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基于多傳感融合技術的自主巡邏智能預警機器人系統(tǒng)的研究與設計

2022-01-26 12:19裴慶慶
關鍵詞:遠程預警機器人

裴慶慶

(鄭州工業(yè)應用技術學院 信息工程學院,河南 新鄭 451100)

隨著電子商務和快遞物流的發(fā)展,物流倉儲空間快速增大,而智能倉儲監(jiān)測技術未能及時普及,造成倉儲事故頻發(fā).物流倉儲環(huán)境中的光照射強度、空氣溫度與濕度、空氣氣壓和泄漏物的濃度等因素是倉儲安全監(jiān)測與安全預防的重要環(huán)境指標.物流倉儲的管理模式分為人工監(jiān)控巡邏管理和工業(yè)設備監(jiān)控管理模式,人工管理模式監(jiān)控效率不高、對物流倉儲空間信息監(jiān)測不夠敏感,工業(yè)設備監(jiān)控存在傳感監(jiān)測采集數(shù)據(jù)單一、監(jiān)測盲區(qū)偏多、警報漏報誤報率偏高、智能程度低和成本較大等缺點[1].

為了解決上述問題,設計了一套24小時自動巡邏、倉儲信息采集與檢測、智能警報和實時遠程監(jiān)控的智能物流倉儲巡邏機器人系統(tǒng).該系統(tǒng)實現(xiàn)了機器人自主路徑巡邏導航、倉儲物流環(huán)境監(jiān)測和倉儲空間實時遠程監(jiān)控等功能,大大提高了物流倉儲的智能化管理水平、危險檢測處理和實時預警能力[2].

1 總體方案設計

倉儲物流智能預警機器人系統(tǒng)總體設計主要包括3個模塊[3]:①環(huán)境監(jiān)測模塊主要通過傳感器實現(xiàn)倉儲環(huán)境各類數(shù)據(jù)的采集,并通過無線網絡將采集數(shù)據(jù)進行融合處理與系統(tǒng)上傳;②機器人自主巡邏導航模塊主要包括電機驅動、加速度傳感器和紅外測距傳感器,為預警機器人提供了動力導航;③遠程監(jiān)控模塊中倉儲管理人員可以通過手機或者PC端登錄數(shù)據(jù)存儲服務器,實時查看倉儲監(jiān)測情況,以及提供預警機器人的遠程遙控等功能.當倉儲物流環(huán)境存在安全隱患時,該系統(tǒng)實時提供預警信號以及GSM遠程通話功能.

倉儲物流智能預警機器人系統(tǒng)的總體結構如圖1所示.

圖1 倉儲物流智能預警機器人系統(tǒng)結構

2 系統(tǒng)軟硬件設計

2.1 自主巡邏導航設計

在物流倉儲閉合空間內,預警機器人自主行動功能主要由巡邏導航模塊來完成.在硬件系統(tǒng)配置上,主微控制器采用STM32F429IG,電機驅動采用L298N芯片,系統(tǒng)8軸動力供給采用MPU6050芯片、障礙物紅外測距監(jiān)測模塊采用E18-D80NK芯片[4].L298N保障了機器人系統(tǒng)的自主運動,紅外測距E18-D80NK能夠實現(xiàn)倉儲環(huán)境的障礙物監(jiān)測,MPU6050實現(xiàn)機器人傳動方向角設置和機器人路徑規(guī)劃.機器人在倉儲中的巡邏導航模塊設計如圖2所示.

圖2 自主巡邏導航系統(tǒng)設計

機器人在室內環(huán)境中的自主巡邏采用了紅外傳感器檢測,可行走區(qū)域的邊界,以左右手法則作為機器人巡邏準則.左手法則設計為:在自主巡邏過程中,當檢測到左側有障礙物(即可行走區(qū)域的邊界)時,機器人以PID算法與邊界保持一定的距離沿著邊界前行,直到轉完1圈為止[5].在機器人前行的過程中,將行經的路程和轉換的方向角不斷進行累加,當路程等于預先設定的室內空地巡邏路徑周長,且機器人方位的轉向角度達到360°時即認為轉完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)境檢測子系統(tǒng)設計

物流倉儲環(huán)境的監(jiān)測硬件模塊主要包括3部分[6]:①火焰?zhèn)鞲衅鱎B-02S022A實現(xiàn)火災數(shù)據(jù)的感知監(jiān)測;②危險品泄露監(jiān)測傳感器MQ2實現(xiàn)危化品檢測;③微控制器STM32F429IG實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的集中處理.系統(tǒng)通訊模塊主要包括GSM語音與藍牙雙模SIM808芯片、WiFi-RTL8188EUS模塊和電控圖像采集+云存儲.倉儲管理人員可以通過機器人車載攝像頭實時調取倉儲環(huán)境監(jiān)測情況.環(huán)境監(jiān)測模塊通過各類傳感器實時的對倉儲環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)測與采集,并通過BP神經網絡算法進行數(shù)據(jù)融合.當融合數(shù)據(jù)接近系統(tǒng)設置的警報值時,智能預警系統(tǒng)自主通過WiFi模塊向遠程監(jiān)測平臺發(fā)出倉儲異常警報信號.若警報信號未及時處理,GMS模塊SIM808還可以自主實現(xiàn)語音信號的傳遞.倉儲環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖4所示.

圖3 機器人自主巡邏算法流程

圖4 環(huán)境監(jiān)測硬件系統(tǒng)設計

2.3 預警機器人遠程監(jiān)控功能設計

預警機器人遠程監(jiān)控功能主要包括機器人控制程序、云存儲程序、PC和手機端監(jiān)控程序.機器人控制程序主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與融合、數(shù)據(jù)上傳、警告發(fā)送和接收遠程終端控制指令等功能,云存儲主要用于接收和存儲機器人融合數(shù)據(jù),為PC和手機端提供遠程數(shù)據(jù)訪問與監(jiān)控功能.機器人遠程工作流程設計如圖5所示.

3 多傳感器信息采集融合設計

自主巡邏預警機器人搭載了環(huán)境監(jiān)測傳感器,通過采集的數(shù)據(jù)參數(shù)來評估倉儲環(huán)境的危險性[7],但機器人不能輕易判斷出環(huán)境參數(shù)的耦合度.當空氣濕度超過50%時,火災自然的發(fā)生概率很低,危險氣體的濃度值上限就提高了.當空氣濕度小于20%時,易燃易爆危險氣體會產生火災甚至爆炸,造成重大災害.本系統(tǒng)設計了一套基于BP神經網絡算法的多傳感器系統(tǒng)融合模型結構(如圖6所示),實現(xiàn)了多源傳感器數(shù)據(jù)采集與融合模型來綜合評估倉儲環(huán)境的危險性.

圖5 遠程監(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)的神經網絡模型采用了空氣相對濕度y1、絕對濕度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.經過BP神經網絡訓練的模型參數(shù)如表1所列[8].

4 實驗及結果分析

為了實現(xiàn)預警機器人系統(tǒng)的測試,在40 m2的室內環(huán)境搭建了倉儲地形和倉儲模擬環(huán)境.室內放置了空氣加濕與除濕設備來實現(xiàn)倉儲環(huán)境的濕度控制,冷暖空調系統(tǒng)來實現(xiàn)環(huán)境的溫度控制.倉儲模擬環(huán)境搭建如圖7所示,其中危險氣體泄漏點設置于A點和B點,泄漏氣體為CO.

表1 訓練后的BP神經網絡參數(shù)

圖7 模擬?;穫}庫實驗環(huán)境

4.1 預警機器人的自主巡邏功能測試

預警機器人通過自主巡邏實現(xiàn)危險品泄露檢測,是倉儲監(jiān)測預警的重要環(huán)節(jié).機器人巡邏測試路線如圖8所示.S1節(jié)點為巡邏過程中執(zhí)行右手運動法則的阻礙物邊界點,即首次自主巡邏第1圈的起始節(jié)點.S2節(jié)點為機器人自主巡邏執(zhí)行左手運動法則的首次發(fā)現(xiàn)阻礙物的巡邏第2圈的起始點.S3節(jié)點為機器人自主巡邏第3圈的節(jié)點.圖8中,預警機器人的自主巡邏功能能夠實現(xiàn)倉儲空間環(huán)境的復雜地形自主巡邏.左手運行法則和右手運行法則實現(xiàn)了機器人不同起始節(jié)點的全方位倉儲環(huán)境的巡邏.

當室內環(huán)境A與B都發(fā)生危險品泄露時,預警機器人都能夠快速實現(xiàn)泄露節(jié)點的巡邏.測試證明,機器人自主巡邏算法是及時有效的.

4.2 智能預警功能測試

倉儲環(huán)境安全預警系統(tǒng)功能測試中,機器人自主采集的20組數(shù)據(jù)進行人工判定,并將預警機器人采集數(shù)據(jù)的融合信息輸出值x(0≤x≤1)作為警告標準.其中規(guī)定:x=0代表絕對安全;x=1代表絕對危險.數(shù)據(jù)越接近于1代表越危險,越接近于0代表越安全.預警系統(tǒng)安全范圍為(0,0.3),黃色預警范圍設置為(0.3,0.7),紅色預警范圍設置為(0.7,1.0).系統(tǒng)安全預警的20組測試數(shù)據(jù)如表2所列.

圖8 預警機器人自主巡邏第1、2和3圈路線圖

5 結論

基于自主巡邏、多傳感環(huán)境信息采集監(jiān)測預警和遠程實時監(jiān)控的智能機器人系統(tǒng)搭載了環(huán)境監(jiān)測傳感器,通過采集的數(shù)據(jù)參數(shù)來評估倉儲環(huán)境的危險性.預警機器人周期性實現(xiàn)倉儲環(huán)境的數(shù)據(jù)采集,并將各類數(shù)據(jù)參數(shù)通過BP神經網絡融合處理,然后將融合數(shù)據(jù)通過網絡上傳到后臺服務器,當觸發(fā)參數(shù)報警閾值時,系統(tǒng)自動遠程報警.該系統(tǒng)大大提高了物流倉儲的智能化管理水平、危險檢測處理和實時預警警報的能力.

表2 20組測試數(shù)據(jù)

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