【文章內(nèi)容簡介】 行走機(jī)構(gòu)：輪式行走機(jī)構(gòu)； 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(shè)計與實(shí)現(xiàn) 開發(fā)語言： ； 圖像處理技術(shù)：圖像 二值化 、軌跡映射 經(jīng)過充分的論證，我們選擇了技術(shù)方案二， 小區(qū)安防機(jī)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(yùn)動指令。監(jiān)控于機(jī)器人是戶外工作， 與監(jiān)控臺之間的通信是通過無線網(wǎng)絡(luò)， 處理信息量大，原因方案二，理由是： 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計 大 賽 CortexTMA8 外擴(kuò) BLINK 無線網(wǎng)卡； 機(jī)器人的控制設(shè)備由 UPMagic6410 和 2 塊 Ceil51， 原因是 機(jī)器人在工作狀態(tài)下處理的信息量大，位置信息和運(yùn)動指令可能不能丟失的原因，三個硬件 設(shè)備分工協(xié)作 。 QT專業(yè)開發(fā) UI 界面，具有良好的跨平臺性并且設(shè)計的界面美觀、精制。 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計 大 賽 第三章 總體設(shè)計 小區(qū) 安防機(jī)器人總體功能 主要包括機(jī)器學(xué)習(xí)和機(jī)器工作兩種模式， 本產(chǎn)品是安防監(jiān)控領(lǐng)域的新寵，代替保安人員對小區(qū)進(jìn)行巡邏。本產(chǎn)品的創(chuàng)新點(diǎn)在于將學(xué)習(xí)功能賦予機(jī)器人，使其具有智能性。在學(xué)習(xí)模式下，對路況進(jìn)行熟悉，對路徑進(jìn)行規(guī)劃，從而達(dá)到自主識別路徑，自主下達(dá)命令，使小區(qū)安防機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主工作。在工作模式下，機(jī)器人可以自主進(jìn)行避障和定位，獨(dú)立完成對小區(qū)的安防巡邏工作。當(dāng)小區(qū)安防機(jī)器人出現(xiàn)脫離軌道時可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制 ，使其回歸正常軌道，從而達(dá)到了雙重保障。 硬件體系結(jié)構(gòu) 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(zhì)，適用于移動電話和廣泛的應(yīng)用開發(fā)。 S5PV210 也包含了許多強(qiáng)大的硬件，用于提高任務(wù)運(yùn)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(jié)構(gòu)。這種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)能夠在高端的通信服務(wù)中維持很高的內(nèi)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(xué)科研平臺集成了 USB、 SD、 LCD、Camera 等常用設(shè)備接口，適用于各種手持設(shè)備、消費(fèi)電子和工業(yè)控制設(shè)備等產(chǎn)品的開發(fā)。 UPCUP210 型平臺可以作為計算機(jī)、電子通訊、軟件開發(fā)等專業(yè)開設(shè)嵌入式軟件課程的教學(xué)平臺，又可作為廣大從事 PDA 和科研單位的參考設(shè)計平臺。 硬件的選擇以滿足以下功能需要 為依據(jù)： 機(jī)器人 與控制臺進(jìn)行無線 wifi 通信，需要無線 wifi 模塊的支持， UPCUP210 型開發(fā)平臺 ，運(yùn)動 USBWIFI。 對機(jī)器人的運(yùn)動控制是通過指令輸入、發(fā)送等操作完成，與之相關(guān)的人機(jī)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(xué) 生 嵌 入 式 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 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(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)接口 圖 31 CortexTMA8硬件 配置 “安防監(jiān)控機(jī)器人 ”的 運(yùn)動 控制機(jī)構(gòu)由兩塊 Ceil51 擔(dān)當(dāng)，分別命名為 C51和 S51。 其中 C51 指揮控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動 ， S51 對傳感器采集的信息進(jìn)行融合，為綜合運(yùn)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(jī)器人與控制臺的通信是通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，包括圖像信息和命令信息以及狀態(tài)信息等。 硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 42 所示。 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計 大 賽 U P M a g i c 6 4 1 0B L I N K 無 線 網(wǎng) 卡 U S B 攝 像 頭A R M 1 1 芯 片光 電 傳 感 器網(wǎng)絡(luò)接口步 進(jìn) 電 機(jī)步 進(jìn) 電 機(jī)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(jī)舵 機(jī)機(jī) 器 人 圖 32 “ 安防小區(qū)監(jiān)控機(jī)器人 ”硬件結(jié)構(gòu)圖 “安防監(jiān)控機(jī)器人 ” 按照硬件結(jié)構(gòu)共分為三個層， 上位機(jī)和下位機(jī)和硬件設(shè)備層三部分構(gòu)成，軟、硬件件關(guān)系模塊圖如圖 44 所示。 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計 大 賽 圖 33 “安防小區(qū)監(jiān)控機(jī)器人”模塊關(guān)系圖 視頻監(jiān)控 網(wǎng)絡(luò)傳輸 視頻采集 攝像頭 上位機(jī) 下位機(jī) 硬件層 串口通信 V4l2 C51 運(yùn)動位置監(jiān)控 機(jī)器學(xué)習(xí) /機(jī)器工作 視頻傳輸 步進(jìn)電機(jī) 灰度傳感器 光電傳感器 電子羅盤 S51 坐標(biāo)定位 路徑?jīng)Q策 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計 大 賽 軟件體系結(jié)構(gòu) 功能模塊 安防機(jī)器人在真正投入工作前需要人工協(xié)助對指定的生活小區(qū)道路環(huán)境進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過程中機(jī)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(biāo)系統(tǒng)信息以及需要重點(diǎn)巡邏的關(guān)鍵部位信息記憶下來，這些信息將作為機(jī)器人脫離人工指揮，獨(dú)立完成工作（巡邏）時的重要參考信息，學(xué)習(xí)過程事實(shí)上是機(jī)器人熟悉自己的工作環(huán)境的過程。 安防機(jī)器人對小區(qū)環(huán)境信息進(jìn)行學(xué)習(xí)后，即可脫離人工干預(yù)，獨(dú)立進(jìn)行工作（巡邏），在工作過程中，安防機(jī)器人依據(jù)學(xué)習(xí)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(wù)： 1 通過攝像頭獲取周圍環(huán)境的視頻數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到保安室監(jiān)控大屏顯示。 2 通過超聲波傳感器實(shí)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(shí)時測量自己的運(yùn)行方向。 4 通過光電傳感器實(shí)時測量自己的運(yùn)行速度和計算運(yùn)行里程。 5 依據(jù)運(yùn)動參數(shù)（方向和運(yùn)行里程）計算自己當(dāng)前在小區(qū)中的坐標(biāo)。 6 依據(jù)坐標(biāo)信息，向保安人員匯報自己當(dāng)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(yuǎn)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(dāng)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(xué) 生 嵌 入 式 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計 大 賽 監(jiān)控單元驅(qū) 動 控 制 單 元綜 合 運(yùn) 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(jī)構(gòu)輪式行走機(jī)構(gòu)云臺環(huán) 境 信 息決 策 數(shù) 據(jù)無 線 網(wǎng) 絡(luò) 圖 34 安防監(jiān)控機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖 環(huán)境監(jiān)測單元及驅(qū)動控制單元分別由兩片 8051 系列單片機(jī)完成。綜合運(yùn)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(gòu)成。環(huán)境監(jiān)測單元主要負(fù)責(zé)檢測機(jī)器人行走過程中路徑、障礙、方位等信息，在本設(shè)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(jīng) 8051 串口送入綜合運(yùn)算單元。驅(qū)動控制單元主要依據(jù)綜合運(yùn)算單元送來的決策數(shù)據(jù)完成對機(jī)器人行走電機(jī)，攝像頭旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，充電起落架等動力單元的控制和調(diào)節(jié)，在本設(shè)計中稱為 C51。 綜合運(yùn)算 模塊 綜合運(yùn)算單元作為機(jī)器人的控制中樞， 是安防監(jiān)控機(jī)器人的核心模塊，是機(jī)器人的中樞控制機(jī)構(gòu)， 主要具有以下功能： 環(huán)境信息數(shù)據(jù)融合 控制決策 視頻捕獲 遠(yuǎn)程通信 綜合運(yùn)算單元功能模塊之間 相互協(xié)同，進(jìn)行工作， 對傳感器采集的信息進(jìn)行融合，經(jīng)過科學(xué)、嚴(yán)密的分析作做出科學(xué)的決策， 如 圖 42 所示， 環(huán)境信息數(shù)據(jù)融合模塊的輸入、輸出數(shù)據(jù)流圖，其中視頻流由單獨(dú)的線程進(jìn)行處理，將視頻流 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計 大 賽 分解為視頻信息和視頻數(shù)據(jù)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(jù)此開辟合適的網(wǎng)絡(luò)通道傳送到監(jiān)控單元。 環(huán) 境 信 息數(shù) 據(jù) 融 合路徑信息障礙信息方向信息坐標(biāo)系電量信息位移量決 策 模 塊路徑偏移量障礙距離當(dāng)前坐標(biāo)當(dāng)前電量舵機(jī)角度攝像方向視 頻 流視 頻 數(shù) 據(jù)視頻大小視頻格式 圖 35 綜合運(yùn)算單元模塊關(guān)系圖 決策模塊 決策模塊將遠(yuǎn)程控制模式處理為所有三種運(yùn)行模式中優(yōu)先級最高的一種，這是由于機(jī)器人在運(yùn)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(xiàn)某些無法預(yù)知的或自身無法糾正的錯誤動作，為了防止在無法預(yù)知的情況下機(jī)器人意外造成損傷或者是能迅速恢復(fù)正常運(yùn)行，決策模塊會絕對優(yōu)先處理來自遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的控制指令。 學(xué)習(xí)模式是機(jī)器人熟悉自身工作環(huán)境的一個重要功能，從推廣應(yīng)用的角度講，這一功能也是非常 必要的，因?yàn)椴煌纳钚^(qū)其路徑信息，環(huán)境狀況都是 全 國 大 學(xué) 生 嵌 入 式 物 聯(lián) 網(wǎng) 設(shè) 計 大 賽 不同的。機(jī)器人被安排在陌生的小區(qū)環(huán)境中執(zhí)行巡邏任務(wù)，如果無法學(xué)習(xí)環(huán)境信息那么將會使機(jī)器人的使用意義大打折扣。本項目中，機(jī)器人的學(xué)習(xí)功能的實(shí)現(xiàn)是通過模仿生物遠(yuǎn)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(jìn)行設(shè)計的。一旦進(jìn)入學(xué)習(xí)模式，決策模塊將在記憶系統(tǒng)中開辟相應(yīng)的存儲空間，并根據(jù)環(huán)境信息融合單元提供的坐標(biāo)方位、位移量等信息，在存儲空間中“留下痕跡”。對一些關(guān)鍵部位，機(jī)器人將根據(jù)人工指示，除了留下痕跡外，還另外留下特殊的標(biāo)志， 決策模塊涉及的具體 功能子模塊關(guān)系如下圖 43 所示： 決 策 模 塊機(jī) 器人 左轉(zhuǎn)機(jī) 器人 右轉(zhuǎn)機(jī) 器人 前進(jìn)機(jī) 器人 后退機(jī) 器人 學(xué)習(xí) 模式 開啟機(jī) 器人 工作 模式 開啟機(jī) 器人 定標(biāo)緊 急返 航充 電位 置到 達(dá)起 落架 就位障 礙解 除避 障開 始遠(yuǎn) 程通 信探 測遠(yuǎn) 程緊 急命 令預(yù) 定地 點(diǎn)到 達(dá)起 始坐 標(biāo)矯 正信 息素 嗅探信 息素 重建最 優(yōu)路 徑搜 索數(shù) 據(jù) 融 合 模 塊行 走 機(jī) 構(gòu) 驅(qū) 動 單 元 圖 36 綜合運(yùn)算單元模塊關(guān)系圖 上圖描述了綜合運(yùn)算單元中的決策模塊與其它功能單元的銜接關(guān)系， 由于在本設(shè)計中，機(jī)器人共有三種運(yùn)行模式即遠(yuǎn)程控制模式、學(xué)習(xí)模式和工作模式，在不同的運(yùn)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(shù)據(jù)流也互有差異。上圖綜合了三種運(yùn)行模式下的輸入輸出數(shù)據(jù)