專利名稱：保安巡邏機器人系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種保安巡邏機器人系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
近年來，越來越多的研究者開始研究能夠改變?nèi)祟惾粘Ｉ畹姆諜C器人，由于 保安巡邏機器人具有廣闊的應用前景，因此已成為服務機器人一個新的研究方向。與監(jiān)控 系統(tǒng)的固定性和被動性不同，保安巡邏機器人是一個主動的、可移動的系統(tǒng)，利用其可移動 性，機器人可以在不同的場所進行巡邏和監(jiān)控，并且能夠與固定視覺監(jiān)控系統(tǒng)一起形成分 布式監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)，以全面提高安防監(jiān)控效果。日本Sogo警衛(wèi)保障公司研制的巡邏機器人能夠在辦公室里充當導游，指引來訪 者到達目的地，并能夠在晚上進行巡邏。該機器人采用輪式結(jié)構(gòu)，并以基于路標的方式進行 定位和導航，可在平坦的道路上移動，并通過安裝在機器人上的攝像機將環(huán)境信息傳輸給 監(jiān)控室。但是，該巡邏機器人的缺點是功能單一，只適用于辦公室等相對穩(wěn)定的工作環(huán)境， 且其定位和導航仍需依靠人工設定的路標，而無法適應工作環(huán)境的改變。臺灣學者羅仁權(quán)研制的保安機器人Chung Cheng除了可以進行巡邏之外，還采用 了無線網(wǎng)絡設計，可以進行遠程操控，并具有自動充電的功能。白天該機器人利用語音導覽 系統(tǒng)及觸控屏幕擔任導覽員，晚上又可轉(zhuǎn)任保安人員，并采用基于GSM的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)進 行遠程操控。但是，文獻中沒有提及該機器人具有雙向語音傳輸功能，而且由于該機器人是 采用三輪運動機構(gòu)，因此在高速移動或轉(zhuǎn)彎時容易跌倒。華南理工大學研制的保安巡邏機器人外觀呈“警犬”狀，可以設定成自主巡邏或者 人工操控的工作方式，其能夠按照預先設定的路線進行巡邏，且能夠自主避開障礙物并修 改前進的路線，具有探測范圍寬，能夠連續(xù)、多方位巡邏，并且具有防盜報警等功能。但是該 機器人在使用時，需要提前按要求路線對機器人進行編程示教，而且需要對其工作場所進 行適當改造，例如在地面上粘貼導航帶，這樣就會大大降低該機器人的應用范圍。另外，該 文獻中也沒有提及該機器人具有自主充電功能。中國科學院自動化研究所高創(chuàng)中心研制的保安巡邏機器人是以自行研制開發(fā)的 全自主機器人AIM作為平臺，除了可以完成障礙避碰、自主導航等任務外，還提供有火災探 測系統(tǒng)，該系采用信息融合的方法及時準確地探測火災，同時采用Client/Server的控制 方式實現(xiàn)了無線通訊和遠程遙控。但是，文獻中沒有提及該機器人具有自主充電功能、夜間 巡邏功能，也沒有語音信息的傳輸與監(jiān)控功能，且該文獻只提到該機器人適合于辦公室、倉 庫、廠房等室內(nèi)環(huán)境的巡邏與監(jiān)控。貴州大學研制的隨機巡邏防盜機器人通過4個紅外線傳感器、4只攝像頭、多普勒 傳感器及聲音探測傳感器，使機器人無需調(diào)整傳感器的方位就可實現(xiàn)全方位全視角監(jiān)測。 同時，該機器人還具有程控和遙控兩種控制方式，既可按照預編好的程序隨機地選擇巡邏 時間和路線，又可切換到遙控方式，通過監(jiān)控系統(tǒng)獲取的視頻信息進行遠程遙控并具有報
4警功能。但是，該機器人需要預編好程序進行巡邏，從而降低其適用性。而且該文獻中也未 提及該機器人是否具有自主避障功能、自主充電功能以及夜間巡邏等功能。東莞理工學院設計的智能保安巡邏機器人配備了太陽能跟蹤系統(tǒng)，采用GPRS網(wǎng) 絡可使機器人到達目標點，以STC12C系列51單片機作為核心控制單元。但是，該機器人只 是實現(xiàn)了簡單的遠程控制功能，而且太陽能蓄電持續(xù)工作時間很短，工作也不穩(wěn)定，GPRS網(wǎng) 絡控制存在很大延遲。另外，該機器人并不具備夜間巡邏功能，也沒有配備音頻傳輸系統(tǒng)?？傊?，上述現(xiàn)有技術(shù)中的類似機器人均存在功能單一、對環(huán)境的適應性差、只能工 作在室內(nèi)環(huán)境等缺陷，且均未對中央控制系統(tǒng)作出描述。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)設計合理、功能齊全的保安 巡邏機器人系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種上述保安巡邏機器人系統(tǒng)的控制方法。為了達到上述目的，本發(fā)明提供的保安巡邏機器人系統(tǒng)包括機器人、無線網(wǎng)絡、 GPRS網(wǎng)絡和中央控制系統(tǒng)；其中機器人和中央控制系統(tǒng)以無線的方式通過無線網(wǎng)絡或 GPRS網(wǎng)絡進行通訊，并且機器人的行動由中央控制系統(tǒng)進行控制；機器人由本體和控制系 統(tǒng)組成，所述的本體包括底盤、外殼、固定架、兩個主動輪和兩個從動輪，其中底盤沿水平方 向設置；外殼安裝在底盤的表面；固定架圍繞設置在外殼的下端邊緣部位；兩個主動輪分 別設置在底盤的前部兩側(cè)，兩個從動輪分別設置在底盤的后部兩側(cè)，而控制系統(tǒng)則安裝在 外殼的內(nèi)部及表面；中央控制系統(tǒng)設置在中央控制室中，其主要包括中央計算機、影音顯示 設備、中央控制系統(tǒng)麥克風、機器人控制搖桿和無線通訊設備。所述的控制系統(tǒng)包括主機系統(tǒng)以及與主機系統(tǒng)相連的控制與驅(qū)動系統(tǒng)、環(huán)境感知 監(jiān)測系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和自主充電系統(tǒng)，其中主機系統(tǒng)由嵌入式工控主板、存儲器和CF卡組成；控制與驅(qū)動系統(tǒng)主要由機器人運動控制系統(tǒng)、攝像機控制系統(tǒng)、語音傳輸控制系 統(tǒng)、自帶紅外照明和應急可見光照明開啟控制系統(tǒng)組成；其中機器人運動控制系統(tǒng)主要由 運動控制與驅(qū)動模塊、第1驅(qū)動電機和第2驅(qū)動電機組成；第1、第2驅(qū)動電機均通過控制 與驅(qū)動模塊與主機系統(tǒng)相連；攝像機控制系統(tǒng)主要由PTZ驅(qū)動模塊和PTZ控制裝置組成； 語音傳輸控制系統(tǒng)主要由音頻輸入輸出模塊、揚聲器和麥克風組成，揚聲器安裝在外殼的 內(nèi)部，并且與外殼緊固連接，同時通過音頻輸入輸出模塊與主機系統(tǒng)相連，麥克風安裝在外 殼的前端表面中部，并且通過音頻輸入輸出模塊與主機系統(tǒng)相連；自帶紅外照明和應急可 見光照明開啟控制系統(tǒng)由紅外照明燈、可見光照明燈和爆閃燈組成，紅外照明燈和可見光 照明燈安裝在外殼的前端下部，并且與主機系統(tǒng)相連；爆閃燈安裝在外殼的上部，并且與主 機系統(tǒng)相連接；環(huán)境感知監(jiān)測系統(tǒng)包括超聲波測距系統(tǒng)、PTZ攝像機、圖像采集卡、全方位視覺系 統(tǒng)、三維數(shù)字羅盤、第1光電編碼器和第2光電編碼器；其中超聲波測距系統(tǒng)與主機系統(tǒng)相 連，由安裝在上述固定架上的多個超聲波傳感器組成；全方位視覺系統(tǒng)安裝在外殼的頂部， 其通過圖像采集卡與主機系統(tǒng)相連；PTZ攝像機安裝在全方位視覺系統(tǒng)的上部，并且通過 圖像采集卡與主機系統(tǒng)相連；三維數(shù)字羅盤安裝在外殼的內(nèi)部，并且與外殼緊固連接，同時與主機系統(tǒng)相連 ’第1光電編碼器和第2光電編碼器分別安裝第1，第2驅(qū)動電機的尾軸 上；通訊系統(tǒng)主要由無線AP模塊和GPRS模塊組成，無線AP模塊與GPRS模塊均安裝 在外殼的內(nèi)部，并且均與主機系統(tǒng)直接相連；電源系統(tǒng)由DC-DC模塊和鉛酸電池組成，用于為控制系統(tǒng)中的其它系統(tǒng)供電；自主充電系統(tǒng)用于檢測系統(tǒng)的工作電源電壓，當工作電源電壓不足時，通知主機 系統(tǒng)，并能控制電源系統(tǒng)自動進行充電。所述的環(huán)境感知監(jiān)測系統(tǒng)還包括一個煙霧、溫度傳感器，該裝置安裝在外殼的內(nèi) 部，并且與主機系統(tǒng)相連，用于監(jiān)測工作環(huán)境，并實現(xiàn)煙霧報警及火災報警。所述的主動輪采用充氣輪，從動輪采用萬向輪。本發(fā)明提供的保安巡邏機器人系統(tǒng)的控制方法包括按順序進行下列步驟1)硬件初始化的Sl階段；此階段為上電后的第一個階段，在此階段中，首先對機 器人機載硬件進行初始化；2)對初始化是否成功進行判斷的S2階段；如果判斷結(jié)果為“否”，進入錯誤處理 的S13階段，并發(fā)出警報；如果判斷結(jié)果為“是”，機載傳感器將其感知信息通過無線網(wǎng)絡或 GPRS網(wǎng)絡傳輸給中央控制系統(tǒng)并在圖像顯示設備上顯示，然后進入S3階段；3)對機器人是否通過無線網(wǎng)絡或GPRS網(wǎng)絡接收到中央控制系統(tǒng)的控制指令進行 判斷的S3階段；如果判斷結(jié)果為“是”，進入S4階段；否則返回到S3階段的入口處；4)對用戶是否選擇自主巡邏模式進行判斷的S4階段；如果判斷結(jié)果為“是”，進入 S5階段；否則進入S14階段；5)用戶通過中央控制系統(tǒng)采集機器人上各傳感器的信息，并根據(jù)上述信息設定機 器人的運動速度、避障安全距離參數(shù)的S5階段；6)根據(jù)電子地圖設定機器人巡邏路線的S6階段；7)機器人根據(jù)處理結(jié)果、巡邏路線和當前任務進行決策的S7階段；8)機器人將上述行為送至中央控制系統(tǒng)進行行為仲裁，以得到機器人當前時刻應 該執(zhí)行的最佳行為的S8階段；9)主機系統(tǒng)發(fā)送運動指令以執(zhí)行該行為的S9階段；在此階段中，主機系統(tǒng)將通過 控制與驅(qū)動模塊控制第1驅(qū)動電機和第1驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，以帶動兩個主動輪進行移動；10)對用戶是否選擇遠程控制巡邏模式進行判斷的S14階段；如果判斷結(jié)果為 “是”，進入S15階段；否則返回到S3階段的入口處；11)機器人根據(jù)中央控制系統(tǒng)的控制指令完成巡邏工作的S15階段；12)對是否退出巡邏模式進行判斷的Sll階段；如果判斷結(jié)果為“是”，進入S12階 段；否則返回到S3階段的入口處；13)停止機器人的一切活動并保存狀態(tài)數(shù)據(jù)的S12階段，以為機器人下一次巡邏 提供初始數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供的保安巡邏機器人系統(tǒng)集成了光機電一體化，通過中央控制系統(tǒng)遠程 控制機器人，以保障機器人能夠正常運行。本機器人具有自主環(huán)境探測、自主避障導航及自 主充電功能，其能夠按照工作人員的具體要求在非人工干預的情況下自主完成固定路線巡 邏、隨機路線巡邏及重點部位察看等任務，也可以人工遠程控制該機器人巡邏；不僅具有全方位視覺的處理判斷能力，而且還能夠進行視覺及雙向語音信息的遠程傳輸與監(jiān)控，可檢 測環(huán)境煙霧及火災情況并進行異常情況報警，因此能夠應用于民航機場、高級住宅小區(qū)、重 要倉庫、商場及其它公共場所。


圖1為本發(fā)明提供的保安巡邏機器人系統(tǒng)組成示意圖。圖2為本發(fā)明提供的保安巡邏機器人系統(tǒng)中機器人外部結(jié)構(gòu)立體圖。圖3為本發(fā)明提供的保安巡邏機器人系統(tǒng)中機器人控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖。圖4為本發(fā)明提供的保安巡邏機器人系統(tǒng)中機器人控制系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖。圖5為本發(fā)明提供的保安巡邏機器人系統(tǒng)控制方法流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的保安巡邏機器人系統(tǒng)及其控制方法 進行詳細說明。如圖1-圖4所示，本發(fā)明提供的保安巡邏機器人系統(tǒng)包括機器人1、無線網(wǎng)絡3、 GPRS網(wǎng)絡4和中央控制系統(tǒng)5 ；其中機器人1和中央控制系統(tǒng)5以無線的方式通過無線網(wǎng) 絡3或GPRS網(wǎng)絡4進行通訊，并且機器人1的行動由中央控制系統(tǒng)5進行控制；機器人1 由本體和控制系統(tǒng)組成，所述的本體包括底盤19、外殼17、固定架9、兩個主動輪7和兩個從 動輪18，其中底盤19沿水平方向設置；外殼17安裝在底盤19的表面，由此與底盤19 一起 形成整個機器人1的外部結(jié)構(gòu)；固定架9圍繞設置在外殼17的下端邊緣部位；兩個主動輪 7分別設置在底盤19的前部兩側(cè)，兩個從動輪18分別設置在底盤19的后部兩側(cè)，而控制系 統(tǒng)則安裝在外殼17的內(nèi)部及表面；中央控制系統(tǒng)5設置在中央控制室中，其主要包括中央 計算機6、影音顯示設備16、中央控制系統(tǒng)麥克風35、機器人控制搖桿36和無線通訊設備。所述的控制系統(tǒng)包括主機系統(tǒng)20以及與主機系統(tǒng)20相連的控制與驅(qū)動系統(tǒng)21、 環(huán)境感知監(jiān)測系統(tǒng)22、通訊系統(tǒng)23、電源系統(tǒng)M和自主充電系統(tǒng)25，其中主機系統(tǒng)20由嵌入式工控主板、存儲器和CF卡組成，用來處理機器人1的感知和 監(jiān)測信息，以及與中央控制系統(tǒng)5進行交互，傳遞周圍及自身信息，并接收中央控制系統(tǒng)5 的指令?？刂婆c驅(qū)動系統(tǒng)21主要由機器人運動控制系統(tǒng)、攝像機控制系統(tǒng)、語音傳輸控制 系統(tǒng)、自帶紅外照明和應急可見光照明開啟控制系統(tǒng)組成；其中機器人運動控制系統(tǒng)用 于驅(qū)動主動輪7的轉(zhuǎn)動，從而控制機器人移動，其主要由運動控制與驅(qū)動模塊38、第1驅(qū)動 電機沈和第2驅(qū)動電機27組成；第1、第2驅(qū)動電機沈，27均通過控制與驅(qū)動模塊38與 主機系統(tǒng)20相連，主機系統(tǒng)20通過一個高級命令集與控制與驅(qū)動模塊38實現(xiàn)交互，并提 供速度、距離等參數(shù)，再經(jīng)過控制與驅(qū)動模塊38控制第1、第2驅(qū)動電機沈，27的運行，控 制與驅(qū)動模塊38根據(jù)主機系統(tǒng)20發(fā)送來的指令生成PWM信號并直接推動第1、第2驅(qū)動 電機沈，27運行，用戶可以通過機器人控制搖桿36和中央計算機6上的鍵盤實現(xiàn)對機器人 運動控制系統(tǒng)的本地控制及遠程控制；攝像機控制系統(tǒng)主要由PTZ驅(qū)動模塊39和PTZ控制 裝置觀組成，用于遠程控制PTZ攝像機13的水平、俯仰攝像角度的改變以及變焦、變倍等 動作，以配合機器人1實現(xiàn)重點部位的察看、跟蹤可疑人物等；語音傳輸控制系統(tǒng)主要由音
7頻輸入輸出模塊40、揚聲器四和麥克風12組成，揚聲器四安裝在外殼17的內(nèi)部，并且與 外殼17緊固連接，同時通過音頻輸入輸出模塊40與主機系統(tǒng)20相連，麥克風12安裝在外 殼17的前端表面中部，并且通過音頻輸入輸出模塊40與主機系統(tǒng)20相連；語音傳輸控制 系統(tǒng)用于在機器人1和中央控制系統(tǒng)5之間建立起語音互交通道，中央控制系統(tǒng)5上也安 裝有語音傳輸控制系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)需要將自己的聲音通過中央控制系統(tǒng)麥克風35傳 輸給機器人1，機器人1周圍的聲音也可以通過麥克風12傳輸給中央控制室；自帶紅外照 明和應急可見光照明開啟控制系統(tǒng)由紅外照明燈10、可見光照明燈11和爆閃燈15組成，紅 外照明燈10和可見光照明燈11安裝在外殼17的前端下部，并且與主機系統(tǒng)20相連，用戶 可以根據(jù)需要打開或關(guān)閉該系統(tǒng)，或者機器人1根據(jù)其運行環(huán)境自動打開或關(guān)閉該系統(tǒng)， 因此機器人1可以在暗光環(huán)境和夜間進行保安巡邏工作；爆閃燈15工作時具有警示作用， 安裝在外殼17的上部，并且與主機系統(tǒng)20相連接。環(huán)境感知監(jiān)測系統(tǒng)22是主控系統(tǒng)20的輸入感知部分，用于采集外界信息，并對該 信息進行融合處理，用于行為規(guī)劃和決策，其包括超聲波測距系統(tǒng)8、PTZ攝像機13、圖像采 集卡41、全方位視覺系統(tǒng)14、三維數(shù)字羅盤31、第1光電編碼器32和第2光電編碼器33 ； 其中超聲波測距系統(tǒng)8與主機系統(tǒng)20相連，由安裝在上述固定架9上的多個超聲波傳感器 組成，用于在360°的范圍內(nèi)檢測機器人1四周的障礙物，利用該信息機器人1可以實現(xiàn)自 主避障；全方位視覺系統(tǒng)14安裝在外殼17的頂部，其通過圖像采集卡41與主機系統(tǒng)20相 連；PTZ攝像機13安裝在全方位視覺系統(tǒng)14的上部，并且通過圖像采集卡41與主機系統(tǒng) 20相連；PTZ攝像機13和全方位視覺系統(tǒng)14用于實時采集機器人1四周360°范圍內(nèi)的 圖像，并遠程傳輸給中央控制系統(tǒng)5 ；三維數(shù)字羅盤31安裝在外殼17的內(nèi)部，并且與外殼 17緊固連接，同時與主機系統(tǒng)20相連，用于確定機器人1的角度；第1光電編碼器32和第 2光電編碼器33分別安裝第1，第2驅(qū)動電機26，27的尾軸上，用來分別計算兩個主動輪7 運動的里程；機器人通過融合PTZ攝像機13、全方位視覺系統(tǒng)14、第1，第2光電編碼器32， 33、三維數(shù)字羅盤31以及超聲波測距系統(tǒng)8的信息而進行室內(nèi)環(huán)境下的定位與導航。通訊系統(tǒng)23主要由無線AP模塊2和GPRS模塊37組成，無線AP模塊2與GPRS 模塊37均安裝在外殼17的內(nèi)部，并且均與主機系統(tǒng)20直接相連；本系統(tǒng)在正常情況下使 用無線網(wǎng)絡3進行通信，為了擴展通訊能力，當無線網(wǎng)絡3的接收信號較弱或沒有時，使用 GPRS網(wǎng)絡4進行通訊，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡的全方位覆蓋；電源系統(tǒng)M由DC-DC模塊和鉛酸電池組成，用于為控制系統(tǒng)中的其它系統(tǒng)供電； 鉛酸電池作為動力能源，充電后可持續(xù)工作3小時以上；自主充電系統(tǒng)25用于檢測系統(tǒng)的工作電源電壓，當工作電源電壓不足時，通知主 機系統(tǒng)20，并能控制電源系統(tǒng)M自動進行充電。所述的環(huán)境感知監(jiān)測系統(tǒng)22還包括一個煙霧、溫度傳感器34，該裝置安裝在外殼 17的內(nèi)部，并且與主機系統(tǒng)20相連，用于監(jiān)測工作環(huán)境，并實現(xiàn)煙霧報警及火災報警。所述的主動輪7采用充氣輪，可以起到減震的作用，從動輪18采用萬向輪?，F(xiàn)對本發(fā)明提供的保安巡邏機器人系統(tǒng)的工作過程闡述如下本發(fā)明提供的保安 巡邏機器人系統(tǒng)中的機器人1工作模式分為自主巡邏模式和遠程控制巡邏模式兩種。自主 巡邏模式是機器人1按照用戶的具體要求在非人工干預的情況下自主完成固定路線巡邏、 隨機路線巡邏及重點部位察看等任務；遠程控制巡邏模式是人工遠程控制機器人1進行巡邏。首先，用戶根據(jù)機器人1的工作環(huán)境建立電子地圖，并將其存儲在中央控制系統(tǒng)5的中 央計算機6中，當機器人1巡邏時，影音顯示設備16上的電子地圖中可以顯示出機器人1 的當前位姿以及運動路線，用戶也可以通過鼠標操作的方式在電子地圖上實時矯正機器人 1的位姿、機器人巡邏路線等。當機器人1檢測的自身狀態(tài)和各機載傳感器檢測的狀態(tài)均在 正常工作狀態(tài)時，可以由人工遠程控制的方式發(fā)送開始巡邏指令，使機器人工作在自主巡 邏模式，或者用戶在中央控制系統(tǒng)5中根據(jù)全方位視覺系統(tǒng)14采集的機器人1工作環(huán)境的 實時圖像以及超聲波測距系統(tǒng)8、三維數(shù)字羅盤31等機載傳感器信息，通過機器人控制搖 桿36或鍵盤遠程控制機器人1的行走、轉(zhuǎn)彎、避障等，使其工作在遠程控制巡邏模式下。機 器人1利用PTZ攝像機13和全方位視覺系統(tǒng)14采集機器人1四角360°范圍內(nèi)的圖像。 在自主巡邏模式下，機器人1根據(jù)超聲波測距系統(tǒng)8的信息自主避障；融合全方位視覺系統(tǒng) 14、三維數(shù)字羅盤8和第1、第2光電編碼器32，33的信息完成自主定位和導航；機器人1利 用自主充電系統(tǒng)25檢測系統(tǒng)的工作電源電壓，當電池電壓不足時，機器人1自主尋找充電 站進行充電；利用麥克風12與揚聲器四實現(xiàn)語言信息的雙向遠程傳輸；利用煙霧、溫度傳 感器34監(jiān)測工作環(huán)境，并在發(fā)生異常情況時進行煙霧報警、火災報警等。同時，可見光照明 燈11和紅外照明燈10使機器人1能夠在暗光環(huán)境和夜間進行保安巡邏工作。另外，用戶 可以根據(jù)需要通過中央控制系統(tǒng)麥克風35將自己的聲音傳輸給機器人1，機器人1周圍的 聲音也可以通過麥克風12傳輸給中央控制室。另外，用戶可以通過中央控制系統(tǒng)5對機器人1進行參數(shù)設定，包括機器人1的正 常運動速度、最高運動速度、最低報警電壓、運動方式、避障安全距離及機器人判斷自身位 姿是否正常等各項參數(shù)；可以通過無線網(wǎng)絡3控制機器人1的音頻雙向傳輸、視頻單向傳輸 及獲得機器人1運行環(huán)境中的情況；可以監(jiān)控機器人1的當前電壓、當前位姿、當前運行速 度、當前執(zhí)行任務、當前運動里程及當前是否處于危險狀態(tài)；可以在電子地圖上顯示出機器 人1的當前位姿、機器人1運動路線，并實時通過鼠標操作的方式在電子地圖上矯正機器人 1的位姿、設定機器人1巡邏路線(自動設定和手工設定)以及設定機器人1巡邏所用的地 圖及地圖數(shù)據(jù)庫；也可以設定機器人1開始或終止巡邏、自主充電或強行避障等高級任務。如圖5所示，本發(fā)明提供的保安巡邏機器人系統(tǒng)的控制方法包括按順序進行下列 步驟1)硬件初始化的Sl階段；此階段為上電后的第一個階段，在此階段中，首先對機 器人1機載硬件進行初始化，例如攝像機、超聲波傳感器等；2)對初始化是否成功進行判斷的S2階段；如果判斷結(jié)果為“否”，進入錯誤處理的 S13階段，并發(fā)出警報；如果判斷結(jié)果為“是”，機載傳感器將其感知信息通過無線網(wǎng)絡3或 GPRS網(wǎng)絡4傳輸給中央控制系統(tǒng)5并在圖像顯示設備上顯示，然后進入S3階段；3)對機器人是否通過無線網(wǎng)絡或GPRS網(wǎng)絡接收到中央控制系統(tǒng)的控制指令進行 判斷的S3階段；如果判斷結(jié)果為“是”，進入S4階段；否則返回到S3階段的入口處；4)對用戶是否選擇自主巡邏模式進行判斷的S4階段；如果判斷結(jié)果為“是”，進入 S5階段；否則進入S14階段；5)用戶通過中央控制系統(tǒng)采集機器人上各傳感器的信息，并根據(jù)上述信息設定機 器人的運動速度、避障安全距離參數(shù)的S5階段；6)根據(jù)電子地圖設定機器人巡邏路線的S6階段；
7)機器人根據(jù)處理結(jié)果、巡邏路線和當前任務進行決策的S7階段；在此階段中， 當機器人接收到用戶設定的參數(shù)值和巡邏路線時，其將對機載傳感器的信息進行處理，并 根據(jù)處理結(jié)果、巡邏路線和當前任務進行決策，以產(chǎn)生行為，例如融合全方位視覺系統(tǒng)、三 維數(shù)字羅盤、超聲波測距系統(tǒng)及光電編碼器的信息進行定位行為、利用超聲波測距系統(tǒng)的 感知信息進行避障行為、電池電壓不足時進行自主充電行為等；8)機器人將上述行為送至中央控制系統(tǒng)進行行為仲裁，以得到機器人當前時刻應 該執(zhí)行的最佳行為的S8階段；9)主機系統(tǒng)發(fā)送運動指令以執(zhí)行該行為的S9階段；在此階段中，主機系統(tǒng)20將 通過控制與驅(qū)動模塊控制第1驅(qū)動電機沈和第1驅(qū)動電機27轉(zhuǎn)動，以帶動兩個主動輪7 進行移動；10)對用戶是否選擇遠程控制巡邏模式進行判斷的S14階段；如果判斷結(jié)果為 “是”，進入S15階段；否則返回到S3階段的入口處；11)機器人根據(jù)中央控制系統(tǒng)的控制指令完成巡邏工作的S15階段；在此階段中， 用戶可以在中央控制系統(tǒng)中根據(jù)全方位視覺系統(tǒng)采集的機器人工作環(huán)境的實時圖像以及 機載傳感器的信息，通過機器人控制搖桿36或鍵盤遠程控制機器人的行走、轉(zhuǎn)彎、避障等， 使其完成巡邏工作；12)對是否退出巡邏模式進行判斷的Sll階段；如果判斷結(jié)果為“是”，進入S12階 段；否則返回到S3階段的入口處；13)停止機器人的一切活動并保存狀態(tài)數(shù)據(jù)的S12階段，以為機器人下一次巡邏 提供初始數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種保安巡邏機器人系統(tǒng)，其特征在于所述的保安巡邏機器人系統(tǒng)包括機器人 ⑴、無線網(wǎng)絡⑶、GPRS網(wǎng)絡(4)和中央控制系統(tǒng)(5)；其中機器人⑴和中央控制系統(tǒng)(5) 以無線的方式通過無線網(wǎng)絡⑶或GPRS網(wǎng)絡(4)進行通訊，并且機器人(1)的行動由中央 控制系統(tǒng)( 進行控制；機器人(1)由本體和控制系統(tǒng)組成，所述的本體包括底盤(19)、外 殼(17)、固定架(9)、兩個主動輪(7)和兩個從動輪(18)，其中底盤(19)沿水平方向設置； 外殼(17)安裝在底盤(19)的表面；固定架(9)圍繞設置在外殼(17)的下端邊緣部位；兩 個主動輪(7)分別設置在底盤(19)的前部兩側(cè)，兩個從動輪(18)分別設置在底盤(19)的 后部兩側(cè)，而控制系統(tǒng)則安裝在外殼(17)的內(nèi)部及表面；中央控制系統(tǒng)(5)設置在中央控 制室中，其主要包括中央計算機(6)、影音顯示設備(16)、中央控制系統(tǒng)麥克風(35)、機器 人控制搖桿(36)和無線通訊設備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保安巡邏機器人系統(tǒng)，其特征在于所述的控制系統(tǒng)包括主 機系統(tǒng)00)以及與主機系統(tǒng)00)相連的控制與驅(qū)動系統(tǒng)(21)、環(huán)境感知監(jiān)測系統(tǒng)(22)、 通訊系統(tǒng)03)、電源系統(tǒng)04)和自主充電系統(tǒng)05)，其中主機系統(tǒng)OO)由嵌入式工控主板、存儲器和CF卡組成；控制與驅(qū)動系統(tǒng)主要由機器人運動控制系統(tǒng)、攝像機控制系統(tǒng)、語音傳輸控制系 統(tǒng)、自帶紅外照明和應急可見光照明開啟控制系統(tǒng)組成；其中機器人運動控制系統(tǒng)主要由 運動控制與驅(qū)動模塊(38)、第1驅(qū)動電機2(6)和第2驅(qū)動電機、2Τ)組成；第1、第2驅(qū)動 電機(沈，27)均通過控制與驅(qū)動模塊(38)與主機系統(tǒng)OO)相連；攝像機控制系統(tǒng)主要由 PTZ驅(qū)動模塊(39)和PTZ控制裝置08)組成；語音傳輸控制系統(tǒng)主要由音頻輸入輸出模 塊(40)、揚聲器09)和麥克風(12)組成，揚聲器09)安裝在外殼(17)的內(nèi)部，并且與外 殼(17)緊固連接，同時通過音頻輸入輸出模塊GO)與主機系統(tǒng)OO)相連，麥克風(12)安 裝在外殼(17)的前端表面中部，并且通過音頻輸入輸出模塊GO)與主機系統(tǒng)OO)相連; 自帶紅外照明和應急可見光照明開啟控制系統(tǒng)由紅外照明燈(10)、可見光照明燈(11)和 爆閃燈(15)組成，紅外照明燈(10)和可見光照明燈(11)安裝在外殼(17)的前端下部，并 且與主機系統(tǒng)OO)相連；爆閃燈(15)安裝在外殼(17)的上部，并且與主機系統(tǒng)OO)相連 接；環(huán)境感知監(jiān)測系統(tǒng)02)包括超聲波測距系統(tǒng)(8)、PTZ攝像機(13)、圖像采集卡(41)、 全方位視覺系統(tǒng)(14)、三維數(shù)字羅盤(31)、第1光電編碼器(3 和第2光電編碼器(33)； 其中超聲波測距系統(tǒng)(8)與主機系統(tǒng)OO)相連，由安裝在上述固定架(9)上的多個超聲波 傳感器組成；全方位視覺系統(tǒng)(14)安裝在外殼(17)的頂部，其通過圖像采集卡Gl)與主 機系統(tǒng)OO)相連；PTZ攝像機(13)安裝在全方位視覺系統(tǒng)(14)的上部，并且通過圖像采 集卡Gl)與主機系統(tǒng)OO)相連；三維數(shù)字羅盤(31)安裝在外殼(17)的內(nèi)部，并且與外殼 (17)緊固連接，同時與主機系統(tǒng)OO)相連；第1光電編碼器(32)和第2光電編碼器(33) 分別安裝第1，第2驅(qū)動電機06，27)的尾軸上；通訊系統(tǒng)03)主要由無線AP模塊⑵和GPRS模塊(37)組成，無線AP模塊⑵與 GPRS模塊(37)均安裝在外殼(17)的內(nèi)部，并且均與主機系統(tǒng)OO)直接相連；電源系統(tǒng)04)由DC-DC模塊和鉛酸電池組成，用于為控制系統(tǒng)中的其它系統(tǒng)供電；自主充電系統(tǒng)(25)用于檢測系統(tǒng)的工作電源電壓，當工作電源電壓不足時，通知主機 系統(tǒng)00)，并能控制電源系統(tǒng)04)自動進行充電。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的保安巡邏機器人系統(tǒng)，其特征在于所述的環(huán)境感知監(jiān)測系 統(tǒng)02)還包括一個煙霧、溫度傳感器(34)，該裝置安裝在外殼(17)的內(nèi)部，并且與主機系 統(tǒng)OO)相連，用于監(jiān)測工作環(huán)境，并實現(xiàn)煙霧報警及火災報警。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的保安巡邏機器人系統(tǒng)，其特征在于所述的主動輪(7)采用 充氣輪，從動輪(18)采用萬向輪。
5.一種如權(quán)利要求1所述的保安巡邏機器人系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述的控 制方法包括按順序進行下列步驟1)硬件初始化的Si階段；此階段為上電后的第一個階段，在此階段中，首先對機器人 (1)機載硬件進行初始化；2)對初始化是否成功進行判斷的S2階段；如果判斷結(jié)果為“否”，進入錯誤處理的S13 階段，并發(fā)出警報；如果判斷結(jié)果為“是”，機載傳感器將其感知信息通過無線網(wǎng)絡⑶或 GPRS網(wǎng)絡(4)傳輸給中央控制系統(tǒng)(5)并在圖像顯示設備上顯示，然后進入S3階段；3)對機器人是否通過無線網(wǎng)絡或GPRS網(wǎng)絡接收到中央控制系統(tǒng)的控制指令進行判斷 的S3階段；如果判斷結(jié)果為“是”，進入S4階段；否則返回到S3階段的入口處；4)對用戶是否選擇自主巡邏模式進行判斷的S4階段；如果判斷結(jié)果為“是”，進入S5 階段；否則進入S14階段；5)用戶通過中央控制系統(tǒng)采集機器人上各傳感器的信息，并根據(jù)上述信息設定機器人 的運動速度、避障安全距離參數(shù)的S5階段；6)根據(jù)電子地圖設定機器人巡邏路線的S6階段；7)機器人根據(jù)處理結(jié)果、巡邏路線和當前任務進行決策的S7階段；8)機器人將上述行為送至中央控制系統(tǒng)進行行為仲裁，以得到機器人當前時刻應該執(zhí) 行的最佳行為的S8階段；9)主機系統(tǒng)發(fā)送運動指令以執(zhí)行該行為的S9階段；在此階段中，主機系統(tǒng)OO)將通 過控制與驅(qū)動模塊控制第1驅(qū)動電機06)和第1驅(qū)動電機(XT)轉(zhuǎn)動，以帶動兩個主動輪 (7)進行移動；10)對用戶是否選擇遠程控制巡邏模式進行判斷的S14階段；如果判斷結(jié)果為“是”，進 入S15階段；否則返回到S3階段的入口處；11)機器人根據(jù)中央控制系統(tǒng)的控制指令完成巡邏工作的S15階段；12)對是否退出巡邏模式進行判斷的Sll階段；如果判斷結(jié)果為“是”，進入S12階段； 否則返回到S3階段的入口處；13)停止機器人的一切活動并保存狀態(tài)數(shù)據(jù)的S12階段，以為機器人下一次巡邏提供 初始數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種保安巡邏機器人系統(tǒng)及其控制方法。系統(tǒng)包括機器人、無線網(wǎng)絡、GPRS網(wǎng)絡和中央控制系統(tǒng)；其中機器人和中央控制系統(tǒng)以無線的方式通過無線網(wǎng)絡或GPRS網(wǎng)絡進行通訊。本發(fā)明的保安巡邏機器人系統(tǒng)集成了光機電一體化，通過中央控制系統(tǒng)遠程控制機器人，以保障機器人能正常運行。本機器人具有自主環(huán)境探測、自主避障導航及自主充電功能，其能按照用戶的具體要求在非人工干預的情況下自主完成固定路線巡邏、隨機路線巡邏及重點部位察看等任務，也可以人工遠程控制該機器人巡邏；不僅具有全方位視覺處理判斷能力，而且還能進行視覺及雙向語音信息的遠程傳輸與監(jiān)控，可檢測環(huán)境煙霧及火災情況并進行異常情況報警。
文檔編號G05D1/02GK102096413SQ201010601679
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者于詠生, 葉晨, 武付軍, 牛國臣, 高慶吉 申請人:中國民航大學, 天津市亞安科技電子有限公司