室内安防巡逻与灭火多功能机器人控制系统的设计与实现*-电子产品世界手机版

室内安防巡逻与灭火多功能机器人控制系统的设计与实现*

作者：张宪锋，于海洋，郭士清，赵一横（佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯 154000）时间：2021-03-18来源：电子产品世界

编者按：针对室内大型场所的三防自动化困难问题，设计了一款室内安防巡逻与灭火多功能机器人，具有电子地图构建、定位、导航、事故处理与远程监控等功能。给出了该机器人总体组成与控制系统软硬件架构，并对机器人核心的电子地图自主构建功能做了实验测试。试验结果表明，该机器人可以自主构建出现实环境的电子地图，保证定位与导航功能的实现基础。

*基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（201910222018）。

作者简介：张宪锋（1999—），男，黑龙江哈尔滨人，2017级本科生，E-mail:zxf183813@163.com。

通讯作者简介：郭士清（1973—），男，博士，副教授，主要研究方向为地下作业技术与装备、机电一体化，E-mail: 61233774@qq.com。

0 引言

目前仓储中心、超级商场等大型场所的三防依赖监控系统，因监控系统存在盲区，安保人员有限，且因安保人员安全意识麻痹及疲劳性，易出现监控不到位，进而增加了事故发生的风险性。一旦发生事故，损失严重。因此，研制集移动机器人、消防机器人和巡检机器人功能于一体，具有环境感知、自动报警、初级火情处理、路线规划、动态决策功能的智能安防与灭火多功能机器人，可以满足市场对室内自动化消防与巡检查设备需求^[1-4]。

1 机器人本体结构

室内安防巡逻与灭火多功能机器人整体采用铝合金材料构成，由履带移动底盘、灭火设备、事故检测传感器、控制系统组成，理论模型如图1 所示。此机器人以卡片式电脑树莓派作为上位控制中心，单片机作为底层驱动，激光雷达获取周围实际环境信息绘制室内地图，结合温度传感器、火焰传感器、烟雾传感器检测事故发生。

图1 机器人理论模型

机器人工作时会事先记录室内环境，制定巡逻路线，在巡逻的同时对室内温度、火焰、烟雾情况进行监控以判断事故发生，并通过灭火设备进行及时处理。

2 控制系统硬件设计

室内巡逻与灭火机器人以树莓派3B+ 运行Linux 内核的Ubuntu Mate 系统作为上位控制中心，如图2 所示为实际树莓派3B+ 硬件。使用YDLIDAR 激光雷达采集环境点云进行完成地图构建，配合动态规划算法控制机器人整体工作^[5-6]。

图2 树莓派实物

机器人的下位机控制板选用主频72 MHz 的STM32F103RET6 为核心，控制板除单片机最小系统外，还配有MPU6050 六轴IMU 传感器，其内包含三轴加速度计与三轴陀螺仪传感器，可以向上位机提供机器人实际位置欧拉角，以进行机器人导航使用，此外，控制板还具有电机驱动电路、编码器接口电路、舵机接口电路、传感器接口电路等多个机器人实际应用电路，局部电气原理图如图3 所示。

图3 局部电路原理图

3 控制系统软件设计

本文机器人控制系统软件设计总体依赖于ROS 分布式软件框架，其中上位控制层作为机器人控制服务器，与用户监控层都处于以Linux 系统为基础的ROS 环境下进行操作（图4）。下位驱动层对机器人实际执行器与传感器进行输入/ 输出控制，将数据通过RosSerial 协议上传到上位控制层。上位控制层结合下位层数据进行激光雷达数据采集、SLAM 建图算法、路径规划算法、事故检测算法的运行，上位层各算法之间以ROS 节点方式独立存在，并通过ROS 话题模型进行数据传送。用户通过上位监控层利用SSH 方式连接至机器人上位控制层，对机器人进行状态监控及行为控制^[8]。