技术领域
[0001] 本
发明属于
机器人技术领域，特别是涉及一种保安巡逻机器人系统及其控制方法。
背景技术
[0002] 近年来，越来越多的研究者开始研究能够改变人类日常生活的服务机器人，由于保安巡逻机器人具有广阔的应用前景，因此已成为服务机器人一个新的研究方向。与
监控系统的固定性和被动性不同，保安巡逻机器人是一个主动的、可移动的系统，利用其可移动性，机器人可以在不同的场所进行巡逻和监控，并且能够与固定视觉监控系统一起形成分布式监控网络系统，以全面提高安防监控效果。
[0003] 日本Sogo警卫保障公司研制的巡逻机器人能够在办公室里充当导游，指引来访者到达目的地，并能够在晚上进行巡逻。该机器人采用轮式结构，并以基于路标的方式进行
定位和导航，可在平坦的道路上移动，并通过安装在机器人上的摄像机将环境信息传输给监控室。但是，该巡逻机器人的缺点是功能单一，只适用于办公室等相对稳定的工作环境，且其定位和导航仍需依靠人工设定的路标，而无法适应工作环境的改变。
[0004] 台湾学者罗仁权研制的保安机器人Chung Cheng除了可以进行巡逻之外，还采用了无线网络设计，可以进行远程操控，并具有自动充电的功能。白天该机器人利用语音导览系统及触控屏幕担任导览员，晚上又可转任保安人员，并采用基于GSM的无线网络系统进行远程操控。但是，文献中没有提及该机器人具有双向语音传输功能，而且由于该机器人是采用三轮运动机构，因此在高速移动或转弯时容易跌倒。
[0005] 华南理工大学研制的保安巡逻机器人外观呈“警犬”状，可以设定成自主巡逻或者人工操控的工作方式，其能够按照预先设定的路线进行巡逻，且能够自主避开障碍物并
修改前进的路线，具有探测范围宽，能够连续、多方位巡逻，并且具有
防盗报警等功能。但是该机器人在使用时，需要提前按要求路线对机器人进行编程示教，而且需要对其工作场所进行适当改造，例如在地面上粘贴导航带，这样就会大大降低该机器人的应用范围。另外，该文献中也没有提及该机器人具有自主充电功能。
[0006] 中国科学院自动化研究所高创中心研制的保安巡逻机器人是以自行研制开发的全自主机器人AIM作为平台，除了可以完成障碍避碰、自主导航等任务外，还提供有
火灾探测系统，该系采用信息融合的方法及时准确地探测火灾，同时采用Client/Server的控制方式实现了无线通讯和远程遥控。但是，文献中没有提及该机器人具有自主充电功能、夜间巡逻功能，也没有语音信息的传输与监控功能，且该文献只提到该机器人适合于办公室、仓库、厂房等室内环境的巡逻与监控。
[0007] 贵州大学研制的随机巡逻防盗机器人通过4个红外线
传感器、4只摄像头、多普勒传感器及声音探测传感器，使机器人无需调整传感器的方位就可实现全方位全视
角监测。同时，该机器人还具有程控和遥控两种控制方式，既可按照预编好的程序随机地选择巡逻时间和路线，又可切换到遥控方式，通过监控系统获取的视频信息进行远程遥控并具有报警功能。但是，该机器人需要预编好程序进行巡逻，从而降低其适用性。而且该文献中也未提及该机器人是否具有自主避障功能、自主充电功能以及夜间巡逻等功能。
[0008] 东莞理工学院设计的智能保安巡逻机器人配备了
太阳能跟踪系统，采用GPRS网络可使机器人到达目标点，以STC12C系列51
单片机作为核心控制单元。但是，该机器人只是实现了简单的远程控制功能，而且太阳能蓄电持续工作时间很短，工作也不稳定，GPRS网络控制存在很大延迟。另外，该机器人并不具备夜间巡逻功能，也没有配备音频传输系统。
[0009] 总之，上述
现有技术中的类似机器人均存在功能单一、对环境的适应性差、只能工作在室内环境等
缺陷，且均未对中央控制系统作出描述。
发明内容
[0010] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构设计合理、功能齐全的保安巡逻机器人系统。
[0011] 本发明的另一个目的在于提供一种上述保安巡逻机器人系统的控制方法。
[0012] 为了达到上述目的，本发明提供的保安巡逻机器人系统包括机器人、无线网络、GPRS网络和中央控制系统；其中机器人和中央控制系统以无线的方式通过无线网络或GPRS网络进行通讯，并且机器人的行动由中央控制系统进行控制；机器人由本体和控制系统组成，所述的本体包括底盘、
外壳、固定架、两个主动轮和两个从动轮，其
中底盘沿
水平方向设置；外壳安装在底盘的表面；固定架围绕设置在外壳的下端边缘部位；两个主动轮分别设置在底盘的前部两侧，两个从动轮分别设置在底盘的后部两侧，而控制系统则安装在外壳的内部及表面；中央控制系统设置在中央控制室中，其主要包括中央计算机、影音显示设备、中央控制系统麦克
风、机器人控制摇杆和无线通讯设备。
[0013] 所述的控制系统包括主机系统以及与主机系统相连的控制与驱动系统、环境
感知监测系统、通讯系统、电源系统和自主充电系统，其中：
[0014] 主机系统由嵌入式工控
主板、
存储器和CF卡组成；
[0015] 控制与驱动系统主要由机器人运动控制系统、摄像机控制系统、语音传输控制系统、自带红外照明和应急可见光照明开启控制系统组成；其中机器人运动控制系统主要由运动控制与驱动模
块、第1驱动
电机和第2
驱动电机组成；第1、第2驱动电机均通过控制与驱动模块与主机系统相连；摄像机控制系统主要由PTZ驱动模块和PTZ控制装置组成；语音传输控制系统主要由音频输入输出模块、扬声器和麦克风组成，扬声器安装在外壳的内部，并且与外壳紧固连接，同时通过音频输入输出模块与主机系统相连，麦克风安装在外壳的前端表面中部，并且通过音频输入输出模块与主机系统相连；自带红外照明和应急可见光照明开启控制系统由红外照明灯、可见光照明灯和爆闪灯组成，红外照明灯和可见光照明灯安装在外壳的前端下部，并且与主机系统相连；爆闪灯安装在外壳的上部，并且与主机系统相连接；
[0016] 环境感知监测系统包括
超声波测距系统、PTZ摄像机、
图像采集卡、全方位视觉系统、三维数字罗盘、第1光电
编码器和第2光电编码器；其中
超声波测距系统与主机系统相连，由安装在上述固定架上的多个
超声波传感器组成；全方位视觉系统安装在外壳的顶部，其通过图像采集卡与主机系统相连；PTZ摄像机安装在全方位视觉系统的上部，并且通过图像采集卡与主机系统相连；三维数字罗盘安装在外壳的内部，并且与外壳紧固连接，同时与主机系统相连；第1光电编码器和第2光电编码器分别安装第1，第2驱动电机的
尾轴上；
[0017] 通讯系统主要由无线AP模块和GPRS模块组成，无线AP模块与GPRS模块均安装在外壳的内部，并且均与主机系统直接相连；
[0018] 电源系统由DC-DC模块和铅酸
电池组成，用于为控制系统中的其它系统供电；
[0019] 自主充电系统用于检测系统的工作电源
电压，当工作
电源电压不足时，通知主机系统，并能控制电源系统自动进行充电。
[0020] 所述的环境感知监测系统还包括一个烟雾、
温度传感器，该装置安装在外壳的内部，并且与主机系统相连，用于监测工作环境，并实现烟雾报警及火灾报警。
[0021] 所述的主动轮采用充气轮，从动轮采用万向轮。
[0022] 本发明提供的保安巡逻机器人系统的控制方法包括按顺序进行下列步骤：
[0023] 1)
硬件初始化的S1阶段；此阶段为上电后的第一个阶段，在此阶段中，首先对机器人机载硬件进行初始化；
[0024] 2)对初始化是否成功进行判断的S2阶段；如果判断结果为“否”，进入错误处理的S13阶段，并发出警报；如果判断结果为“是”，机载传感器将其感知信息通过无线网络或GPRS网络传输给中央控制系统并在影音显示设备上显示，然后进入S3阶段；
[0025] 3)对机器人是否通过无线网络或GPRS网络接收到中央控制系统的控制指令进行判断的S3阶段；如果判断结果为“是”，进入S4阶段；否则返回到S3阶段的入口处；
[0026] 4)对用户是否选择自主巡逻模式进行判断的S4阶段；如果判断结果为“是”，进入S5阶段；否则进入S14阶段；
[0027] 5)用户通过中央控制系统采集机器人上各传感器的信息，并根据上述信息设定机器人的运动速度、避障安全距离参数的S5阶段；
[0028] 6)根据
电子地图设定机器人巡逻路线的S6阶段；
[0029] 7)机器人根据处理结果、巡逻路线和当前任务进行决策的S7阶段；
[0030] 8)机器人将上述行为送至中央控制系统进行行为仲裁，以得到机器人当前时刻应该执行的最佳行为的S8阶段；
[0031] 9)主机系统发送运动指令以执行该行为的S9阶段；在此阶段中，主机系统将通过控制与驱动模块控制第1驱动电机和第2驱动电机转动，以带动两个主动轮进行移动；
[0032] 10)对用户是否选择远程控制巡逻模式进行判断的S14阶段；如果判断结果为“是”，进入S15阶段；否则返回到S3阶段的入口处；
[0033] 11)机器人根据中央控制系统的控制指令完成巡逻工作的S15阶段；
[0034] 12)对是否退出巡逻模式进行判断的S11阶段；如果判断结果为“是”，进入S12阶段；否则返回到S3阶段的入口处；
[0035] 13)停止机器人的一切活动并保存状态数据的S12阶段，以为机器人下一次巡逻提供初始数据。
[0036] 本发明提供的保安巡逻机器人系统集成了光
机电一体化，通过中央控制系统远程控制机器人，以保障机器人能够正常运行。本机器人具有自主环境探测、自主避障导航及自主充电功能，其能够按照工作人员的具体要求在非人工干预的情况下自主完成固定路线巡逻、随机路线巡逻及重点部位察看等任务，也可以人工远程控制该机器人巡逻；不仅具有全方位视觉的处理判断能
力，而且还能够进行视觉及双向语音信息的远程传输与监控，可检测环境烟雾及火灾情况并进行异常情况报警，因此能够应用于民航机场、高级住宅小区、重要仓库、商场及其它公共场所。
附图说明
[0037] 图1为本发明提供的保安巡逻机器人系统组成示意图。
[0038] 图2为本发明提供的保安巡逻机器人系统中机器人外部结构立体图。
[0039] 图3为本发明提供的保安巡逻机器人系统中
机器人控制系统构成
框图。
[0040] 图4为本发明提供的保安巡逻机器人系统中机器人控制系统电气结构图。
[0041] 图5为本发明提供的保安巡逻机器人系统控制方法
流程图。
具体实施方式
[0042] 下面结合附图和具体
实施例对本发明提供的保安巡逻机器人系统及其控制方法进行详细说明。
[0043] 如图1-图4所示，本发明提供的保安巡逻机器人系统包括：机器人1、无线网络3、GPRS网络4和中央控制系统5；其中机器人1和中央控制系统5以无线的方式通过无线网络3或GPRS网络4进行通讯，并且机器人1的行动由中央控制系统5进行控制；机器人1由本体和控制系统组成，所述的本体包括底盘19、外壳17、固定架9、两个主动轮7和两个从动轮18，其中底盘19沿水平方向设置；外壳17安装在底盘19的表面，由此与底盘19一起形成整个机器人1的外部结构；固定架9围绕设置在外壳17的下端边缘部位；两个主动轮7分别设置在底盘19的前部两侧，两个从动轮18分别设置在底盘19的后部两侧，而控制系统则安装在外壳17的内部及表面；中央控制系统5设置在中央控制室中，其主要包括中央计算机6、影音显示设备16、中央控制系统麦克风35、机器人控制摇杆36和无线通讯设备。
[0044] 所述的控制系统包括主机系统20以及与主机系统20相连的控制与驱动系统21、环境感知监测系统22、通讯系统23、电源系统24和自主充电系统25，其中：
[0045] 主机系统20由嵌入式工控主板、存储器和CF卡组成，用来处理机器人1的感知和监测信息，以及与中央控制系统5进行交互，传递周围及自身信息，并接收中央控制系统5的指令。
[0046] 控制与驱动系统21主要由机器人运动控制系统、摄像机控制系统、语音传输控制系统、自带红外照明和应急可见光照明开启控制系统组成；其中：机器人运动控制系统用于驱动主动轮7的转动，从而控制机器人移动，其主要由运动控制与驱动模块38、第1驱动电机26和第2驱动电机27组成；第1、第2驱动电机26，27均通过控制与驱动模块38与主机系统20相连，主机系统20通过一个高级命令集与控制与驱动模块38实现交互，并提供速度、距离等参数，再经过控制与驱动模块38控制第1、第2驱动电机26，27的运行，控制与驱动模块38根据主机系统20发送来的指令生成PWM
信号并直接推动第1、第2驱动电机26，27运行，用户可以通过机器人控制摇杆36和中央计算机6上的
键盘实现对机器人运动控制系统的本地控制及远程控制；摄像机控制系统主要由PTZ驱动模块39和PTZ控制装置28组成，用于远程控制PTZ摄像机13的水平、
俯仰摄像角度的改变以及变焦、变倍等动作，以配合机器人1实现重点部位的察看、跟踪可疑人物等；语音传输控制系统主要由音频输入输出模块40、扬声器29和麦克风12组成，扬声器29安装在外壳17的内部，并且与外壳17紧固连接，同时通过音频输入输出模块40与主机系统20相连，麦克风12安装在外壳17的前端表面中部，并且通过音频输入输出模块40与主机系统20相连；语音传输控制系统用于在机器人1和中央控制系统5之间建立起语音互交通道，中央控制系统5上也安装有语音传输控制系统，用户可以根据需要将自己的声音通过中央控制系统麦克风35传输给机器人1，机器人1周围的声音也可以通过麦克风12传输给中央控制室；自带红外照明和应急可见光照明开启控制系统由红外照明灯10、可见光照明灯11和爆闪灯15组成，红外照明灯10和可见光照明灯11安装在外壳17的前端下部，并且与主机系统20相连，用户可以根据需要打开或关闭该系统，或者机器人1根据其运行环境自动打开或关闭该系统，因此机器人1可以在暗光环境和夜间进行保安巡逻工作；爆闪灯15工作时具有警示作用，安装在外壳17的上部，并且与主机系统20相连接。
[0047] 环境感知监测系统22是主控系统20的输入感知部分，用于采集外界信息，并对该信息进行融合处理，用于行为规划和决策，其包括超声波测距系统8、PTZ摄像机13、图像采集卡41、全方位视觉系统14、三维数字罗盘31、第1光电编码器32和第2光电编码器33；其中超声波测距系统8与主机系统20相连，由安装在上述固定架9上的多个超声波传感器组成，用于在360°的范围内检测机器人1四周的障碍物，利用该信息机器人1可以实现自主避障；全方位视觉系统14安装在外壳17的顶部，其通过图像采集卡41与主机系统20相连；PTZ摄像机13安装在全方位视觉系统14的上部，并且通过图像采集卡41与主机系统
20相连；PTZ摄像机13和全方位视觉系统14用于实时采集机器人1四周360°范围内的图像，并远程传输给中央控制系统5；三维数字罗盘31安装在外壳17的内部，并且与外壳
17紧固连接，同时与主机系统20相连，用于确定机器人1的角度；第1光电编码器32和第
2光电编码器33分别安装第1，第2驱动电机26，27的尾轴上，用来分别计算两个主动轮7运动的里程；机器人通过融合PTZ摄像机13、全方位视觉系统14、第1，第2光电编码器32，
33、三维数字罗盘31以及超声波测距系统8的信息而进行室内环境下的定位与导航。
[0048] 通讯系统23主要由无线AP模块2和GPRS模块37组成，无线AP模块2与GPRS模块37均安装在外壳17的内部，并且均与主机系统20直接相连；本系统在正常情况下使用无线网络3进行通信，为了扩展通讯能力，当无线网络3的接收信号较弱或没有时，使用GPRS网络4进行通讯，这样就能够实现网络的全方位
覆盖；
[0049] 电源系统24由DC-DC模块和铅酸电池组成，用于为控制系统中的其它系统供电；铅酸电池作为动力
能源，充电后可持续工作3小时以上；
[0050] 自主充电系统25用于检测系统的工作电源电压，当工作电源电压不足时，通知主机系统20，并能控制电源系统24自动进行充电。
[0051] 所述的环境感知监测系统22还包括一个烟雾、温度传感器34，该装置安装在外壳17的内部，并且与主机系统20相连，用于监测工作环境，并实现烟雾报警及火灾报警。
[0052] 所述的主动轮7采用充气轮，可以起到减震的作用，从动轮18采用万向轮。
[0053] 现对本发明提供的保安巡逻机器人系统的工作过程阐述如下：本发明提供的保安巡逻机器人系统中的机器人1工作模式分为自主巡逻模式和远程控制巡逻模式两种。自主巡逻模式是机器人1按照用户的具体要求在非人工干预的情况下自主完成固定路线巡逻、随机路线巡逻及重点部位察看等任务；远程控制巡逻模式是人工远程控制机器人1进行巡逻。首先，用户根据机器人1的工作环境建立电子地图，并将其存储在中央控制系统5的中央计算机6中，当机器人1巡逻时，影音显示设备16上的电子地图中可以显示出机器人1的当前
位姿以及运动路线，用户也可以通过
鼠标操作的方式在电子地图上实时矫正机器人1的位姿、机器人巡逻路线等。当机器人1检测的自身状态和各机载传感器检测的状态均在正常工作状态时，可以由人工远程控制的方式发送开始巡逻指令，使机器人工作在自主巡逻模式，或者用户在中央控制系统5中根据全方位视觉系统14采集的机器人1工作环境的实时图像以及超声波测距系统8、三维数字罗盘31等机载传感器信息，通过机器人控制摇杆36或键盘远程控制机器人1的行走、转弯、避障等，使其工作在远程控制巡逻模式下。机器人1利用PTZ摄像机13和全方位视觉系统14采集机器人1四角360°范围内的图像。
在自主巡逻模式下，机器人1根据超声波测距系统8的信息自主避障；融合全方位视觉系统
14、三维数字罗盘8和第1、第2光电编码器32，33的信息完成自主定位和导航；机器人1利用自主充电系统25检测系统的工作电源电压，当电池电压不足时，机器人1自主寻找充电站进行充电；利用麦克风12与扬声器29实现语言信息的双向远程传输；利用烟雾、温度传感器34监测工作环境，并在发生异常情况时进行烟雾报警、火灾报警等。同时，可见光照明灯11和红外照明灯10使机器人1能够在暗光环境和夜间进行保安巡逻工作。另外，用户可以根据需要通过中央控制系统麦克风35将自己的声音传输给机器人1，机器人1周围的声音也可以通过麦克风12传输给中央控制室。
[0054] 另外，用户可以通过中央控制系统5对机器人1进行参数设定，包括机器人1的正常运动速度、最高运动速度、最低报警电压、运动方式、避障安全距离及机器人判断自身位姿是否正常等各项参数；可以通过无线网络3控制机器人1的音频双向传输、视频单向传输及获得机器人1运行环境中的情况；可以监控机器人1的当前电压、当前位姿、当前运行速度、当前执行任务、当前运动里程及当前是否处于危险状态；可以在电子地图上显示出机器人1的当前位姿、机器人1运动路线，并实时通过鼠标操作的方式在电子地图上矫正机器人1的位姿、设定机器人1巡逻路线(自动设定和手工设定)以及设定机器人1巡逻所用的地图及地图
数据库；也可以设定机器人1开始或终止巡逻、自主充电或强行避障等高级任务。
[0055] 如图5所示，本发明提供的保安巡逻机器人系统的控制方法包括按顺序进行下列步骤：
[0056] 1)硬件初始化的S1阶段；此阶段为上电后的第一个阶段，在此阶段中，首先对机器人1机载硬件进行初始化，例如摄像机、超声波传感器等；
[0057] 2)对初始化是否成功进行判断的S2阶段；如果判断结果为“否”，进入错误处理的S13阶段，并发出警报；如果判断结果为“是”，机载传感器将其感知信息通过无线网络3或GPRS网络4传输给中央控制系统5并在影音显示设备上显示，然后进入S3阶段；
[0058] 3)对机器人是否通过无线网络或GPRS网络接收到中央控制系统的控制指令进行判断的S3阶段；如果判断结果为“是”，进入S4阶段；否则返回到S3阶段的入口处；
[0059] 4)对用户是否选择自主巡逻模式进行判断的S4阶段；如果判断结果为“是”，进入S5阶段；否则进入S14阶段；
[0060] 5)用户通过中央控制系统采集机器人上各传感器的信息，并根据上述信息设定机器人的运动速度、避障安全距离参数的S5阶段；
[0061] 6)根据电子地图设定机器人巡逻路线的S6阶段；
[0062] 7)机器人根据处理结果、巡逻路线和当前任务进行决策的S7阶段；在此阶段中，当机器人接收到用户设定的参数值和巡逻路线时，其将对机载传感器的信息进行处理，并根据处理结果、巡逻路线和当前任务进行决策，以产生行为，例如融合全方位视觉系统、三维数字罗盘、超声波测距系统及光电编码器的信息进行定位行为、利用超声波测距系统的感知信息进行避障行为、电池电压不足时进行自主充电行为等；
[0063] 8)机器人将上述行为送至中央控制系统进行行为仲裁，以得到机器人当前时刻应该执行的最佳行为的S8阶段；
[0064] 9)主机系统发送运动指令以执行该行为的S9阶段；在此阶段中，主机系统20将通过控制与驱动模块控制第1驱动电机26和第2驱动电机27转动，以带动两个主动轮7进行移动；
[0065] 10)对用户是否选择远程控制巡逻模式进行判断的S14阶段；如果判断结果为“是”，进入S15阶段；否则返回到S3阶段的入口处；
[0066] 11)机器人根据中央控制系统的控制指令完成巡逻工作的S15阶段；在此阶段中，用户可以在中央控制系统中根据全方位视觉系统采集的机器人工作环境的实时图像以及机载传感器的信息，通过机器人控制摇杆36或键盘远程控制机器人的行走、转弯、避障等，使其完成巡逻工作；
[0067] 12)对是否退出巡逻模式进行判断的S11阶段；如果判断结果为“是”，进入S12阶段；否则返回到S3阶段的入口处；
[0068] 13)停止机器人的一切活动并保存状态数据的S12阶段，以为机器人下一次巡逻提供初始数据。
