應(yīng)用于非常規(guī)場(chǎng)景巡檢的第一視覺(jué)5G智能機(jī)器人*

謝小明

應(yīng)用于非常規(guī)場(chǎng)景巡檢的第一視覺(jué)5G智能機(jī)器人*

謝小明

（廣州市真光中學(xué)，廣東 廣州 510380）

針對(duì)危房、危橋、爆炸區(qū)等非常規(guī)場(chǎng)景下排障、搶救作業(yè)的情況，基于移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和5G Wi-Fi通訊技術(shù)設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于非常規(guī)場(chǎng)景巡檢的第一視覺(jué)5G智能機(jī)器人。該機(jī)器人代替搜救人員或排障人員進(jìn)行搶救、排障作業(yè)，管理人員通過(guò)5G智能機(jī)器人第一視覺(jué)模塊實(shí)時(shí)獲悉現(xiàn)場(chǎng)情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制救援。

巡檢；第一視覺(jué)；智能機(jī)器人；5G

0 引言

國(guó)內(nèi)機(jī)器人的相關(guān)研究已有20多年的歷史，其中移動(dòng)機(jī)器人的研究發(fā)展較迅速。移動(dòng)機(jī)器人具有利用傳感器感知環(huán)境信息和自身狀態(tài)，在有障礙的環(huán)境中完成某些預(yù)定任務(wù)的功能[1]。目前，社會(huì)對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人的需求量很大，特別是針對(duì)巡檢、安防等領(lǐng)域的特種移動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)是熱點(diǎn)。隨著政府和社會(huì)對(duì)安全工作的重視，針對(duì)危險(xiǎn)環(huán)境下的排障、搶救作業(yè)，需要有更智能、操控性更好的機(jī)器人代替人進(jìn)行工作。

傳統(tǒng)的巡檢機(jī)器人多采用四輪驅(qū)動(dòng)，此類機(jī)器人在狹小空間環(huán)境下作業(yè)，存在3方面的不足：1）體積較大，在狹小空間不便開(kāi)展作業(yè)；2）移動(dòng)靈活性不足，轉(zhuǎn)向半徑大，削弱了自身的越障能力；3）大都采用2.4 GHz通信頻段的通訊系統(tǒng)，無(wú)法滿足高速數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程精準(zhǔn)性操作。為此，本文設(shè)計(jì)一種在非常規(guī)場(chǎng)景下適應(yīng)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)同步效果好的第一視覺(jué)5G智能機(jī)器人。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

在危房、危橋、爆炸區(qū)等非常規(guī)場(chǎng)景下作業(yè)，需要面對(duì)空間狹窄、地面崎嶇等問(wèn)題。第一視覺(jué)5G智能機(jī)器人由控制系統(tǒng)、三輪全方向驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)、目標(biāo)管理系統(tǒng)、5G無(wú)線通訊系統(tǒng)和上位機(jī)控制系統(tǒng)組成。

1.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)使用NI myRIO嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)內(nèi)嵌Xilinx Zynq芯片，實(shí)時(shí)應(yīng)用FPGA、內(nèi)置Wi-Fi功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程部署應(yīng)用；3個(gè)連接端口（2個(gè)MXP端口和1個(gè)MSP端口）負(fù)責(zé)發(fā)送接收來(lái)自傳感器和電路的信號(hào)，以支持三輪全方向驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)系統(tǒng)，如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)實(shí)時(shí)采集超聲波傳感器、紅外傳感器、尋跡傳感器和攝像頭的數(shù)據(jù)，全方向移動(dòng)配合3個(gè)超聲波傳感器和2個(gè)紅外傳感器進(jìn)行路徑規(guī)劃、自動(dòng)避障和位置校準(zhǔn)。

圖1　第一視覺(jué)5G智能機(jī)器人控制系統(tǒng)

1.2 三輪全方向驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)

因輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有移動(dòng)效率高的特點(diǎn)[2]，本文采用的三輪全方向驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)，如圖2所示。其使用3個(gè)同心等距分布的萬(wàn)向輪作為驅(qū)動(dòng)輪；通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)輪所連直流無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方向移動(dòng)。三輪全方向驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小且能夠全方向移動(dòng)。如此，第一視覺(jué)5G智能機(jī)器人在狹小環(huán)境下可實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定移動(dòng)。

圖2　三輪全方向驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)

當(dāng)精確控制三輪全方向驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先需知三輪全方向驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)的位置。三輪全方向驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)的位置通常采用坐標(biāo)表示，通過(guò)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制實(shí)現(xiàn)精確定位。通過(guò)計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)正向解，將輪子的轉(zhuǎn)速換算得到三輪全方向驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)在世界坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。

已知電機(jī)轉(zhuǎn)速、輪半徑和3個(gè)輪的位置關(guān)系，使用正交分解，將3個(gè)速度V，V，V轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的線速度和角速度；再經(jīng)過(guò)三角換算，得到世界坐標(biāo)系中三輪全方向驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)的線速度和角速度；然后各自求積分，可計(jì)算得出三輪全方向驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)在世界坐標(biāo)系^'、^'下的位置和轉(zhuǎn)向角度，如圖3所示。

圖3　載物平臺(tái)相對(duì)于世界中的位置分解

1.3 目標(biāo)管理系統(tǒng)

第一視覺(jué)5G智能機(jī)器人需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)目標(biāo)物體和其他物體進(jìn)行區(qū)分。利用目標(biāo)管理系統(tǒng)的圖像自主處理模塊，對(duì)感興趣目標(biāo)進(jìn)行提取分割，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行理解，并完成相應(yīng)的視覺(jué)任務(wù)[3]。利用高清攝像頭和非接觸傳感器自動(dòng)接收和處理真實(shí)物體的圖像，通過(guò)圖像分析獲得物體坐標(biāo)關(guān)鍵性信息。使用Microsoft LifeCam Cinema，配合NI VISION Builder和IMAQ Vision圖像處理算法對(duì)物體圖像進(jìn)行分析。工作過(guò)程如下：1）攝像頭采集彩色圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行Color Threshold彩色閾值處理；2）進(jìn)行粒子處理Remove small objects + Convex Hull；3）通過(guò)粒子分析提取物體坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)模擬人的視覺(jué)功能。

在非常規(guī)場(chǎng)景巡檢中，當(dāng)目標(biāo)管理系統(tǒng)的圖像自主處理模塊無(wú)法處理時(shí)，可以啟動(dòng)目標(biāo)管理系統(tǒng)的第一視覺(jué)模塊?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員使用2.8 mm廣角鏡的650TVL攝像機(jī)和7英寸LCD高清屏幕對(duì)場(chǎng)景周圍環(huán)境進(jìn)行感知，控制機(jī)器人進(jìn)行排障及搶救作業(yè)，如圖4所示。

機(jī)器人目標(biāo)管理系統(tǒng)具有智能跟隨模塊，可以保持與追蹤物體的平行，通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波傳感器的讀取。根據(jù)2個(gè)超聲波傳感器距離的差值與平均值，判斷當(dāng)前機(jī)器人的狀態(tài)，通過(guò)閉環(huán)控制（PID控制）讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整與追蹤。

圖4　目標(biāo)管理系統(tǒng)的第一視覺(jué)模塊

1.4 5G無(wú)線通訊系統(tǒng)

2.4 GHz Wi-Fi信號(hào)頻寬較窄，家電及無(wú)線設(shè)備大多使用該頻段，無(wú)線環(huán)境擁擠導(dǎo)致干擾較大，不利于實(shí)施排障及搶救作業(yè)。5G技術(shù)具有吞吐量能力強(qiáng)、頻率利用率高、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備強(qiáng)、可靠性高、延時(shí)性強(qiáng)和符合綠色環(huán)保需求的特征[4]，在智能巡檢中應(yīng)用前景明朗，其高帶寬、低時(shí)延的特點(diǎn)適用于實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操作。為提高第一視覺(jué)5G智能機(jī)器人巡檢數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作的同步性，機(jī)器人采用5G無(wú)線通訊系統(tǒng)。通過(guò)myRIO與X HUB，OMSP-AC硬件上的連接，將myRIO的2.4 GHz通信頻段高速轉(zhuǎn)換成5.8 GHz，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)5G通訊，使操作智能巡檢機(jī)器人更加流暢，提高操作精準(zhǔn)性。

1.5 上位機(jī)控制系統(tǒng)

使用LabVIEW編程語(yǔ)言進(jìn)行上位機(jī)控制系統(tǒng)編程，實(shí)現(xiàn)電腦與機(jī)器人myRIO對(duì)超聲波傳感器、紅外傳感器、尋跡傳感器、攝像頭和直流電機(jī)編碼器等數(shù)據(jù)的讀取顯示、圖像采集與處理的顯示，以及遙控控制機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。

圖5　上位機(jī)控制系統(tǒng)部分程序框圖

2 功能驗(yàn)證

本文采用驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行功能驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)比采集到的機(jī)器人主要模塊功能性參數(shù)與實(shí)際參數(shù)，驗(yàn)證機(jī)器人的功能和運(yùn)行狀態(tài)是否符合設(shè)計(jì)預(yù)期。假設(shè)智能機(jī)器人到非常規(guī)場(chǎng)地進(jìn)行巡檢，通過(guò)上位機(jī)控制系統(tǒng)啟動(dòng)三輪全方向驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)，配合目標(biāo)管理系統(tǒng)的圖像自主處理模塊和智能跟蹤模塊，對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行識(shí)別和處理；實(shí)驗(yàn)讀取圖像自主處理、超聲波傳感器、電機(jī)編碼、位置PID和速度PID的功能性參數(shù)。通過(guò)設(shè)置障礙，使視覺(jué)系統(tǒng)無(wú)法自主處理，操作人員啟動(dòng)5G無(wú)線通訊系統(tǒng)配合第一視覺(jué)模塊進(jìn)行遙控操作，順利完成遠(yuǎn)程控制排障和救援；實(shí)驗(yàn)讀取5G無(wú)線通訊系統(tǒng)和第一視角的功能性參數(shù)。經(jīng)過(guò)比對(duì)功能性參數(shù)和實(shí)際參數(shù)，驗(yàn)證機(jī)器人的基本功能和整體運(yùn)行正常，如圖6所示。

圖6　電機(jī)編碼基本功能測(cè)試驗(yàn)證

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的第一視覺(jué)5G智能機(jī)器人融合全向移動(dòng)控制、自動(dòng)追蹤、目標(biāo)管理等系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)功能驗(yàn)證，能解決模擬測(cè)試環(huán)境下的排障處理，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)預(yù)期，滿足在危房、危橋、爆炸區(qū)等場(chǎng)景下，代替搜救人員或排障人員進(jìn)行搶救作業(yè)，同時(shí)滿足救援管理人員實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制救援的需求。

[1] 張琦.移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃與定位技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[2] 胡曉達(dá).基于PLC的輪式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].技術(shù)與市場(chǎng),2018,25(1):142.

[3] 陳龍,輔助視覺(jué)中的圖像處理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2013.

[4] 龔瑋,梁福學(xué).5G技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通,2019(12):122.

First Vision 5G Intelligent Robot for Unconventional Scene Inspection

Xie Xiaoming

（Guangzhou True Light High School, Guangzhou 510380, China）

This paper presents a kind of first vision 5G intelligent robot, designed based on mobile robot control technology, sensor technology and 5G Wi Fi communication technology.In view of the obstacle removal and rescue operations in unconventional scenes such as dangerous buildings, dangerous bridges and explosion areas,the robot takes the place of search and rescue personnel or obstacle removal personnel to rescue and remove obstacles. The management personnel can get real-time information of the scene through the first vision of 5G intelligent robot, so as to realize remote control and rescue.

patrol inspection; first vision; intelligent robot; 5G

TP242.6

A

1674-2605(2020)04-0011-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.04.011

謝小明，男，1981年生，中學(xué)一級(jí)，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，主要研究方向：中小學(xué)人工智能科普教育，中小學(xué)信息技術(shù)與學(xué)科融合。E-mail: mingo.x@qq.com

廣州市荔灣區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（201804038）