智能安防機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

李家成,陸桂龍,陳 芹,郝家輝,陶華磊,胡兆鵬

(南通理工學(xué)院,江蘇 南通 226000)

0 引言

信息化時(shí)代到來(lái),一體化機(jī)器人隨之誕生,在電子信息技術(shù)體系加持下,智能機(jī)器人的應(yīng)用更加充分,其優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。智能安防機(jī)器人在特殊領(lǐng)域的應(yīng)用可以代替人工進(jìn)行所有危險(xiǎn)性、高頻性的工作,包括各項(xiàng)危險(xiǎn)性檢測(cè)、環(huán)境全面監(jiān)控、危險(xiǎn)警報(bào)提示以及數(shù)據(jù)的高效采集等。

1 智能安防機(jī)器人的核心構(gòu)成

智能安防機(jī)器人備受好評(píng)主要是源于功能強(qiáng)大,其自身控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性也十分優(yōu)越。在實(shí)際中,可以應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)思路,對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)設(shè)計(jì),搭建總體設(shè)計(jì)框架,制定可行的初步規(guī)劃;針對(duì)主要控制系統(tǒng)完成合理化設(shè)計(jì),不斷提高智能安防機(jī)器人的應(yīng)用水平。

智能安防機(jī)器人的核心構(gòu)成較為復(fù)雜,具體包含運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、傳感器子系統(tǒng)、具有輔助功能的攝像頭控制子系統(tǒng)等。在對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,還要利用機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行控制系統(tǒng)測(cè)試,保證實(shí)驗(yàn)測(cè)試的有效性;要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行全面分析,制定可行性較高的、優(yōu)質(zhì)的總結(jié)報(bào)告。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中包含的模塊較多,除了主控器(核心構(gòu)件)外,還包括運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)、攝像頭、上位機(jī)App等。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)的智能安防機(jī)器人以STM32F429電機(jī)控制器和云服務(wù)器為核心,其中,STM32F429電機(jī)控制器主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流伺服電機(jī)、激光導(dǎo)航傳感器構(gòu)成,云服務(wù)器主要包括電腦上位機(jī)和手機(jī)App終端,系統(tǒng)本身包含噪聲傳感器、煙霧傳感器、超聲波傳感器、磁導(dǎo)航傳感器、地標(biāo)傳感器、溫濕度傳感器以及觸摸屏。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 主控器設(shè)計(jì)

主控器是智能安防機(jī)器人的主要信息處理設(shè)備,屬于整個(gè)系統(tǒng)的核心構(gòu)建,可以將其看作具有支配功能的“大腦”,是系統(tǒng)的中樞神經(jīng),實(shí)時(shí)與各項(xiàng)子系統(tǒng)(機(jī)器人中的)保持聯(lián)系,共同完成合作。在主控制器的加持下,將信息進(jìn)行匯總,并精準(zhǔn)處理命令信息;根據(jù)具體指令將信息下放到相應(yīng)的子系統(tǒng)中,確保命令合理完成。

主控器在安防機(jī)器人系統(tǒng)中地位特殊,可以實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn),使通心和控制功能得以順利實(shí)現(xiàn),優(yōu)化智能安防機(jī)器人性能。同時(shí),主控器捕捉機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并進(jìn)行合理調(diào)整,根據(jù)具體需求改變機(jī)器人的運(yùn)行軌跡、糾正不良習(xí)慣。機(jī)器人在完成巡檢任務(wù)的過(guò)程中,為了確保巡檢的可靠性,必須搭配多線程分級(jí)管理,充分利用搭載無(wú)線通信模塊和操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信功能。因此,在智能安防機(jī)器人的研發(fā)階段,關(guān)鍵環(huán)節(jié)是主控器的合理設(shè)計(jì)及對(duì)控制系統(tǒng)的優(yōu)化,在控制模塊基礎(chǔ)上追加驅(qū)動(dòng)模塊,完善機(jī)器人的通信功能。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制器子系統(tǒng)的地位同樣重要,主要功能是根據(jù)命令內(nèi)容判斷主控器的速度和真實(shí)的運(yùn)行方向,實(shí)現(xiàn)多個(gè)姿態(tài)的調(diào)整(如前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等),確保運(yùn)動(dòng)方式的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)總方案對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)施優(yōu)化。同時(shí),運(yùn)動(dòng)控制器具有特殊性,所以必須要考慮囊括多種設(shè)計(jì)因素,不斷提升子系統(tǒng)模塊的功能。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的位置特殊,位于電機(jī)控制器核心地帶,與永磁同步電機(jī)距離較短,作為中間電路,其性能完善、功能強(qiáng)大,可以將控制信號(hào)(電機(jī)控制器發(fā)出的)進(jìn)行放大,實(shí)現(xiàn)智能安防機(jī)器人的換向、剎車(chē)等功能,是智能安防機(jī)器人成功發(fā)揮作用的關(guān)鍵。此外,還具有控制邏輯功能,可以精準(zhǔn)保護(hù)電路。

智能安防機(jī)器人之所以運(yùn)行效率高,就是因?yàn)槎鄠€(gè)電機(jī)的相互配合,包括光電編碼器、永磁同步電機(jī)、永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器,如圖2所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊以STM32F429電機(jī)控制器為核心,PWM驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)改變脈沖幅度來(lái)控制系統(tǒng)電路電壓的輸出,并通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)電流的傳輸效率,完成PWM信號(hào)輸出可以保證和主控制器通信,提高通信的實(shí)效性;永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將轉(zhuǎn)子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)、無(wú)功率調(diào)節(jié)和無(wú)功負(fù)荷分配,是一種高精度的伺服控制系統(tǒng);永磁同步電機(jī)省去了集電環(huán)和電刷,無(wú)需勵(lì)磁電流,沒(méi)有勵(lì)磁損耗,提高了電動(dòng)機(jī)的效率和功率密度[1];光電編碼器和解碼器傳送、接收命令信息[2-3],實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 電機(jī)控制

2.4 傳感器子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能安防機(jī)器人的重要性逐漸被認(rèn)可,其實(shí)際應(yīng)用可以彌補(bǔ)人工管理作業(yè)中存在的不足,人承擔(dān)安防、巡檢等相關(guān)任務(wù),降低人工成本。合格的安防機(jī)器人需要保持一定的敏銳性,實(shí)時(shí)感知外界環(huán)境,因此,其多個(gè)傳感器之間要保持關(guān)聯(lián)性、匹配度高度一致。對(duì)多傳感器融合技術(shù)靈活區(qū)分和應(yīng)用,將多種傳感器整合,發(fā)揮取長(zhǎng)補(bǔ)短效果,共同提升系統(tǒng)的精確度。在設(shè)計(jì)該子系統(tǒng)時(shí),需要多考慮智能安防機(jī)器人的應(yīng)用需求,充分發(fā)揮數(shù)據(jù)采集功能,有效捕捉導(dǎo)航、環(huán)境信息。同時(shí),發(fā)揮數(shù)據(jù)處理功能,在信息收集完成后按照要求

整合加以,使智能安防機(jī)器人能對(duì)接收的命令作出清晰、明確的判斷。

2.5 攝像頭子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

攝像頭傳輸子系統(tǒng)的實(shí)際作用是完整地監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,確保監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的合理性、精準(zhǔn)性,是機(jī)器人獲取執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵。攝像頭傳輸子系統(tǒng)由可見(jiàn)光攝像機(jī)和紅外熱成像攝像機(jī)構(gòu)成,可以科學(xué)地探測(cè)環(huán)境溫度,如果溫度偏高就會(huì)自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警功能,兩個(gè)攝像機(jī)系統(tǒng)相互輔助。

(1)可見(jiàn)光攝像機(jī),發(fā)揮基礎(chǔ)性作用,清晰成像功能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控,屬于不可或缺的攝像頭子系統(tǒng)核心要素;同時(shí),其還包括錄像、回放功能,是對(duì)攝像頭子系統(tǒng)功能發(fā)揮的一種保障。(2)紅外熱成像攝像機(jī)同樣功能顯著,用來(lái)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備,通過(guò)設(shè)備溫度的檢測(cè),綜合評(píng)估設(shè)備性能。當(dāng)設(shè)備溫度過(guò)高,說(shuō)明系統(tǒng)存在危險(xiǎn)性,此時(shí)該攝像頭會(huì)發(fā)揮報(bào)警功能。實(shí)踐證明,該攝像機(jī)功能強(qiáng)大,監(jiān)測(cè)范圍廣泛,各處溫度異常點(diǎn)均能精準(zhǔn)捕捉,效果十分顯著。

在實(shí)際應(yīng)用中,為了強(qiáng)化攝像頭子系統(tǒng)的整體應(yīng)用效果,可以在以上兩種攝像機(jī)的基礎(chǔ)上增加云臺(tái)控制功能,以完成精準(zhǔn)度較高的攝像機(jī)控制,達(dá)到360°地進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)控的目的;同時(shí),通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)將攝像機(jī)監(jiān)控影像遠(yuǎn)程傳輸?shù)紸pp終端,為現(xiàn)場(chǎng)人員的場(chǎng)景監(jiān)控與分析提供方便。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,智能安防機(jī)器人在新時(shí)期備受關(guān)注,其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)逐漸受到重視,想要出色完成系統(tǒng)設(shè)計(jì),需要綜合各方面的因素,考慮周全,同時(shí)掌握各個(gè)子系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能和設(shè)計(jì)要求。實(shí)踐表明,只有子系統(tǒng)功能完善,整個(gè)控制系統(tǒng)的性能才會(huì)提升?，F(xiàn)實(shí)中,通過(guò)優(yōu)化各子系統(tǒng)性能,可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果最大化的目標(biāo)。