基于移动机器人的智能家居安防系统

山东科技大学电气与自动化工程学院 汪新浩 李翠萍 赵 曜 胡晓涛

基于移动机器人的智能家居安防系统

山东科技大学电气与自动化工程学院 汪新浩 李翠萍 赵 曜 胡晓涛

随着居住环境改变和城市流动人口的急剧增加，社会治安面临严峻考验，传统的人防保安方式难以适应我们的要求，智能安防已成为当前的发展趋势。本项目智能家居安防系统以ARM嵌入式为依托，设计了一台基于A星算法最优路径规划的小型移动机器人，其采用全时四驱驱动的PID控制和电子罗盘对行走路线的实时矫正，可以使行走路径精确。本系统涉及通信技术、自动控制技术、图像处理与传输技术，音视频技术等，具备自主导航、图像处理、人脸识别、语音表达、自主攻击与跟踪目标等功能，可全面构建安全住宅环境，提升家居环境的安全性、智能性。

家居安防系统；移动机器人；最优路径规划；四驱驱动

1 智能家居安防系统的背景

智能机器人作为能分析出现的情况,能调整自己的动作以达到操作者所提出的全部要求,能拟定所希望的动作,并在信息不充分的情况下和环境迅速变化的条件下完成这些动作,被广泛应用到了许多领域。随着居住环境改变和城市流动人口的急剧增加,社会治安面临严峻考验,要保障家居环境的安全,防止偷盗事件的发生,就必须有可靠的安全防范系统,传统的人防保安方式难以适应我们的要求,智能安防已成为当前的发展趋势。

2 智能家居安防系统的设计

2.1 智能家居安防系统设计理念

目前国内外家居防盗系统功能单一、智能化差,对现场突发情况难以做出正确的判断,很难保证家居安全。本项目为了解决此类安防系统存在的问题,大胆尝试了基于ARM嵌入式的自主移动机器人快速定位,兼具语音恐吓、声光报警、图像处理与传输、自主避障与具备一定攻击能力的上位机与下位机结合的设计理念。

2.2 智能家居安防系统的实现方法

2.2.1 最优路径规划

自主移动机器人要实现成功的避障,首先需要一个准确的现实模型。由于房间里家具的摆放位置是静止不变的,避障问题可采用基于模型的规划法。房间里的监控摄像头可以把家居环境分割成以移动机器人横向截面积为单位面积的栅格。将家具摆放位置所能覆盖到的栅格路径代价属性赋值为1,将无障碍物区域所覆盖到的栅格路径代价属性赋值为0。若一个网格内既有安全区域,也有障碍物区域,则将此网格按照障碍物区域赋值。

全局规划中采用可以在较短时间内找到最优方案的A星。A星算法作为一种启发式的图搜索算法,能够较好的满足航迹规划问题中的各种约束条件和要求。A星算法能够在有限的可选状态中确定一个最优解,并在理论上保证全局最优解的收敛性[4]。它的任务就是在具有障碍物的环境中按照行走路线最短的评价标准寻找一条从起始状态到目标状态的无碰路径。

A星算法具体步骤为:

(1)将摄像头拍摄的家居环境地图转化为A星算法所需的栅格地图;

(2)上位机图像处理后确定每个栅格的属性;

(3)将移动机器人位置所在的栅格记为起始格,将被触发的门、窗节点所在的栅格记为终止点;

(4)将起始栅格添加到算法的开启列表中;

(5)重复的采用启发式算法:

1)在开启列表中寻找起始栅格;

2)把它从开启列表中移动到关闭列表中;

3)对每一个相邻的栅格,如果它路径代价为1,即不可通过或者该网格己经在关闭列表中,跳过此网格;反之如下:如果该网格在开启列表不存在,将此网格添加到开启列表中。将当前网格作为这一网格的父节点,记录这个网格的f(n),g(n),h(n)的值。若它在开启列表中己经存在,则用g(n)的值为参考来检查目前所选择的新的路径是否更优。若为更优路径,则将这一网格的父节点移动到当前网格,并重新计算这一网格的g(n)和f(n)值。如果保持开启列表中按f(n)值的大小排序,改变之后可能需要重新对开启列表排序[1]。

4)当终止网格被添加到关闭列表中,这时认为最优路径己经找到,或者没有找到目标网格,但开启列表己经为空,此时路径不存在;

(6)保存路径。从终止格开始,将每一个在封闭列表中相邻的网格的中心用实线连接起来,直到回到起始网格,这样就得到A星算法产生的路径。产生的路径将以一维数组的形式保存(奇数代表行走步数,偶数代表左转右转)。

2.2.2 全时四驱的增量式PID控制

本系统移动机器人采用全时四驱的差速运动方式。可提高车辆在普通路面的抓地力和过弯转向性能。差动轮是齿轮传动机构,具有结构紧凑、体积小、质量小、承载能力大、递功率范围及传动范围大、运行噪声小、效率高及寿命长等优点[2]。四个车轮采用增量式PID控制,可以使四个车轮在行驶过程中保持车速一致,从而使行走路线准确。