謝小明

應用于非常規(guī)場景巡檢的第一視覺5G智能機器人*

謝小明

（廣州市真光中學，廣東 廣州 510380）

針對危房、危橋、爆炸區(qū)等非常規(guī)場景下排障、搶救作業(yè)的情況，基于移動機器人控制技術、傳感器技術和5G Wi-Fi通訊技術設計一種應用于非常規(guī)場景巡檢的第一視覺5G智能機器人。該機器人代替搜救人員或排障人員進行搶救、排障作業(yè)，管理人員通過5G智能機器人第一視覺模塊實時獲悉現(xiàn)場情況，實現(xiàn)遠程控制救援。

巡檢；第一視覺；智能機器人；5G

0 引言

國內(nèi)機器人的相關研究已有20多年的歷史，其中移動機器人的研究發(fā)展較迅速。移動機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)境中完成某些預定任務的功能[1]。目前，社會對智能移動機器人的需求量很大，特別是針對巡檢、安防等領域的特種移動機器人的研發(fā)是熱點。隨著政府和社會對安全工作的重視，針對危險環(huán)境下的排障、搶救作業(yè)，需要有更智能、操控性更好的機器人代替人進行工作。

傳統(tǒng)的巡檢機器人多采用四輪驅動，此類機器人在狹小空間環(huán)境下作業(yè)，存在3方面的不足：1）體積較大，在狹小空間不便開展作業(yè)；2）移動靈活性不足，轉向半徑大，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)，無法滿足高速數(shù)據(jù)傳輸和遠程精準性操作。為此，本文設計一種在非常規(guī)場景下適應性強、實時同步效果好的第一視覺5G智能機器人。

1 機器人結構

在危房、危橋、爆炸區(qū)等非常規(guī)場景下作業(yè)，需要面對空間狹窄、地面崎嶇等問題。第一視覺5G智能機器人由控制系統(tǒng)、三輪全方向驅動載物平臺、目標管理系統(tǒng)、5G無線通訊系統(tǒng)和上位機控制系統(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)開發(fā)平臺，通過內(nèi)嵌Xilinx Zynq芯片，實時應用FPGA、內(nèi)置Wi-Fi功能，實現(xiàn)遠程部署應用；3個連接端口（2個MXP端口和1個MSP端口）負責發(fā)送接收來自傳感器和電路的信號，以支持三輪全方向驅動載物平臺系統(tǒng)，如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)實時采集超聲波傳感器、紅外傳感器、尋跡傳感器和攝像頭的數(shù)據(jù)，全方向移動配合3個超聲波傳感器和2個紅外傳感器進行路徑規(guī)劃、自動避障和位置校準。

圖1　第一視覺5G智能機器人控制系統(tǒng)

1.2 三輪全方向驅動載物平臺

因輪式移動機構具有移動效率高的特點[2]，本文采用的三輪全方向驅動載物平臺，如圖2所示。其使用3個同心等距分布的萬向輪作為驅動輪；通過控制驅動輪所連直流無刷電機的驅動力矩，實現(xiàn)機器人的全方向移動。三輪全方向驅動載物平臺結構簡單、體積小且能夠全方向移動。如此，第一視覺5G智能機器人在狹小環(huán)境下可實現(xiàn)高效、穩(wěn)定移動。

圖2　三輪全方向驅動載物平臺

當精確控制三輪全方向驅動載物平臺的運動時，首先需知三輪全方向驅動載物平臺的位置。三輪全方向驅動載物平臺的位置通常采用坐標表示，通過對電機的轉速控制實現(xiàn)精確定位。通過計算運動學正向解，將輪子的轉速換算得到三輪全方向驅動載物平臺在世界坐標系中的位置坐標。

已知電機轉速、輪半徑和3個輪的位置關系，使用正交分解，將3個速度V，V，V轉化為機器人的線速度和角速度；再經(jīng)過三角換算，得到世界坐標系中三輪全方向驅動載物平臺的線速度和角速度；然后各自求積分，可計算得出三輪全方向驅動載物平臺在世界坐標系^'、^'下的位置和轉向角度，如圖3所示。

圖3　載物平臺相對于世界中的位置分解

1.3 目標管理系統(tǒng)

第一視覺5G智能機器人需對現(xiàn)場目標物體和其他物體進行區(qū)分。利用目標管理系統(tǒng)的圖像自主處理模塊，對感興趣目標進行提取分割，對目標進行理解，并完成相應的視覺任務[3]。利用高清攝像頭和非接觸傳感器自動接收和處理真實物體的圖像，通過圖像分析獲得物體坐標關鍵性信息。使用Microsoft LifeCam Cinema，配合NI VISION Builder和IMAQ Vision圖像處理算法對物體圖像進行分析。工作過程如下：1）攝像頭采集彩色圖像，并對圖像進行Color Threshold彩色閾值處理；2）進行粒子處理Remove small objects + Convex Hull；3）通過粒子分析提取物體坐標，實現(xiàn)模擬人的視覺功能。

在非常規(guī)場景巡檢中，當目標管理系統(tǒng)的圖像自主處理模塊無法處理時，可以啟動目標管理系統(tǒng)的第一視覺模塊?，F(xiàn)場操作人員使用2.8 mm廣角鏡的650TVL攝像機和7英寸LCD高清屏幕對場景周圍環(huán)境進行感知，控制機器人進行排障及搶救作業(yè)，如圖4所示。

機器人目標管理系統(tǒng)具有智能跟隨模塊，可以保持與追蹤物體的平行，通過FPGA實現(xiàn)對超聲波傳感器的讀取。根據(jù)2個超聲波傳感器距離的差值與平均值，判斷當前機器人的狀態(tài)，通過閉環(huán)控制（PID控制）讓機器人實現(xiàn)自動調整與追蹤。

圖4　目標管理系統(tǒng)的第一視覺模塊

1.4 5G無線通訊系統(tǒng)

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

1.5 上位機控制系統(tǒng)

使用LabVIEW編程語言進行上位機控制系統(tǒng)編程，實現(xiàn)電腦與機器人myRIO對超聲波傳感器、紅外傳感器、尋跡傳感器、攝像頭和直流電機編碼器等數(shù)據(jù)的讀取顯示、圖像采集與處理的顯示，以及遙控控制機器人的自主運動，如圖5所示。

圖5　上位機控制系統(tǒng)部分程序框圖

2 功能驗證

本文采用驗證實驗對機器人進行功能驗證，通過對比采集到的機器人主要模塊功能性參數(shù)與實際參數(shù)，驗證機器人的功能和運行狀態(tài)是否符合設計預期。假設智能機器人到非常規(guī)場地進行巡檢，通過上位機控制系統(tǒng)啟動三輪全方向驅動載物平臺，配合目標管理系統(tǒng)的圖像自主處理模塊和智能跟蹤模塊，對目標物體進行識別和處理；實驗讀取圖像自主處理、超聲波傳感器、電機編碼、位置PID和速度PID的功能性參數(shù)。通過設置障礙，使視覺系統(tǒng)無法自主處理，操作人員啟動5G無線通訊系統(tǒng)配合第一視覺模塊進行遙控操作，順利完成遠程控制排障和救援；實驗讀取5G無線通訊系統(tǒng)和第一視角的功能性參數(shù)。經(jīng)過比對功能性參數(shù)和實際參數(shù)，驗證機器人的基本功能和整體運行正常，如圖6所示。

圖6　電機編碼基本功能測試驗證

3 結論

本文設計的第一視覺5G智能機器人融合全向移動控制、自動追蹤、目標管理等系統(tǒng)，經(jīng)過功能驗證，能解決模擬測試環(huán)境下的排障處理，實現(xiàn)精準性、穩(wěn)定性的設計預期，滿足在危房、危橋、爆炸區(qū)等場景下，代替搜救人員或排障人員進行搶救作業(yè)，同時滿足救援管理人員實現(xiàn)遠程控制救援的需求。

[1] 張琦.移動機器人的路徑規(guī)劃與定位技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2014.

[2] 胡曉達.基于PLC的輪式移動機器人系統(tǒng)設計[J].技術與市場,2018,25(1):142.

[3] 陳龍,輔助視覺中的圖像處理關鍵技術研究[D].西安:西安電子科技大學,2013.

[4] 龔瑋,梁福學.5G技術的發(fā)展與應用[J].計算機產(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，中學一級，工學學士學位，主要研究方向：中小學人工智能科普教育，中小學信息技術與學科融合。E-mail: mingo.x@qq.com

廣州市荔灣區(qū)科技計劃項目（201804038）