基于多傳感融合技術(shù)的自主巡邏智能預(yù)警機(jī)器人系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

裴慶慶

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 新鄭 451100)

隨著電子商務(wù)和快遞物流的發(fā)展，物流倉(cāng)儲(chǔ)空間快速增大，而智能倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)技術(shù)未能及時(shí)普及，造成倉(cāng)儲(chǔ)事故頻發(fā).物流倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境中的光照射強(qiáng)度、空氣溫度與濕度、空氣氣壓和泄漏物的濃度等因素是倉(cāng)儲(chǔ)安全監(jiān)測(cè)與安全預(yù)防的重要環(huán)境指標(biāo).物流倉(cāng)儲(chǔ)的管理模式分為人工監(jiān)控巡邏管理和工業(yè)設(shè)備監(jiān)控管理模式，人工管理模式監(jiān)控效率不高、對(duì)物流倉(cāng)儲(chǔ)空間信息監(jiān)測(cè)不夠敏感，工業(yè)設(shè)備監(jiān)控存在傳感監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)單一、監(jiān)測(cè)盲區(qū)偏多、警報(bào)漏報(bào)誤報(bào)率偏高、智能程度低和成本較大等缺點(diǎn)[1].

為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套24小時(shí)自動(dòng)巡邏、倉(cāng)儲(chǔ)信息采集與檢測(cè)、智能警報(bào)和實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能物流倉(cāng)儲(chǔ)巡邏機(jī)器人系統(tǒng).該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自主路徑巡邏導(dǎo)航、倉(cāng)儲(chǔ)物流環(huán)境監(jiān)測(cè)和倉(cāng)儲(chǔ)空間實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，大大提高了物流倉(cāng)儲(chǔ)的智能化管理水平、危險(xiǎn)檢測(cè)處理和實(shí)時(shí)預(yù)警能力[2].

1 總體方案設(shè)計(jì)

倉(cāng)儲(chǔ)物流智能預(yù)警機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)模塊[3]：①環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊主要通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境各類數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理與系統(tǒng)上傳；②機(jī)器人自主巡邏導(dǎo)航模塊主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)、加速度傳感器和紅外測(cè)距傳感器，為預(yù)警機(jī)器人提供了動(dòng)力導(dǎo)航；③遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊中倉(cāng)儲(chǔ)管理人員可以通過(guò)手機(jī)或者PC端登錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，實(shí)時(shí)查看倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)情況，以及提供預(yù)警機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控等功能.當(dāng)倉(cāng)儲(chǔ)物流環(huán)境存在安全隱患時(shí)，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供預(yù)警信號(hào)以及GSM遠(yuǎn)程通話功能.

倉(cāng)儲(chǔ)物流智能預(yù)警機(jī)器人系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 倉(cāng)儲(chǔ)物流智能預(yù)警機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 自主巡邏導(dǎo)航設(shè)計(jì)

在物流倉(cāng)儲(chǔ)閉合空間內(nèi)，預(yù)警機(jī)器人自主行動(dòng)功能主要由巡邏導(dǎo)航模塊來(lái)完成.在硬件系統(tǒng)配置上，主微控制器采用STM32F429IG，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298N芯片，系統(tǒng)8軸動(dòng)力供給采用MPU6050芯片、障礙物紅外測(cè)距監(jiān)測(cè)模塊采用E18-D80NK芯片[4].L298N保障了機(jī)器人系統(tǒng)的自主運(yùn)動(dòng)，紅外測(cè)距E18-D80NK能夠?qū)崿F(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的障礙物監(jiān)測(cè)，MPU6050實(shí)現(xiàn)機(jī)器人傳動(dòng)方向角設(shè)置和機(jī)器人路徑規(guī)劃.機(jī)器人在倉(cāng)儲(chǔ)中的巡邏導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)如圖2所示.

圖2 自主巡邏導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人在室內(nèi)環(huán)境中的自主巡邏采用了紅外傳感器檢測(cè)，可行走區(qū)域的邊界，以左右手法則作為機(jī)器人巡邏準(zhǔn)則.左手法則設(shè)計(jì)為：在自主巡邏過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)到左側(cè)有障礙物(即可行走區(qū)域的邊界)時(shí)，機(jī)器人以PID算法與邊界保持一定的距離沿著邊界前行，直到轉(zhuǎn)完1圈為止[5].在機(jī)器人前行的過(guò)程中，將行經(jīng)的路程和轉(zhuǎn)換的方向角不斷進(jìn)行累加，當(dāng)路程等于預(yù)先設(shè)定的室內(nèi)空地巡邏路徑周長(zhǎng)，且機(jī)器人方位的轉(zhuǎn)向角度達(dá)到360°時(shí)即認(rèn)為轉(zhuǎn)完1圈.右手法則類似.本系統(tǒng)使用的自主巡邏算法流程如圖3所示.

2.2 環(huán)境檢測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物流倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的監(jiān)測(cè)硬件模塊主要包括3部分[6]：①火焰?zhèn)鞲衅鱎B-02S022A實(shí)現(xiàn)火災(zāi)數(shù)據(jù)的感知監(jiān)測(cè);②危險(xiǎn)品泄露監(jiān)測(cè)傳感器MQ2實(shí)現(xiàn)?；窓z測(cè);③微控制器STM32F429IG實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的集中處理.系統(tǒng)通訊模塊主要包括GSM語(yǔ)音與藍(lán)牙雙模SIM808芯片、WiFi-RTL8188EUS模塊和電控圖像采集+云存儲(chǔ).倉(cāng)儲(chǔ)管理人員可以通過(guò)機(jī)器人車載攝像頭實(shí)時(shí)調(diào)取倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)情況.環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)各類傳感器實(shí)時(shí)的對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與采集，并通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合.當(dāng)融合數(shù)據(jù)接近系統(tǒng)設(shè)置的警報(bào)值時(shí)，智能預(yù)警系統(tǒng)自主通過(guò)WiFi模塊向遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)發(fā)出倉(cāng)儲(chǔ)異常警報(bào)信號(hào).若警報(bào)信號(hào)未及時(shí)處理，GMS模塊SIM808還可以自主實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的傳遞.倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖3 機(jī)器人自主巡邏算法流程

圖4 環(huán)境監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3 預(yù)警機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

預(yù)警機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控功能主要包括機(jī)器人控制程序、云存儲(chǔ)程序、PC和手機(jī)端監(jiān)控程序.機(jī)器人控制程序主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與融合、數(shù)據(jù)上傳、警告發(fā)送和接收遠(yuǎn)程終端控制指令等功能，云存儲(chǔ)主要用于接收和存儲(chǔ)機(jī)器人融合數(shù)據(jù)，為PC和手機(jī)端提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)與監(jiān)控功能.機(jī)器人遠(yuǎn)程工作流程設(shè)計(jì)如圖5所示.

3 多傳感器信息采集融合設(shè)計(jì)

自主巡邏預(yù)警機(jī)器人搭載了環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，通過(guò)采集的數(shù)據(jù)參數(shù)來(lái)評(píng)估倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的危險(xiǎn)性[7]，但機(jī)器人不能輕易判斷出環(huán)境參數(shù)的耦合度.當(dāng)空氣濕度超過(guò)50%時(shí)，火災(zāi)自然的發(fā)生概率很低，危險(xiǎn)氣體的濃度值上限就提高了.當(dāng)空氣濕度小于20%時(shí)，易燃易爆危險(xiǎn)氣體會(huì)產(chǎn)生火災(zāi)甚至爆炸，造成重大災(zāi)害.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的多傳感器系統(tǒng)融合模型結(jié)構(gòu)(如圖6所示)，實(shí)現(xiàn)了多源傳感器數(shù)據(jù)采集與融合模型來(lái)綜合評(píng)估倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的危險(xiǎn)性.

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)軟件流程圖

圖6 多源信息融合系統(tǒng)

本系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型采用了空氣相對(duì)濕度y1、絕對(duì)濕度y2和?；窛舛染C合數(shù)據(jù)y3作為模型的輸入層，警告變量x(0≤x≤1)作為模型的輸出層.經(jīng)過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的模型參數(shù)如表1所列[8].

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)警機(jī)器人系統(tǒng)的測(cè)試，在40 m2的室內(nèi)環(huán)境搭建了倉(cāng)儲(chǔ)地形和倉(cāng)儲(chǔ)模擬環(huán)境.室內(nèi)放置了空氣加濕與除濕設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的濕度控制，冷暖空調(diào)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境的溫度控制.倉(cāng)儲(chǔ)模擬環(huán)境搭建如圖7所示，其中危險(xiǎn)氣體泄漏點(diǎn)設(shè)置于A點(diǎn)和B點(diǎn)，泄漏氣體為CO.

表1 訓(xùn)練后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

圖7 模擬?；穫}(cāng)庫(kù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

4.1 預(yù)警機(jī)器人的自主巡邏功能測(cè)試

預(yù)警機(jī)器人通過(guò)自主巡邏實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)品泄露檢測(cè)，是倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要環(huán)節(jié).機(jī)器人巡邏測(cè)試路線如圖8所示.S1節(jié)點(diǎn)為巡邏過(guò)程中執(zhí)行右手運(yùn)動(dòng)法則的阻礙物邊界點(diǎn)，即首次自主巡邏第1圈的起始節(jié)點(diǎn).S2節(jié)點(diǎn)為機(jī)器人自主巡邏執(zhí)行左手運(yùn)動(dòng)法則的首次發(fā)現(xiàn)阻礙物的巡邏第2圈的起始點(diǎn).S3節(jié)點(diǎn)為機(jī)器人自主巡邏第3圈的節(jié)點(diǎn).圖8中，預(yù)警機(jī)器人的自主巡邏功能能夠?qū)崿F(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)空間環(huán)境的復(fù)雜地形自主巡邏.左手運(yùn)行法則和右手運(yùn)行法則實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人不同起始節(jié)點(diǎn)的全方位倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的巡邏.

當(dāng)室內(nèi)環(huán)境A與B都發(fā)生危險(xiǎn)品泄露時(shí)，預(yù)警機(jī)器人都能夠快速實(shí)現(xiàn)泄露節(jié)點(diǎn)的巡邏.測(cè)試證明，機(jī)器人自主巡邏算法是及時(shí)有效的.

4.2 智能預(yù)警功能測(cè)試

倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境安全預(yù)警系統(tǒng)功能測(cè)試中，機(jī)器人自主采集的20組數(shù)據(jù)進(jìn)行人工判定，并將預(yù)警機(jī)器人采集數(shù)據(jù)的融合信息輸出值x(0≤x≤1)作為警告標(biāo)準(zhǔn).其中規(guī)定：x=0代表絕對(duì)安全；x=1代表絕對(duì)危險(xiǎn).數(shù)據(jù)越接近于1代表越危險(xiǎn)，越接近于0代表越安全.預(yù)警系統(tǒng)安全范圍為(0，0.3)，黃色預(yù)警范圍設(shè)置為(0.3，0.7)，紅色預(yù)警范圍設(shè)置為(0.7，1.0).系統(tǒng)安全預(yù)警的20組測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所列.

圖8 預(yù)警機(jī)器人自主巡邏第1、2和3圈路線圖

5 結(jié)論

基于自主巡邏、多傳感環(huán)境信息采集監(jiān)測(cè)預(yù)警和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的智能機(jī)器人系統(tǒng)搭載了環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器，通過(guò)采集的數(shù)據(jù)參數(shù)來(lái)評(píng)估倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的危險(xiǎn)性.預(yù)警機(jī)器人周期性實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，并將各類數(shù)據(jù)參數(shù)通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合處理，然后將融合數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到后臺(tái)服務(wù)器，當(dāng)觸發(fā)參數(shù)報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警.該系統(tǒng)大大提高了物流倉(cāng)儲(chǔ)的智能化管理水平、危險(xiǎn)檢測(cè)處理和實(shí)時(shí)預(yù)警警報(bào)的能力.

表2 20組測(cè)試數(shù)據(jù)