智能安防与家庭服务机器人的设计与实现

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【摘要】: 家庭服务机器人和家居智能安防系统都具有良好的发展前景。利用家庭服务机器人的机动性和自律能力来实现家居智能安防功能, 不但能够替代家居智能安防系统有效地实现防盗监测和电及煤气安全检等安防功能, 而且也能够替代人完成清洁卫生、家电控制、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒等家庭服务工作。本文介绍了具有家居智能安防功能的家庭服务机器人的设计与实现。实际检测结果表明,家庭服务机器人比现有的家居智能安防系统功能更加丰富、更加灵活、更加可靠。 【关 键 词】: 智能机器人, 家庭服务, 家居智能安防, 设计与实现 【中图分类号】: TP242.6 【正文】

1 引言

随着智能机器人技术的迅速发展, 智能机器人的应用领域正在不断地扩大。并且, 随着人们生活质量的日益提高, 智能机器人已经开始进入了家庭服务行业。由智能型家庭服务机器人代替人来完成清洁卫生、物品搬运、家电控制、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、电话接听等各种家务劳动, 不仅是一项极具应用前景的高新技术行业, 而且也是智能机器人目前研究的一个重要热点。另一方面, 世界各国的老龄化问题也更进一步地加剧了对智能型家庭服务机器人的需求。例如, 目前在加拿大已有3, 800,000 以上人的年龄超过65 岁, 在德国超过82, 000,000 人的年龄在60 岁以上, 分别占该国人口的12.43%和22%, 而且近年来还有加重趋势。在中国专家预言到2010 年中国独生子女和老龄化问题将更加严重。因此, 家庭服务机器人将在许多以老弱、病残、独子为主的家庭中占据一席之地。此外, 以防盗监测和电及煤气安全检查为主要内容的家居智能安防系统在我国发展迅速, 近几年的增长速度达到15%-20%, 家居智能安防业已经形成了一个巨大的市场。为此,将家庭服务机器人与家居智能安防系统结合在一起, 利用家庭服务机器人的机动性和自律能力来实现家居智能安防系统的功能, 以便更有效地完成家庭服务和家居安防。

2 家庭服务机器人设计

家庭服务机器人依靠底部的三个轮子在室内自主地移动, 在它的内部安装有智能安防系统, 再结合家庭服务机器人外部的电子门禁、电子窗栅、红外线传感器、烟雾传感器等就可以很好地实行智能安防, 并且还可以将室内检测到的信息通过无线网卡和手机短信模块与在外的主人联系。此外, 家庭服务机器人也可以代替人有效地完成清洁卫生、家电控制、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒等服务工作, 为主人提供一个更加舒适和安全的生活环境。家庭服务机器人原理如图1 所示。

2.2 家庭服务机器人数学模型

2.2.1 同轴两独立驱动轮约束方程

为了便于构造家庭服务机器人的运动学和规划控制其位姿, 用如下方法建立它的坐标系。O- XYZ 为家庭服务机器人工作场所的固定参考坐标系, 为机器人固连的坐标系, R 是固连坐标系的原点, 该点于右驱动轮中心重合,

与驱动轮

同心, 指向左轮, X 与XR 间的夹角θ表示机器人的姿态, 故机器人的位姿为

。在O- XYZ 中, 左轮的投影为

, 右轮的投影为

。为

简单起见, 把同轴的两个独立驱动轮简化为图2 所示, 并假设机器人在水平面上运动, 车轮只旋转不打滑, 轮与地接触点间的速度为零。因此, 可以分别求出机器人的角速约束方程。假定机器人在任意一初始位置, 经过时间t 后, 转过θ角到达另一位置, 如图2 和3 所示。在单位时间内左轮比右轮多转过的曲线位移为:

心移动, 原点的轮子角速度

式(1)可得另一个非原点轮角速度方程:

(1)

已知, 在单位时间内转过θ角度,则通过

按式(1)所建立的运动学, 机器人的运动方式只有直线和转弯两种。如果以右轮为圆

(2)

对于直线运动而言, θ=0, 即两轮同速转动。q 的值应该加以限制, 因为当θ过大( 接近-

) 时将使

过大, 在向心力作用下, 家庭服务机器人易产生运动位

置误差, 严重时会造成翻车。依分析得:

(3)

式中L 代表机器人两独立驱动轮间的长度( 轮距) , r 是轮子半径, 、表示机

器人左轮、右轮的角速度, θ为家庭服务机器人经过时间t 转过的角度, g 表示重力加速度, f 是轮与地面的摩擦系数, R 为转弯半径。

2.2.2 家庭服务机器人运动学

当两驱动轮的角速度已知时, 左、右轮的角速度分别为函数。由此可以求出家庭服务机器人的正向运动学:

、

, 转弯半径也是t 的

(4)

式中是家庭服务机器人的初始姿态, 以逆时针为正。当要求家

庭服务机器人按确定轨迹运动, 即x(t)、y(t)、θ(t)已知时, 则驱动轮的运动规律可以根据下式求出, 并且左、右驱动轮的运动规律将 是唯一的, 由此可以求出机器人的逆运动学:

3 家居智能安防功能设计

当发生触发事件时, 触发信号从触发器发出经过编码器编码后以二进制数据形式送至计算机端口, 计算机通过程序获取事件编码并进行分析和识别, 进而根据程序设定启动相应的报警动作, 并在日志表中记录触发事件的时间、名称和触警动作以备查用。我们选定Windows 2000 作为机器人智能安防软件的开发平台, 用VC++ 6.0 作为应用层开发工具。为了让智能安防软件及时地响应报警信号、安全地传输数据, 在开发智能安防软件时必须解决如下关键问题, 以达到智能安防所需要的实时性要求。

3.1 串口通信参数设置

智能安防软件使用串口通信设置函数CcommSettingDlg()设置使用的串口号、数据位、校验位等, 并将设置保存在注册表中“我的电脑

/HKEY_CURRENT_USER/Software/Alert/PortSetting/”键下。其主要实现方

法和代码如下:

( 1) 加入全局函数GetSetting 和SaveSetting 完成 注册表设置读写工作:

GetSetting (Cstring key, Cstring ValueName);

Void SaveSetting(Cstring key, Cstring ValueName,Cstring value);

( 2) 加入对IDOK 控件的BN_CLICKED 消息响应函数OnOK, 将串口通信设置写入注册表中。

3.2 实时监控

为了及时地获取布防触发器的报警信号, 程序需要打开一个定时器, 时间间隔通常设置在几十毫秒和几秒之间。如果太短, 计算机响应不过来, 太长则会影响事件的实时捕捉。我们使用SetTimer( )函数来定义时间间隔, 然后用OnTimer 函数响应定时器的WM_TIMER 消息, 该函数需要完成如下监控布防设置: ( 1) 读取布防参数中设置为可用的端口, 获得发生的触发事件编码, 进行编码识别。然后向触警参数中设置的端口发送相应的触警动作编码。该任务由SpyOn 完成, 首先检测各并行口输入, 若有触发事件,则调用ProcessLook 处理触发事件。SpyOn 主要代码如下:

GetPortVal (lptPortArray[i], &portVal, 1); ProcessLook ((BYTE) portVal, FALSE);

表进行更新。该任务由UpdateLog 完成。如果日志数目有变化, 则更新。然后显示更新后的记录。UpdateLog主要代码如下:

CAlertApp* pApp = (CAlertApp*)::AfxGetApp( ); m_pRsLog→Open (m_bstrSQL,(IDispatch*)pApp→

m_pConnection, adOpenStatic, adLockOptimistic, adCmdText); If (m_cntLog! = m_pRsLog→RecordCount)

{m_cntLog = m_pRsLog→RecordCount;ShowLog( ); } 3.3 实时报警

一旦室内发生触警情况, 家庭服务机器人的报警主要分为两部分: a) 家庭服务机器人所安装的报警器将发出刺耳的报警音, 吓退入侵者; b) 家庭服务机器人会用串口连接GSM手机给在外的主人发送短消息,报告室内发生异常情况, 而家庭服务机器人顶部的摄像头也会拍摄室内的实时图片存入自带的存储器中。当在外的主人收到报警的短消息后, 可以通过互联网和家庭服务机器人联系, 将存入自带存储器中的实时图片发送给主人, 具体流程如下:

( 1) 串口连接手机短信模块和在外的主人联系,这是一个基于GSM短消息方式的GPS 系统;

( 2) 智能安防软件调用AVER_CaptureSequence( )函数使家庭服务机器人的摄像头工作, 拍摄室内图片, 并保存到机器人自带的存储器中;

( 3) 用户收到家庭服务机器人的报警短信后, 可以直接报警, 或者通过Internet 访问带有无线网卡的家庭服务机器人, 以期得到更详细的确认信息。家庭服务机器人收到外部的请求后, 通过CclientSocket 类的OnSend( )函数将存储器中保存的图片发送到用户所使用的电脑。通过以上两种方法, 家庭服务机器人一方面可以及时地发出报警信号, 吓退入侵者。另一方面用户也可以通过机器人发出的报警图片确认室内的具体情

况, 以采取适当的措施, 并有效地防止错报、误报。

4 家庭服务功能设计

除了上述智能安防功能, 家庭服务功能也有重要的应用前景。目前, 人们的工作压力

和时间持续地增加, 对老人和小孩的照顾将变成一个十分迫切的问题, 而家庭服务机器人所提供的服务功能则能很好地缓解以上情况。家庭服务机器人所提供的服务主要有家庭娱乐、医疗保健、儿童教育、报时催醒等功能。图4(a)为家庭服务模块的运行主界面。图4(b)所示病况监视模块中告诉专家病情和专家询问病情两个子模块能够根据病人的一些特征结合疾病知识库来做出正确的判断, 并且给出相应的建议和应对措施。而对于疾病知识库维护模块则可以提供在线更新, 以确保疾病知识库的全面, 能够为用户提供更加准确、完全的诊断。这样用户可以足不出户就能够了解自身的健康情况, 从而能够更加快速地采取正确的应对措施。图4(c)是儿童教育模块。小孩放学后只需打开家庭服务机器人, 就可以在此模块中进行打字练习、学习单词、朗读课文等多方面的学习。一方面将小孩从枯燥的课本学习中解脱出来, 另一方面, 也可以让父母安心地工作, 缓解教育小孩时间安排上的冲突。图5(d)所示游戏模块是为了调节人们在工作和学习上的压力而设计的, 人们可以在工作和学习之余, 进行适当的休息, 缓解繁忙的工作、学习所带来的压力。综上所述, 家庭服务的各个功能模块都是为缓解现代家庭所面临的各种问题而设计的, 通过这些功能模块, 家庭服务机器人就能够为人们提供各种工作和生活方面的帮助, 为人们提供更加安全和舒适的生活环境。

5 试验结果

图5(a)是家庭服务机器人样机, 其外壳上装有无线CCD 摄像头、超声波传感器、红外线传感器、光电编码器, 它们用于机器人在室内自主导航和无碰撞移动。家庭服务机器人内部装有智能安防软件, 在机壳上装上火焰探头、可燃气体探头等执行安防功能。CCD摄像机可以拍摄室内的异常情况及时地反馈给主人。图(b)为串口通信参数设置界面, 以便选择所要用的串口号、设置最大传输速率、传输过程中的数据位、停止位等具体信息, 并将最终设置保存在注册表中。图(c)为安防主界面, 可以看到主要安防功能和近期所发生的触发事件。图(d)是安防数据库连接界面, 主人可以随时地检查某天所发生的具体安防事件。

（图5 家庭服务机器人与智能安防软件界面）

6 结束语

将传统的智能安防系统与现代的家庭服务机器人结合在一起, 从而产生了一种全新的具有智能安防功能的家庭服务机器人。利用家庭服务机器人的机动性和自律能力, 使智能安防能够在运动中实现, 克服了传统的智能安防系统范围固定、功能有限等缺点。同时加上清洁卫生、物品搬运、家电控制、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、电话接听等功能, 从而使家庭服务机器人能够提供更加丰富和完善的功能。实际检测结果表明, 家庭服务机器人比现有的智能安防系统更加灵活、可靠,功能更加完善, 能够为人们提供更加舒适和安全的家庭生活环境。