 據 融 合 模 塊行 走 機 構 驅 動 單 元 圖 36 綜合運算單元模塊關系圖 上圖描述了綜合運算單元中的決策模塊與其它功能單元的銜接關系， 由于在本設計中，機器人共有三種運行模式即遠程控制模式、學習模式和工作模式，在不同的運行模式下決策模塊將有不同的決策算法，對不同的決策算法其輸入輸出數據流也互有差異。上圖綜合了三種運行模式下的輸入輸出數據