智能安防机器人控制系统设计分析

李家成,陆桂龙,陈 芹,郝家辉,陶华磊,胡兆鹏

(南通理工学院,江苏 南通 226000)

0 引言

信息化时代到来,一体化机器人随之诞生,在电子信息技术体系加持下,智能机器人的应用更加充分,其优势越来越明显。智能安防机器人在特殊领域的应用可以代替人工进行所有危险性、高频性的工作,包括各项危险性检测、环境全面监控、危险警报提示以及数据的高效采集等。

1 智能安防机器人的核心构成

智能安防机器人备受好评主要是源于功能强大,其自身控制系统的稳定性也十分优越。在实际中,可以应用模块化设计思路,对控制系统进行精准设计,搭建总体设计框架,制定可行的初步规划;针对主要控制系统完成合理化设计,不断提高智能安防机器人的应用水平。

智能安防机器人的核心构成较为复杂,具体包含运动控制子系统、电机驱动器、传感器子系统、具有辅助功能的摄像头控制子系统等。在对子系统进行优化设计的基础上,还要利用机器人平台进行控制系统测试,保证实验测试的有效性;要对测试结果进行全面分析,制定可行性较高的、优质的总结报告。

2 控制系统总体设计

控制系统总体设计中包含的模块较多,除了主控器(核心构件)外,还包括运动控制子系统、摄像头、上位机App等。在设计环节,控制系统总体设计是关键。本文设计的智能安防机器人以STM32F429电机控制器和云服务器为核心,其中,STM32F429电机控制器主要由电机驱动器、直流伺服电机、激光导航传感器构成,云服务器主要包括电脑上位机和手机App终端,系统本身包含噪声传感器、烟雾传感器、超声波传感器、磁导航传感器、地标传感器、温湿度传感器以及触摸屏。系统总体设计,如图1所示。

图1 控制系统总体设计

2.1 主控器设计

主控器是智能安防机器人的主要信息处理设备,属于整个系统的核心构建,可以将其看作具有支配功能的“大脑”,是系统的中枢神经,实时与各项子系统(机器人中的)保持联系,共同完成合作。在主控制器的加持下,将信息进行汇总,并精准处理命令信息;根据具体指令将信息下放到相应的子系统中,确保命令合理完成。

主控器在安防机器人系统中地位特殊,可以实现各子系统的协调运转,使通心和控制功能得以顺利实现,优化智能安防机器人性能。同时,主控器捕捉机器人的运动状态,并进行合理调整,根据具体需求改变机器人的运行轨迹、纠正不良习惯。机器人在完成巡检任务的过程中,为了确保巡检的可靠性,必须搭配多线程分级管理,充分利用搭载无线通信模块和操作系统实现远程通信功能。因此,在智能安防机器人的研发阶段,关键环节是主控器的合理设计及对控制系统的优化,在控制模块基础上追加驱动模块,完善机器人的通信功能。

2.2 运动控制器的设计

运动控制器子系统的地位同样重要,主要功能是根据命令内容判断主控器的速度和真实的运行方向,实现多个姿态的调整(如前进、后退、转向等),确保运动方式的实现。根据设计总方案对运动控制器实施优化。同时,运动控制器具有特殊性,所以必须要考虑囊括多种设计因素,不断提升子系统模块的功能。

2.3 电机驱动器设计

电机驱动器的位置特殊,位于电机控制器核心地带,与永磁同步电机距离较短,作为中间电路,其性能完善、功能强大,可以将控制信号(电机控制器发出的)进行放大,实现智能安防机器人的换向、刹车等功能,是智能安防机器人成功发挥作用的关键。此外,还具有控制逻辑功能,可以精准保护电路。

智能安防机器人之所以运行效率高,就是因为多个电机的相互配合,包括光电编码器、永磁同步电机、永磁同步电机驱动器、编码器,如图2所示。电机驱动器模块以STM32F429电机控制器为核心,PWM驱动模块通过改变脉冲幅度来控制系统电路电压的输出,并通过开关设计来调节电流的传输效率,完成PWM信号输出可以保证和主控制器通信,提高通信的实效性;永磁同步电机驱动器将转子动能转化为电能,实现电压调节、无功率调节和无功负荷分配,是一种高精度的伺服控制系统;永磁同步电机省去了集电环和电刷,无需励磁电流,没有励磁损耗,提高了电动机的效率和功率密度[1];光电编码器和解码器传送、接收命令信息[2-3],实现系统的高效运转。

图2 电机控制

2.4 传感器子系统的设计

智能安防机器人的重要性逐渐被认可,其实际应用可以弥补人工管理作业中存在的不足,人承担安防、巡检等相关任务,降低人工成本。合格的安防机器人需要保持一定的敏锐性,实时感知外界环境,因此,其多个传感器之间要保持关联性、匹配度高度一致。对多传感器融合技术灵活区分和应用,将多种传感器整合,发挥取长补短效果,共同提升系统的精确度。在设计该子系统时,需要多考虑智能安防机器人的应用需求,充分发挥数据采集功能,有效捕捉导航、环境信息。同时,发挥数据处理功能,在信息收集完成后按照要求

整合加以,使智能安防机器人能对接收的命令作出清晰、明确的判断。

2.5 摄像头子系统设计

摄像头传输子系统的实际作用是完整地监控现场环境,确保监控数据的合理性、精准性,是机器人获取执行任务的关键。摄像头传输子系统由可见光摄像机和红外热成像摄像机构成,可以科学地探测环境温度,如果温度偏高就会自动触发报警功能,两个摄像机系统相互辅助。

(1)可见光摄像机,发挥基础性作用,清晰成像功能实现对环境的实时监控,属于不可或缺的摄像头子系统核心要素;同时,其还包括录像、回放功能,是对摄像头子系统功能发挥的一种保障。(2)红外热成像摄像机同样功能显著,用来检测现场的设备,通过设备温度的检测,综合评估设备性能。当设备温度过高,说明系统存在危险性,此时该摄像头会发挥报警功能。实践证明,该摄像机功能强大,监测范围广泛,各处温度异常点均能精准捕捉,效果十分显著。

在实际应用中,为了强化摄像头子系统的整体应用效果,可以在以上两种摄像机的基础上增加云台控制功能,以完成精准度较高的摄像机控制,达到360°地进行目标监控的目的;同时,通过4G/5G网络将摄像机监控影像远程传输到App终端,为现场人员的场景监控与分析提供方便。

3 结语

综上所述,智能安防机器人在新时期备受关注,其控制系统的设计逐渐受到重视,想要出色完成系统设计,需要综合各方面的因素,考虑周全,同时掌握各个子系统的基础功能和设计要求。实践表明,只有子系统功能完善,整个控制系统的性能才会提升。现实中,通过优化各子系统性能,可以实现控制系统设计效果最大化的目标。