1、 全 國 大 學 生 嵌 入 式 物 聯 網 設 計 大 賽 “博創杯”全國大學生嵌入式物聯網設計大賽作品設計報告小區安防監控機器人residential security robot設計報告組別：工程碩士組 本科組 高職組 參選獎項： 標準賽項 恩智浦專項 風河專項 摘 要當前，許多生活小區的治安巡邏任務由物業保安人員負責完成，巡邏任務靠人工實施往往會造成管理困難，薪酬糾紛不斷等問題，而保安人員很多時間疲于空轉，抓不住實質性的防控重點。為了有效協助保安人員完成常規性的巡邏任務，及時了解防控區內的治安狀況，準確實時的鎖定關鍵防控部位，同時也為了協助物業部門解決勞動力成本過高，有效安排、管理保安

2、人員等問題，本文開發了一種能夠代替保安人員在小區內規定的路線上完成巡邏，監測任務的小區安防監控機器人。小區安防機器人主要由行走機構、傳感器系統、控制決策系統組成。其中行走機構是機器人的重要組成部分，良好的行走機構控制方法是機器人順利完成任務的重要保證；傳感器系統由電子羅盤、光電傳感器、灰度傳感器組成，對多種傳感器信息進行融合后，對運動狀態做出合理的決策，并反饋給控制系統；控制系統是小區安防機器人的核心系統，指揮傳感器系統和控制系統協同工作，通過分析獲取到的信息，得出合理的方案，能夠使用小區安防機器人進行自主躲避障礙物、沿黑線自主行走，并實時將采集到的圖像反饋控制界面。本系統對小區安防機器人的行

3、走機構、傳感器系統和控制系統進行了設計與實現，科學的分析小區安防機器人工作的環境和需要完成的功能，合理設計、組裝該機器人的硬件結構，開發平臺由博創的cotex-a8組成，執行對機器人的運動控制和圖像監控以及工作狀態監控；利用2個51單片機控制輪式運動機構的運動；人機交互程序的編程語言是qt開發語言，界面設計人性化、合理化；步進電機控制程序的編程語言是ceil51，通信方式由wifi和串口完成。小區安防機器人的創新點在于該系統的智能性，首先通過機器學習，使安防機器人對小區的工作環境進行熟悉、了解，在工作模式中，機器人會自主的選擇運動路徑，對路徑的規劃，在交叉路口進行科學的決策。關鍵詞： 機器人行

4、走機構,傳感器系統,控制系統,步進電機,機器學習abstractat present, the security patrol is responsible for the property security of living area, artificial patrol work often causes management difficulty, long time work of patrol in the living area often cause security staff tired, a number of security issues are omitted.in

5、 order to complete the patrol of living area in time and effective, reducing the word of the security staff, using residential security patrol robot to completed residential surveillance work,instead of security personnel.residential security robot includes three main systems,such as sensor system,

6、control and decision system. the walking mechanism is an important part of robot, controled by control system to complete the task of the robot,the sensor system collects the information of all kinds of sensors,such as electronic compass, gray sensor.basing on the information of the sensor system,th

7、e control part can make reasonable decision on the motion state. such as avoiding obstacle in the moving state, walking along the black line, monitoring the image of the living area.we designed and realized the walking mechanism and sensor system and control system ,the contol system is the main par

8、t of the robot basing on the scientific analysing on the work environment and the function of the robot, development platform of the robot is composed of cotex-a8 of bo chong composition, controling the motion of robot motion control and displaying video captured by camera, using 2 ceil51 to control

9、 dc motor. the ui of the interactive programming use qt language to complete, the program of ceil51 is developed by c language, and other wise the communication of the each part is accomplished by wifi and serial port.thi innovation of the residential security robot is the intelligence of the system

10、, through the robot learning on the work area. the robot can collect some impotant information of the working area, in the work mode, the robot will choose the path independently, planning the path to move.key words: robot walking mechanism sensor system controling system dc motor robot learning摘 要2

11、abstract3第一章 緒 論61.1 課題來源61.2 課題研究背景61.3 客戶需求7第二章 系統方案83.1 可行性分析83.1.1 經濟可行性83.1.2 技術可行性83.2 系統設計方案9第三章 總體設計113.1硬件體系結構113.1.1控制臺113.1.2安防監控機器人123.2軟件體系結構153.2.1 功能模塊153.2.2 綜合運算模塊163.2.3 決策模塊17第四章 概要設計204.1通信模塊204.1.1硬件結構204.1.2 網絡通信204.2圖像監控224.2.1 圖像采集設備224.2.2 圖像傳輸234.3傳感器融合模塊234.3.1巡跡行走234.3.2位

12、置定位244.3.3超聲避障26第五章 詳細設計與實現275.1 ui界面275.1.1 界面設計275.1.2 實現與效果295.2學習模式325.3工作模式35第六章 系統測試386.1網絡通信測試用例386.2傳感器測試用例396.3學習功能測試用例406.3工作功能測試用例416.5 bug的處理解決方案42第七章 結論特色46附錄47參考文獻48第一章 緒 論1.1 課題來源隨著科學的發展，智能化家居小區進行人們的生活，給人們的生活帶來了便捷與安全，當前，許多生活小區的治安巡邏任務由物業保安人員負責完成，巡邏任務靠人工實施往往會造成管理困難，薪酬糾紛不斷等問題，而保安人員很多時間疲于

13、空轉，抓不住實質性的防控重點。為了有效協助保安人員完成常規性的巡邏任務，及時了解防控區內的治安狀況，準確實時的鎖定關鍵防控部位，同時也為了協助物業部門解決勞動力成本過高，有效安排、管理保安人員等問題，本文開發的小區安防機器人能夠代替保安人員對小區進行安全巡邏，發現潛在的安全隱患，安防機器人能夠代替保安人員在小區內規定的路線上完成巡邏，監測小區周邊環境，并實時采集圖像傳遞給監控人員，使得監控人員足不出戶就可以對小區周邊的環境了如指掌，高效的完成對小區環境的巡邏任務。1.2 課題研究背景目前視頻檢測機器人在國有了長足的發展，通過無線進行圖像傳輸，從而完成視頻監測的功能。對于安防小區的安防機器人這一

14、領域，剛剛起步，機器人利用機器人攜帶的攝像裝置，實現小區內及周邊環境的異常情況的檢測與巡視，將檢測到的數據和圖像信息經過無線傳輸系統發送到監控室；通過監控室監控設備接收、顯示發回的數據和圖像資料。小區安防機器人涉及的重要的關鍵技術如下所列：1、視覺檢查：視覺檢查是應用最為廣泛的監控方法，采用高分別率ccd攝像機攝取目標圖像，實時傳輸給監控人員，可以根據圖像確定是否存在異常或利用計算機圖像處理和人工復查相結合的方法判斷是否存在異常的情況。實現這一過程的難點在于巡線機器人如何自主控制攜帶的攝像設備，捕捉特定興趣目標，獲取多視角、高清晰度目標圖像。2、位置定位：實時確定巡線機器人在作業環境中所處的位

15、置及故障點的位置，是巡線過程的又一重要任務。準確標識線路故障點的位置對于設備的檢修、維護至關重要。可以采用里程計進行定位，也可以借助于gps進行定位。在視頻檢測和位置定位這兩方面國內外已經有了長足的發展，技術基本成熟，有成功的應用案例，對本項目提供了技術的支撐。1.3 客戶需求 通過對小區安防監控機器人工作環境的分析和小區保安人員的工作進行科學的分析，對客戶的需求進行梳理，歸納如下：一、用戶對“小區安防監控機器人”的客戶需求：1、在小區內進行巡邏工作時，機器人能夠從保安室出來，自主行走，進行路徑規劃。2、機器人在小區內進行巡邏工作時，實時拍攝圖像并傳輸給監控臺，在視頻監控界面進行顯示，及時反饋

16、給保安人員。3、機器人當發現自身的電位不足時，自主返回保安室，進行自主充電。4、當機器人偏離運動軌道時，監控人員可以指揮機器人進行被動運動，回歸到正常的軌道。二、完成用于人機交互的“控制臺”的客戶需求：產品要求：1、操作界面友好；2、能夠向機器人發送運動指令；3、能夠向機器人發送“圖像接收”指令；三、產品開發文檔1、要求文檔規范。2、開發流程科學、嚴謹、詳細。3、責任到人，模塊分工明確。四、產品質量：1、產品操作方法簡單。2、產品穩定性要高、速度要快。第二章 系統方案3.1 可行性分析3.1.1 經濟可行性小區安防監控機器人，是安防監控領域的新寵，代替保安人員對小區進行巡邏，不僅節省人力、物力

17、的開支，還能夠提高小區安防巡邏工作的質量，克服由于保安人員長時間工作的而造成的工作懈怠，遺漏食角的問題。本文開發設計的小區安防監控機器人具有很強的社會應用價值，主要應用領域為現在智能安居小區、廠礦企業、企事業單位的安防巡邏領域。安防巡邏機器人可以自主的在小區內沿線行走，多方位實時采集小區周邊環境圖像并傳輸給監控臺，監控人員可以足不出戶就能對小區內的環境一覽無余。本產品的創新點在于將學習功能賦予機器人，使其具有智能性。在學習模式下，對路況進行熟悉，對路徑進行規劃，從而達到自主識別路徑，自主下達命令，使小區安防機器人實現自主工作。在工作模式下，機器人可以自主進行避障和定位，獨立完成對小區的安防巡邏

18、工作。當小區安防機器人出現脫離軌道時可以進行遠程控制，使其回歸正常軌道，從而達到了雙重保障。3.1.2 技術可行性小區安防監控機器人應用到的技術問題主要包括傳感器信息融合、視頻監控、位置定位技術等。在以上方面，我們程序了一定的開發經驗，參加了多類嵌入式方面的競賽，程序了一定的經驗。2011年，參加“蘇大杯”第四屆江蘇省大學生機器人大賽家用吸塵比賽，在這次競賽中，我們利用傳感器信息的融合技術，對機器人進行路徑規劃，從中，我們積累了傳感器系統設計的經驗。2012年，參加“博創杯”第八屆全國大學生嵌入式物聯網設計大賽，在這次大賽中我們自主研發了家用吸塵機器人的行走機構控制系統，在這次競賽中，我們在控

19、制機器人的運動方面，積累了豐富的經驗。在圖像監控、位置定位等方面，國內外也有一定的應用研究，為本項目的開發、設計提供了強有力的科學依據，有了以上的基礎，開發、設計小區安防監控機器人技術上是可以的。3.2 系統設計方案我們根據“小區安防監控機器人”的功能需求以及應用的場地，我們設計了以下二套方案。方案一：硬件設計與實現：“小區安防監控機器人”行走機構： 履帶式行走機構； 控制設備：up-magic6410； 攝像頭：cmos攝像頭； 傳感器：紅外測試、電子羅盤，灰度傳感器、光電傳感器 控制臺：pc機軟件設計與實現開發語言：vc+6.0； 圖像處理技術：圖像二值化、軌跡映射方案二：硬件設計與實現：

20、“電力電纜故障監測機器人”行走機構：輪式行走機構； 操控器：up-magic6410+2ceil51； 攝像頭：usb攝像頭； 傳感器：超聲傳感器、電子羅盤，灰度傳感器、光電傳感器 控制臺：cortextm-a8軟件設計與實現 開發語言：qt4.7.0； 圖像處理技術：圖像二值化、軌跡映射經過充分的論證，我們選擇了技術方案二，小區安防機器人的信息主要包括兩類，一是圖像信息，二是位置信息和運動指令。監控于機器人是戶外工作，與監控臺之間的通信是通過無線網絡，處理信息量大，原因方案二，理由是：1、cortextm-a8外擴b-link無線網卡；2、機器人的控制設備由up-magic6410和2塊ce

21、il51，原因是機器人在工作狀態下處理的信息量大，位置信息和運動指令可能不能丟失的原因，三個硬件設備分工協作。3、qt專業開發ui界面，具有良好的跨平臺性并且設計的界面美觀、精制。第三章 總體設計小區安防機器人總體功能主要包括機器學習和機器工作兩種模式，本產品是安防監控領域的新寵，代替保安人員對小區進行巡邏。本產品的創新點在于將學習功能賦予機器人，使其具有智能性。在學習模式下，對路況進行熟悉，對路徑進行規劃，從而達到自主識別路徑，自主下達命令，使小區安防機器人實現自主工作。在工作模式下，機器人可以自主進行避障和定位，獨立完成對小區的安防巡邏工作。當小區安防機器人出現脫離軌道時可以進行遠程控制，

22、使其回歸正常軌道，從而達到了雙重保障。3.1硬件體系結構3.1.1控制臺北京博創興業科技有限公司開發的up-cup210 型開發平臺，cpu采用cortextm-a8 core， up-cup210 采用基于samsung 公司最新的s5pv210 嵌式微處理器。s5pv210 是一款16/32 的risc 微處理器，具有低成本、低功耗、高性能等優良品質，適用于移動電話和廣泛的應用開發。s5pv210 也包含了許多強大的硬件，用于提高任務運行的速度，例如動態視頻處理，音頻處理，2d 圖形，顯示和縮放等。集s5pv210 具有良好的外部存儲器結構。這種優化的結構能夠在高端的通信服務中維持很高的內

23、存寬帶。存儲系統擁有兩個外部存儲器接口、dram 和flash/rom。up-cup210 型教學科研平臺集成了usb、sd、lcd、camera 等常用設備接口，適用于各種手持設備、消費電子和工業控制設備等產品的開發。up-cup210 型平臺可以作為計算機、電子通訊、軟件開發等專業開設嵌入式軟件課程的教學平臺，又可作為廣大從事pda 和科研單位的參考設計平臺。硬件的選擇以滿足以下功能需要為依據：1、機器人與控制臺進行無線wifi通信，需要無線wifi模塊的支持， up-cup210 型開發平臺，運動usb-wifi。2、對機器人的運動控制是通過指令輸入、發送等操作完成，與之相關的人機交互程

24、序要顯示在lcd屏上，另外圖像控制的指令發布、圖像顯示等交互程序要顯示lcd屏上，配有7lcd觸摸屏，并且固定在底板上。3、程序開發過程中，程序燒寫、與開發板的通信是通過nfs文件系統實現的，硬件配置如圖3-1所示。圖3-1 cortextm-a8硬件配置3.1.2安防監控機器人“安防監控機器人”的運動控制機構由兩塊ceil51擔當，分別命名為c51和s51。其中c51指揮控制步進電機轉動， s51對傳感器采集的信息進行融合，為綜合運算單元傳遞重要的信息。up-magic6410（以下簡稱6410）與c51和s51之間以及c51和s51之間都是通過串口通信的，安防監控機器人與控制臺的通信是通過

25、無線網絡進行的，包括圖像信息和命令信息以及狀態信息等。硬件結構圖如圖4-2所示。 圖3-2 “安防小區監控機器人”硬件結構圖“安防監控機器人”按照硬件結構共分為三個層，上位機和下位機和硬件設備層三部分構成，軟、硬件件關系模塊圖如圖4-4所示。上位機運動位置監控視頻監控機器學習/機器工作下位機網絡傳輸視頻傳輸路徑決策坐標定位視頻采集串口通信v4l2s51c51光電傳感器步進電機攝像頭電子羅盤灰度傳感器硬件層圖3-3 “安防小區監控機器人”模塊關系圖3.2軟件體系結構3.2.1 功能模塊安防機器人在真正投入工作前需要人工協助對指定的生活小區道路環境進行學習，學習過程中機器人按照人工指示自動把小區路

26、徑信息，方位信息，自身坐標系統信息以及需要重點巡邏的關鍵部位信息記憶下來，這些信息將作為機器人脫離人工指揮，獨立完成工作（巡邏）時的重要參考信息，學習過程事實上是機器人熟悉自己的工作環境的過程。 安防機器人對小區環境信息進行學習后，即可脫離人工干預，獨立進行工作（巡邏），在工作過程中，安防機器人依據學習過程中記憶的路徑信息自動沿著規定道路巡邏，并同時完成以下任務： 1 通過攝像頭獲取周圍環境的視頻數據，并通過無線網絡傳送到保安室監控大屏顯示。 2 通過超聲波傳感器實時監測道路路面障礙信息，監測到障礙后自動避障。 3 通過羅盤實時測量自己的運行方向。 4 通過光電傳感器實時測量自己的運行速度和計

27、算運行里程。 5 依據運動參數（方向和運行里程）計算自己當前在小區中的坐標。 6 依據坐標信息，向保安人員匯報自己當前在小區中所處的位置，并顯示在監控大屏上。 7 接受保安人員遠程緊急通知，并按照通知完成規定的動作。 8 自動檢測電量，當自身電量不足時，向保安室發出通知，并自主返回充電塢充電。 圖3-4安防監控機器人整體結構圖環境監測單元及驅動控制單元分別由兩片8051系列單片機完成。綜合運算單元由6410系列arm開發板為核心部件，監控單元由博創up-cup210開發板構成。環境監測單元主要負責檢測機器人行走過程中路徑、障礙、方位等信息，在本設計中稱為s-51，外接超聲波測距、電子羅盤等傳感

28、器，獲取到的環境信息經8051串口送入綜合運算單元。驅動控制單元主要依據綜合運算單元送來的決策數據完成對機器人行走電機，攝像頭旋轉舵機，充電起落架等動力單元的控制和調節，在本設計中稱為c-51。3.2.2 綜合運算模塊綜合運算單元作為機器人的控制中樞，是安防監控機器人的核心模塊，是機器人的中樞控制機構，主要具有以下功能：1、環境信息數據融合2、控制決策3、視頻捕獲4、遠程通信綜合運算單元功能模塊之間相互協同，進行工作，對傳感器采集的信息進行融合，經過科學、嚴密的分析作做出科學的決策，如圖4-2所示，環境信息數據融合模塊的輸入、輸出數據流圖，其中視頻流由單獨的線程進行處理，將視頻流分解為視頻信息

29、和視頻數據兩部分，視頻信息包括視頻格式信息和視頻大小信息，決策模塊將據此開辟合適的網絡通道傳送到監控單元。圖3-5 綜合運算單元模塊關系圖3.2.3 決策模塊決策模塊將遠程控制模式處理為所有三種運行模式中優先級最高的一種，這是由于機器人在運行過程中受各種因素的干擾如突發性的天氣變化、道路施工等有可能會出現某些無法預知的或自身無法糾正的錯誤動作，為了防止在無法預知的情況下機器人意外造成損傷或者是能迅速恢復正常運行，決策模塊會絕對優先處理來自遠程監控平臺的控制指令。學習模式是機器人熟悉自身工作環境的一個重要功能，從推廣應用的角度講，這一功能也是非常必要的，因為不同的生活小區其路徑信息，環境狀況都是

30、不同的。機器人被安排在陌生的小區環境中執行巡邏任務，如果無法學習環境信息那么將會使機器人的使用意義大打折扣。本項目中，機器人的學習功能的實現是通過模仿生物遠徙時會在沿途留下信息素，然后依靠搜索信息素正確找到目的地的功能進行設計的。一旦進入學習模式，決策模塊將在記憶系統中開辟相應的存儲空間，并根據環境信息融合單元提供的坐標方位、位移量等信息，在存儲空間中“留下痕跡”。對一些關鍵部位，機器人將根據人工指示，除了留下痕跡外，還另外留下特殊的標志，決策模塊涉及的具體功能子模塊關系如下圖4-3所示：圖3-6 綜合運算單元模塊關系圖上圖描述了綜合運算單元中的決策模塊與其它功能單元的銜接關系， 由于在本設計

31、中，機器人共有三種運行模式即遠程控制模式、學習模式和工作模式，在不同的運行模式下決策模塊將有不同的決策算法，對不同的決策算法其輸入輸出數據流也互有差異。上圖綜合了三種運行模式下的輸入輸出數據流，并沒有嚴格區分各種運行模式及其對應的輸入輸出。第四章 概要設計4.1通信模塊4.1.1硬件結構監控單元的硬件平臺采用contex_a8開發板（簡稱a8），安防監控機器人的硬件平臺是由c51和s51兩塊51單片機和up-magic6410開發板（簡稱6410）組合而成。各個硬件平臺之間的通信方式包括無線通信和串口通信。contex_a8與up-magic6410之間通過無線wifi通信；c51和s51之間

32、以及51單片機與6410開發板之間的通信是串口通信。通信模塊處理的主要信息包括圖像信息、命令信息和位置信息。硬件結構圖如圖4-1所示。contex_a8為開發平臺的監控單元6410開發板s51 c51串口1wifi串口2wifitrtr傳感器執行機構 圖4-1 通信模塊硬件結構圖4.1.2 網絡通信監控臺與機器人之間的網絡信息有三類，圖像信息，位置狀態信息和指令信息；鑒于信息的特征和網絡的特點，采用udp通信，分別開啟2個udpsocket，分別用于傳輸圖像信息和位置指令信息，采用多線程的方式。雙戶雙擊監控平臺的“startimage”按鈕后，監控平臺向8888端口發送廣播包，只有6410開發

33、板收到廣播包后，回發“ok”信息，此時監控平臺與6410建立網絡連接，用于圖像的傳輸。下層的6410將攝像頭拍攝的圖像，采用科學的分包機制，分包發送圖像信息給監控平臺，當監控平臺收到數據包后，對數據包進行組包，并顯示相應的圖像。在監控平臺雙擊“learnmode”，監控臺向9888端口發送廣播包，信息包含“learnmode”，下層的6410收到廣播包后，回發“ok”信息，當監控臺收到信息后，就可以向機器人發送運動指令了。向處于工作模式時，機器人向監控平臺發送x和y坐標信息，將機器人的當前的位置描畫小區的電子地圖上，顯示在lcd顯示屏上。圖4-2為指令信息和位置信息的網絡通信時序圖。 圖4-2

34、運動控制 sequence4.2圖像監控4.2.1 圖像采集設備為了提高圖像的質量，我們采用高清的攝像頭，經過比較我們選取卓為科技（sovic）的鷹眼攝像頭313， 30萬像素 cmos感光芯片，如圖4-3所示，產品參數如表4-1所示。圖4-3 鷹眼攝像頭313表4-1攝像頭313參數項目具體參數圖像傳感器30萬像素 cmos感光芯片最大圖像分辨率640*480鏡片五片全玻璃鏡頭，彩色濾光片ir視場62度幀速率320*240像素，30幀/秒；640*280像素，20幀/秒；1280*960像素，20幀/秒視頻格式24位真彩色，1420/rgb聚焦范圍3cm-無限遠圖像信噪比>72最低照明

35、值5lux亮度、白平衡設置自動、手動輸入接口usb1.1（即插即用）4.2.2 圖像傳輸 圖像傳輸是在上位機的a8開發板和中間層的6410開發板之間進行的，6410首先將數據包分割，鑒于網絡傳輸的能力，以1024kb為分割的單位，向上位機發送，a8收到數據包后，依據數據包的編號進行組包，并將圖像顯示在圖像顯示區域，時序圖如圖4-4所示。圖4-4圖像傳輸sequence4.3傳感器融合模塊4.3.1巡跡行走安防監控機器人可以在小區內沿線行走，本產品中采用的是5路灰度傳感器，如圖4-5所示。bfd-1000 專門設計用作黑（白）線檢測的傳感器，特別適合復雜黑白線、交叉黑白線的檢測，它有6 路高靈敏

36、度的紅外傳感器（5 路巡線、1 路蔽障），能夠對黑白線準確的識別，具有如下功能和特點：1.bfd-1000 集成5 路循跡傳感器，適合復雜黑線（白線）的跟蹤，對于簡單的黑線（白線）尋取更不在話下。2.bfd-1000 有一路蔽障用的紅外傳感器，蔽障距離可以通過滑動變阻器調節，方便有蔽障需求的機器人設計。3.bfd-1000 有一個專門設計的觸碰傳感器，使得有這方面的需求機器人設計更加簡便。4.bfd-1000 輸出信號全部都為數字信號，方便與單片機相連。5.bfd-1000 全部傳感器都有led 燈作為指示，方便調試6.bfd-1000 支持電壓為3.0-5.5v 滿足大多數系統需求。 圖4-

37、5 灰度傳感器模塊圖4.3.2位置定位安防監控機器人運動位置信息來源于光電傳感器和電子羅盤，如圖4-6所示。確定機器人的位置，即x,y坐標主要依賴于以下信息：1、來源于光電轉感器的輪子的轉速。2、來源于電子羅盤的角度信息。經過比較，選擇gy26電子羅盤，gy-26 是一款低成本平面數字羅盤模塊。輸入電壓低，功耗小，體積小。其工作原理是通過磁傳感器中兩個相互垂直軸同時感應地球磁場的磁分量，從而得出方位角度，此羅盤以rs232 協議，及iic 協議與其他設備通信。該產品精度高，穩定性高，能夠在任意位置得到準確的方位角，其輸出的波特率是9600bps，數據以詢問方式輸出，具有校準功能和磁偏角補償功能

38、，適應不同的工作環境。 光電傳感器電子羅盤 圖4-6 位置定位傳感器光電傳感器外引三根線，分別為vcc棕色、gnd藍色、信號線黑色（在代碼里初始化時必須把信號位置零）。當有物體遮住時，會把相應信號線連接的管腳置成成低電位，代碼里進行計數，滿足發送條件（目前是任意左右光電個數大于等于2）時發送，并把計數器清空，方便下次重新計數。原本設計為左右輪各裝一個遮擋薄片，后來因精度問題，改為左右輪各安放五個（每72度安裝一個遮擋薄片以提高精度）。光電傳感器工作原理如圖4-7所示。 4-7 光電傳感器原理圖分為發送器、接收器和檢測電路。發送器對準目標發射光束，發射的光束一般來源于半導體光源，發光二極管(le

39、d)、激光二極管及紅外發射二極管。光束不間斷地發射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。此外，光電開關的結構元件中還有發射板和光導纖維。三角反射板是結構牢固的發射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發射角，使光束幾乎是從一根發射線，經過反射后，還是從這根反射線返回。4.3.3超聲避障鑒于機器人工作環境的突發性和不可預測性，有一些突發的情況，需要機器人進行自主躲避障礙物。為了準確的避障，選取的元器件

40、必須測量精準，在30厘米內誤差不得大于5厘米，本產品采用的超聲傳感器如圖4-8所示。圖4-8 超聲傳感器基本工作原理:1. 采用io口trig觸發測距，提供至少10us的高電平信號;2. 模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；3有信號返回，通過io口echo輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340m/s)/2;第五章 詳細設計與實現“小區安防監控機器人”的人機交互界面主要是指監控單元的操作界面，也是使用者的主要操作界面。主要包括開機界面、機器學習界面、位置定位界面和圖像監控界面。5.1 ui界面5.1.1 界面設計“

41、機器學習”界面的界面元素主要包括工作模式切換類按鈕，運動指令類按鈕，以及推桿電機的控制按鈕，如表5-1所示，各個界面元素的布局結構如圖5-1所示。 表5-1 機器學習界面元素按鈕名類型功能learnmodeqpushbutton切換到學習模式并發送工作象限studymodeqpushbutton切換到學習模式scanfqpushbutton搜索熱點connectqpushbutton連接選擇的無線熱點goqpushbutton前進backqpushbutton后退rightqpushbutton右轉leftqpushbutton左轉downqpushbutton控制充電起落架的下降 upqpu

42、shbutton控制充電起落架的上升圖5-1機器學習界面“位置定位”界面主要是用于顯示機器人的運動位置，該界面只有在工作模式下才有效。該界面主要包括小區電子地圖顯示區域和x,y位置信息顯示區域，具體的界面元素如表5-2所示。各個界面元素的整體布局結構如圖5-2所示。表5-2 位置定位界面元素按鈕名類型功能2bitimageqpushbutton二值化小區電子地圖workmodeqpushbutton切換到工作模式infolistqtextbrowserx,y位置信息imagelableqlabel在小區電子地圖顯示機器人的位置信息圖5-2 位置定位界面“圖像監控”界面主要是用于顯示小區安防監控

43、機器人在運動中拍攝到的圖像，該界面在工作模式下才有效，主要的界面元素布局結構如圖5-3所示。圖5-3圖像監控界面5.1.2 實現與效果在界面類mainwindow的構造函數中，實現對界面元素的初始化，實現具體的設計與布局，在設計界面元素的同時綁定相對應的槽函數，用于對鼠標操作的事件的響應，主要的實現代碼如下:mainwindow:mainwindow(qwidget *parent):qdialog(parent) /*學習模式*/ gobutton=new qpushbutton("go");adjustbutton=new qpushbutton("adjus

44、t");initbutton=new qpushbutton("init");downbutton=new qpushbutton("down");upbutton=new qpushbutton("up");leftbutton=new qpushbutton("left");rightbutton=new qpushbutton("right");stopbutton=new qpushbutton("stop");/*工作模式*/infotext = new

45、qtextbrowser();twobitbutton = new qpushbutton(tr("2bitimage");workconnect= new qpushbutton("workmode");gridlayout *movelayout = new qgridlayout(movetab); movelayout->addwidget(movelabel,0,0,5,5);movelayout->addwidget(infotext,0,6,1,2);movelayout->addwidget(twobitbutton,3

46、,6,1,1);movelayout->addwidget(workconnect,4,6,1,1);/*視頻監控*/imageconnect = new qpushbutton("startimage");imageclose = new qpushbutton("stopthread");qgridlayout *imagelayout = new qgridlayout(imagetab); imagelayout->addwidget(imagelabel,0,0,6,4);imagelayout->addwidget(imag

47、econnect,0,7,2,2);imagelayout->addwidget(imageclose,3,7,2,2);mvmonitor= new movemonitor(movelabel,this);學習模式的實現效果如圖5-4，工作模式的實現效果如圖5-5所示，視頻監控模式的實現效果如圖5-6所示。圖5-4 學習模式界面圖5-5 工作模式界面圖5-6 視頻監控界面安防監控機器人在真正投入工作前需要人工協助對指定的生活小區道路環境進行學習，學習過程中機器人按照人的指令，在小區內進行行走，在行走的過程中，自動把小區路徑信息，方位信息，自身坐標信息以及需要重點巡邏的關鍵部位信息記憶下

48、來，這些信息將作為機器人脫離人工指揮，獨立完成工作（巡邏）時的重要參考信息，學習過程事實上是機器人熟悉自己的工作環境的過程。安防監控機器人對小區環境信息進行學習后，即可脫離人工干預，獨立進行工作（巡邏），在工作過程中，安防監控機器人依據學習過程中記憶的路徑信息自動沿著小區的道路進行巡邏，并同時完成以下任務： 1、 通過攝像頭獲取周圍環境的視頻數據，并通過無線網絡傳送到保安室監控大屏顯示。 2、 通過超聲波傳感器實時監測道路路面障礙信息，監測到障礙后自動避障。 3、通過羅盤實時測量自己的運行方向。 4、通過光電傳感器實時測量自己的運行速度和計算運行里程。 5、依據運動參數（方向和運行里程）計算自

49、己當前在小區中的坐標。 6、依據坐標信息，向保安人員匯報自己當前在小區中所處的位置，并顯示在監控大屏上。7、 接受保安人員遠程緊急通知，并按照通知完成規定的動作。 8、 自動檢測電量，當自身電量不足時，向保安室發出通知，并自主返回充電塢充電。5.2學習模式為了使安防機器人可以在任何陌生的小區環境下進行獨立自主的工作，我們設計了學習與工作模式的功能。安防監控機器人通過機器學習，對未知的工作環境進行熟悉，規劃出自主運動的最優路徑，當在工作模式下，機器人則沿著規劃好的路徑進行自主運動。在學習模式下，向機器人發送運動的指令，機器人收到后完成相應的動作，在機器人行走的過程中，不斷的將16位的路徑、狀態信

50、息反饋給上位機，上位機收到這些信息后，交給路徑規劃模塊，采用k最鄰近分類算法，對路徑進行規劃，學習算法的流程圖如圖5-4所示。圖5-4學習模式流程圖學習模式主要包括運動控制部分和狀態位置信息兩部分，代碼實現如下所示：void mainwindow:left()if(stateflag =true) wifi->left(ordersocket,sender,senderport); runtype = 'l' filecommand = 1; void mainwindow:right()if(stateflag =true) wifi->right(orderso

51、cket,sender,senderport); runtype = 'r' filecommand = 1; void mainwindow:stop()wifi->stop(ordersocket,sender,senderport);if(stateflag = true) filecommand = 1; runtype = 's' void mainwindow: inforeceiver()while (infosocket->haspendingdatagrams() datagram.resize(infosocket->pen

52、dingdatagramsize(); infosocket->readdatagram(datagram.data(), datagram.size(), &sender, &senderport); qstring str= qstring(datagram);qstring temp= str+"n"infotext->insertplaintext(temp);if(str0='x')/*learn mode*/actprepot = pxyarray.last();temppot.setx(x);temppot.sety

53、(y); pxyarray.append(temppot);pathsavearray(x,y);if(abs(pxyarray.at(id).x()-refendpoint.x()<=0 && abs(pxyarray.at(id).y()-refendpoint.y()<=0) ordersocket->writedatagram(datafile.data(),datafile.size(),sender,senderport); if(!qts.atend()lineinfo = qts.readline(); readfile(lineinfo); 5.3工作模式當機器人進入工作模式后，用戶通過上位機向機器人發送“開始工作”指令，機器人收到命令后，依據規劃好的最優路徑和當前采集到環境信息，決策當前的運動路線，從而指揮運動機器在小區內自主運動。工作模式的流程圖如