機車協同安防機器人系統設計

梁 越，劉云平

（南京信息工程大學，江蘇 南京 210000）

目前中國傳統的國家安全系統以“人防+物防”的方法來完成，但是由于中國社會上老齡化趨勢日益嚴重、勞動力成本持續高漲、國家安全人才流失率持續增加等問題，它已不適應目前的社會發展趨勢[1]。同時，由于傳統安防產業面臨著信息孤島的現狀，在查詢數據時需要人為過濾，而無法直接與云端的大數據分析進行自動交流，極大地降低了用戶的效率;同時也只能做出事后反應，并沒有事前主動出擊、自主防范的能力[2]。機車協同安防機器人應運而生，不僅解決了在復雜場景下工作的技術難題，還提高了巡檢全面性和穩定性，有利于安防事業的發展。

1 整體設計

隨著城市的發展和擴張，安防的范圍和難度不斷增長，同時人口老齡化情況日益嚴重、勞動力成本飆升，如今安防行業的成本居高不下，社會也對安防系統提出了更高的要求，用安防機器人代替傳統安防系統勢在必行[3]。為了提升安防效率和性能，本文介紹機車協同安防機器人的設計與應用，實物如圖1 所示。

圖1 機車協同安防機器人實物圖

機器人具有在多種環境下工作的能力，不僅能在白天針對相關安全問題進行巡邏，在夜間也可以利用事件相機在黑暗的環境中高效提取圖像。在機器人定位方面，應用事件相機裝配有視覺與慣導單元相結合的里程計、用于環境感知的激光雷達，實現機器人對周圍環境的實時監測，當小車視野受限或者需要無人機去執行某些特定的拍照任務時，無人機會自動起飛進行拍攝任務，擴大了檢測的范圍；同時由于無人機續航時間有限，無人車上安裝了無線充電裝置，給無人機充電續航，保證了系統的持續運作。

結合安防行業的實際需求，安防機器人除了具有基礎的定位和巡檢功能，還具有人物識別、測速、車輛違章檢測、煙霧報警等功能，進一步拓展了安防能力[4]。

2 硬件設計

本產品硬件部分如圖2 所示，機器人系統主要由無人機以及無人車組成，并搭載多種傳感器采集數據。

圖2 硬件結構圖

工業機器人系統主要由無人車和無人機二部分構成，其中無人機與無人車間用P900 數傳模塊實現了數據通信，具備高效率、少延遲的優點，并且對數據通訊的穩定性較強，并可提供良好的噪聲系數抑制，出色的抗干擾性能和快速平穩的頻率合成。

無人機上搭載事件相機和慣性導航系統。事件相機是一個新型的視覺感應器，通過測量每個像素點光照強度的改變來生成“事件”，擁有低延時、高動態范圍的技術先進特點[5]。慣性導航控制系統為導航參數解算控制系統，以陀螺旋轉和加速度儀為主要敏感元件。系統中通過利用陀螺旋轉的輸出形成導航坐標系，然后再利用加速度儀的輸出計算出目標物在坐標系中的速度和位移。系統具備隱藏好，抗干擾能力強，數值持續性好且噪音較少的優勢，而且短期精確度和穩定性良好。

無人車上搭載了RTK 定位模塊、雙目相機和激光雷達。選用的SKY2-機載RTK 定位模塊具有高動態接收機板卡，在高速狀態下能達到厘米級的差分定位結果，使整個產品具備更好的精度和更好的安全性與穩定性。激光雷達是發送激光能量束，以檢測目標位移，速率等特征物理量的雷達控制系統。由于雷達在連續工作時不受有源干擾影響，所得到的數值更加精確，比實時好，而且激光雷達安裝簡單，適宜用作小型環境感應控制系統中的檢測器。

3 軟件設計

3.1 協同搜索算法

對于無人機和無人汽車的協同搜索采用波門跟蹤算法[6]，通常包括以下3 種情況：

（1）沒有要求的目標時，系統處于等待模式。

（2）當目標出現變化并在附近波門內動時，系統保持跟蹤模式。

（3）當目標從波門消失時，波門就會展開全局搜索。

無人車在運動過程中，運動軌跡必須服從某一確定的函數關系。設無人車在前a 幀圖象中的中心位置坐標為（xk，yk），則k 的取值范圍為（0，1，2，3...a）。無人車運動的x 坐標推導和y 坐標推導很相似。假設x 的最符合要求的二次函數應該用下式表達

可得a 個點的誤差方差：

使用最小二乘法來讓誤差平方達到最小化，可得：

將式（3）帶入式（1）便可以算出下一幀中無人車位于圖片中的位置。

3.2 多傳感器融合

多個傳感器融合是指采用多個傳感器為同一載體提供準確位置信息。為了實現合理的傳感器數據融合，必須充分考慮這幾個傳感器之間的輸出延時差。對于事件相機與IMU 相結合的傳感器系統而言，視覺數據延時通常難以準確估算，使用擴展卡爾曼濾波器（EKF）創建了一種視覺慣性系統，它可以有效融合IMU 和視覺數據，提供準確豐富的運動和環境結構信息。傳感器融合原理如圖3 所示。

圖3 傳感器融合原理

4 數傳模塊

無人車與無人機之間的數據通訊利用P900 數傳模塊得以實現。P900 以其極小的封裝和適應性設計，成為對空間和成本有要求的終極應用。P900 具有穩定可靠，高速率，低延時，數據通訊安全性強的優勢。除此之外，P900 能提供極佳的噪聲系數控制，卓越的抗干擾性能以及迅捷穩定的頻率合成。P900 在目前國內無人機、應急語音通訊行業具有非常大的應用前景。其實物圖如圖4 所示。

圖4 P900 數傳模塊實物圖

5 上位機監控

上位機監控系統主要用于用戶對機器人狀態、環境狀況以及攝像頭相關圖像的查看，以便機器人對用戶輸出有關安防隱患信息。該界面采用QT5 中的Label、Push Button、Combo Box 等控件，涉及到機器人巡檢的主要任務。當機器人處于巡檢任務模式時，用戶可以實時查看安防車的位置坐標、剩余電量、信號強弱以及無人機的飛行高度，并且控制無人機的運動路徑，同時無人機將拍攝到的畫面實時傳輸到用戶屏幕上。機器人巡檢操作界面如圖5 所示。

圖5 機器人巡檢操作界面

6 結束語

安防機器人已經完成了現場部署和運行，實際使用過程中可以給機器人制定巡檢任務，機器人按要求完成該路線的巡邏后，將巡視的結果上傳到上位機監控部分，供使用者參考。相比于傳統的安防方式，使用本文介紹的機器人提高了安防的全面性和持續性，并能實現在復雜天氣環境下的工作任務。