智能安防與家庭服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、智能安防與家庭服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(08xxxxxxxx X X X )【摘要】：家庭服務(wù)機(jī)器人和家居智能安防系統(tǒng)都具有良好的發(fā)展前景。利用家庭服 務(wù)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性和自律能力來(lái)實(shí)現(xiàn)家居智能安防功能，不但能夠替代家居智能安 防系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)防盜監(jiān)測(cè)和電及煤氣安全檢等安防功能，而且也能夠替代人完成 清潔衛(wèi)生、家電控制、家庭娛樂(lè)、病況監(jiān)視、兒童教育、報(bào)時(shí)催醒等家庭服務(wù)工作。 本文介紹了具有家居智能安防功能的家庭服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表 明，家庭服務(wù)機(jī)器人比現(xiàn)有的家居智能安防系統(tǒng)功能更加豐富、更加靈活、更加可靠?！娟P(guān)鍵詞】：智能機(jī)器人，家庭服務(wù)，家居智能安防，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)【中圖分類號(hào)】：

2、TP242.6【正文】1引言隨著智能機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，智能機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地?cái)U(kuò)大。并 且，隨著人們生活質(zhì)量的日益提高，智能機(jī)器人已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入了家庭服務(wù)行業(yè)。由智 能型家庭服務(wù)機(jī)器人代替人來(lái)完成清潔衛(wèi)生、物品搬運(yùn)、家電控制、家庭娛樂(lè)、病況 監(jiān)視、兒童教育、報(bào)時(shí)催醒、電話接聽(tīng)等各種家務(wù)勞動(dòng)不僅是一項(xiàng)極具應(yīng)用前景的 高新技術(shù)行業(yè)，而且也是智能機(jī)器人目前研究的一個(gè)重要熱點(diǎn)。另一方面，世界各國(guó) 的老齡化問(wèn)題也更進(jìn)一步地加劇了對(duì)智能型家庭服務(wù)機(jī)器人的需求。例如，目前在加 拿大已有3, 800,000以上人的年齡超過(guò)65歲，在德國(guó)超過(guò)82, 000,000人的年齡在 60歲以上，分別占該國(guó)人口的

3、12.43%和22%,而且近年來(lái)還有加重趨勢(shì)。在中國(guó)專家 預(yù)言到2010年中國(guó)獨(dú)生子女和老齡化問(wèn)題將更加嚴(yán)重。因此，家庭服務(wù)機(jī)器人將在 許多以老弱、病殘、獨(dú)子為主的家庭中占據(jù)一席之地。此外以防盜監(jiān)測(cè)和電及煤氣 安全檢查為主要內(nèi)容的家居智能安防系統(tǒng)在我國(guó)發(fā)展迅速，近幾年的增長(zhǎng)速度達(dá)到 15%-20%,家居智能安防業(yè)已經(jīng)形成了一個(gè)巨大的市場(chǎng)。為此，將家庭服務(wù)機(jī)器人與家 居智能安防系統(tǒng)結(jié)合在一起，利用家庭服務(wù)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性和自律能力來(lái)實(shí)現(xiàn)家居 智能安防系統(tǒng)的功能，以便更有效地完成家庭服務(wù)和家居安防。2家庭服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)家庭服務(wù)機(jī)器人依靠底部的三個(gè)輪子在室內(nèi)自主地移動(dòng)，在它的內(nèi)部安裝有智 能安防系統(tǒng)，

4、再結(jié)合家庭服務(wù)機(jī)器人外部的電子門禁、電子窗柵、紅外線傳感器、煙 霧傳感器等就可以很好地實(shí)行智能安防，并且還可以將室內(nèi)檢測(cè)到的信息通過(guò)無(wú)線 網(wǎng)卡和手機(jī)短信模塊與在外的主人聯(lián)系。此外，家庭服務(wù)機(jī)器人也可以代替人有效地 完成清潔衛(wèi)生、家電控制、家庭娛樂(lè)、病況監(jiān)視、兒童教育、報(bào)時(shí)催醒等服務(wù)工作，為 主人提供一個(gè)更加舒適和安全的生活環(huán)境。家庭服務(wù)機(jī)器人原理如圖1所示。fl 1彖鹿職容機(jī)器人T杵康御2.2家庭服務(wù)機(jī)器人數(shù)學(xué)模型2.2.1同軸兩獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪約束方程為了便于構(gòu)造家庭服務(wù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和規(guī)劃控制其位姿，用如下方法建立它 的坐標(biāo)系。-XYZ為家庭服務(wù)機(jī)器人工作場(chǎng)所的固定參考坐標(biāo)系，科圣為機(jī)器人固連的

5、坐標(biāo)系，R是固連坐標(biāo)系的原點(diǎn)，該點(diǎn)于右驅(qū)動(dòng)輪中心重合，與驅(qū)動(dòng)輪同心，指向左輪，X與乂日間的夾角。表示機(jī)器人的姿態(tài)，故機(jī)器人的位姿為。在O-XYZ中，左輪的投影為：圣三 ,右輪的投影為飛。為 簡(jiǎn)單起見(jiàn)，把同軸的兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪簡(jiǎn)化為圖2所示，并假設(shè)機(jī)器人在水平面上運(yùn) 動(dòng)，車輪只旋轉(zhuǎn)不打滑，輪與地接觸點(diǎn)間的速度為零。因此，可以分別求出機(jī)器人 的角速約束方程。假定機(jī)器人在任意一初始位置，經(jīng)過(guò)時(shí)間t后，轉(zhuǎn)過(guò)。角到達(dá)另一 位置，如圖2和3所示。在單位時(shí)間內(nèi)左輪比右輪多轉(zhuǎn)過(guò)的曲線位移為： 按式（1）所建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式只有直線和轉(zhuǎn)彎兩種。如果以右輪為圓 心移動(dòng)，原點(diǎn)的輪子角速度1二玲=匚已知，在

6、單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)。角度,則通過(guò) 式（1）可得另一個(gè)非原點(diǎn)輪角速度方程：1上=1： L L 1（2）對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)而言，e =0，即兩輪同速轉(zhuǎn)動(dòng)。q的值應(yīng)該加以限制，因?yàn)楫?dāng)e過(guò)大（接近-3EJ）時(shí)將使 過(guò)大，在向心力作用下，家庭服務(wù)機(jī)器人易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)位 置誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成翻車。依分析得：一廠二（3）式中L代表機(jī)器人兩獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪間的長(zhǎng)度（輪距），r是輪子半徑，J、1表示機(jī)器人左輪、右輪的角速度，0為家庭服務(wù)機(jī)器人經(jīng)過(guò)時(shí)間t轉(zhuǎn)過(guò)的角度，g表示重力 加速度，f是輪與地面的摩擦系數(shù)，R為轉(zhuǎn)彎半徑。2.2.2家庭服務(wù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)當(dāng)兩驅(qū)動(dòng)輪的角速度已知時(shí)，左、右輪的角速度分別為J、L ,轉(zhuǎn)彎半徑也是t的 函數(shù)。

7、由此可以求出家庭服務(wù)機(jī)器人的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)：(4)式中七1&七1SO:是家庭服務(wù)機(jī)器人的初始姿態(tài)，以逆時(shí)針為正。當(dāng)要求家庭服務(wù)機(jī)器人按確定軌跡運(yùn)動(dòng)，艮咬(t)、y(t)、0 (t)已知時(shí)，則驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 可以根據(jù)下式求出，并且左、右驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律將是唯一的，由此可以求出機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)：心二0=山(心頂) M(5)(6)如- LOI r - q - LO !r(6)3家居智能安防功能設(shè)計(jì)當(dāng)發(fā)生觸發(fā)事件時(shí)，觸發(fā)信號(hào)從觸發(fā)器發(fā)出經(jīng)過(guò)編碼器編碼后以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形 式送至計(jì)算機(jī)端口，計(jì)算機(jī)通過(guò)程序獲取事件編碼并進(jìn)行分析和識(shí)別，進(jìn)而根據(jù)程 序設(shè)定啟動(dòng)相應(yīng)的報(bào)警動(dòng)作，并在日志表中記錄觸發(fā)事件的時(shí)間、名稱和

8、觸警動(dòng)作以 備查用。我們選定Windows 2000作為機(jī)器人智能安防軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用VC+ 6.0 作為應(yīng)用層開(kāi)發(fā)工具。為了讓智能安防軟件及時(shí)地響應(yīng)報(bào)警信號(hào)、安全地傳輸數(shù)據(jù)， 在開(kāi)發(fā)智能安防軟件時(shí)必須解決如下關(guān)鍵問(wèn)題，以達(dá)到智能安防所需要的實(shí)時(shí)性要 求。3.1串口通信參數(shù)設(shè)置智能安防軟件使用串口通信設(shè)置函數(shù)CcommSettingDlg()設(shè)置使用的串口號(hào)、數(shù)據(jù) 位、校驗(yàn)位等，并將設(shè)置保存在注冊(cè)表中“我的電腦/HKEY_CURRENT_USER/Software/Alert/PortSetting/” 鍵下。其主要實(shí)現(xiàn)方 法和代碼如下：加入全局函數(shù)GetSetting和SaveSettin

9、g完成注冊(cè)表設(shè)置讀寫工作：GetSetting (Cstring key, Cstring ValueName);Void SaveSetting(Cstring key, Cstring ValueName,Cstring value);加入對(duì)IDOK控件的BN_CLICKED消息響應(yīng)函數(shù)OnOK,將串口通信設(shè)置寫入注 冊(cè)表中。3.2實(shí)時(shí)監(jiān)控為了及時(shí)地獲取布防觸發(fā)器的報(bào)警信號(hào)，程序需要打開(kāi)一個(gè)定時(shí)器，時(shí)間間隔 通常設(shè)置在幾十毫秒和幾秒之間。如果太短，計(jì)算機(jī)響應(yīng)不過(guò)來(lái)，太長(zhǎng)則會(huì)影響事件 的實(shí)時(shí)捕捉。我們使用SetTimer()函數(shù)來(lái)定義時(shí)間間隔，然后用OnTimer函數(shù)響 應(yīng)定時(shí)器的WM_TI

10、MER消息，該函數(shù)需要完成如下監(jiān)控布防設(shè)置：(1)讀取布防參數(shù)中設(shè)置為可用的端口，獲得發(fā)生的觸發(fā)事件編碼，進(jìn)行編碼識(shí)別。 然后向觸警參數(shù)中設(shè)置的端口發(fā)送相應(yīng)的觸警動(dòng)作編碼。該任務(wù)由SpyOn完成，首先檢測(cè)各并行口輸入，若有觸發(fā)事件，則調(diào)用ProcessLook處理觸發(fā)事件。SpyOn 主要代碼如下：GetPortVal (lptPortArrayi, &portVal, 1);ProcessLook (BYTE) portVal, FALSE);表進(jìn)行更新。該任務(wù)由UpdateLog完成。如果日志數(shù)目有變化，則更新。然后顯示更新后的記錄。UpdateLog主要代碼如下：CAlertApp* p

11、App = (CAlertApp*):AfxGetApp();m_pRsLogf Open (m_bstrSQL,(IDispatch*)pAppfm_pConnection, adOpenStatic, adLockOptimistic, adCmdText);If (m_cntLog! = m_pRsLogfRecordCount)m_cntLog = m_pRsLogfRecordCount;ShowLog( ); 3.3實(shí)時(shí)報(bào)警一旦室內(nèi)發(fā)生觸警情況，家庭服務(wù)機(jī)器人的報(bào)警主要分為兩部分：a)家庭服務(wù)機(jī)器 人所安裝的報(bào)警器將發(fā)出刺耳的報(bào)警音，嚇退入侵者；b)家庭服務(wù)機(jī)器人會(huì)用串口 連接GS

12、M手機(jī)給在外的主人發(fā)送短消息，報(bào)告室內(nèi)發(fā)生異常情況，而家庭服務(wù)機(jī)器人 頂部的攝像頭也會(huì)拍攝室內(nèi)的實(shí)時(shí)圖片存入自帶的存儲(chǔ)器中。當(dāng)在外的主人收到報(bào)警 的短消息后，可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和家庭服務(wù)機(jī)器人聯(lián)系，將存入自帶存儲(chǔ)器中的實(shí)時(shí) 圖片發(fā)送給主人，具體流程如下：串口連接手機(jī)短信模塊和在外的主人聯(lián)系，這是一個(gè)基于GSM短消息方式的GPS 系統(tǒng)；智能安防軟件調(diào)用AVER_CaptureSequence()函數(shù)使家庭服務(wù)機(jī)器人的攝像 頭工作，拍攝室內(nèi)圖片，并保存到機(jī)器人自帶的存儲(chǔ)器中；用戶收到家庭服務(wù)機(jī)器人的報(bào)警短信后，可以直接報(bào)警，或者通過(guò)Internet訪問(wèn)帶有無(wú)線網(wǎng)卡的家庭服務(wù)機(jī)器人，以期得到更詳細(xì)的確認(rèn)

13、信息。家庭服務(wù)機(jī)器人 收到外部的請(qǐng)求后，通過(guò)CclientSocket類的OnSend()函數(shù)將存儲(chǔ)器中保存的 圖片發(fā)送到用戶所使用的電腦。通過(guò)以上兩種方法，家庭服務(wù)機(jī)器人一方面可以及時(shí) 地發(fā)出報(bào)警信號(hào)，嚇退入侵者。另一方面用戶也可以通過(guò)機(jī)器人發(fā)出的報(bào)警圖片確認(rèn) 室內(nèi)的具體情況，以采取適當(dāng)?shù)拇胧⒂行У胤乐瑰e(cuò)報(bào)、誤報(bào)。4家庭服務(wù)功能設(shè)計(jì)除了上述智能安防功能，家庭服務(wù)功能也有重要的應(yīng)用前景。目前，人們的工作壓力 和時(shí)間持續(xù)地增加，對(duì)老人和小孩的照顧將變成一個(gè)十分迫切的問(wèn)題，而家庭服務(wù) 機(jī)器人所提供的服務(wù)功能則能很好地緩解以上情況。家庭服務(wù)機(jī)器人所提供的服務(wù)主 要有家庭娛樂(lè)、醫(yī)療保健、兒童教育、

14、報(bào)時(shí)催醒等功能。84(a)為家庭服務(wù)模塊的運(yùn) 行主界面。圖4(b)所示病況監(jiān)視模塊中告訴專家病情和專家詢問(wèn)病情兩個(gè)子模塊能夠 根據(jù)病人的一些特征結(jié)合疾病知識(shí)庫(kù)來(lái)做出正確的判斷，并且給出相應(yīng)的建議和應(yīng) 對(duì)措施。而對(duì)于疾病知識(shí)庫(kù)維護(hù)模塊則可以提供在線更新，以確保疾病知識(shí)庫(kù)的全面, 能夠?yàn)橛脩籼峁└訙?zhǔn)確、完全的診斷。這樣用戶可以足不出戶就能夠了解自身的健 康情況，從而能夠更加快速地采取正確的應(yīng)對(duì)措施。圖4(c)是兒童教育模塊。小孩放 學(xué)后只需打開(kāi)家庭服務(wù)機(jī)器人，就可以在此模塊中進(jìn)行打字練習(xí)、學(xué)習(xí)單詞、朗讀課 文等多方面的學(xué)習(xí)。一方面將小孩從枯燥的課本學(xué)習(xí)中解脫出來(lái)，另一方面，也可以 讓父母安心地工

15、作，緩解教育小孩時(shí)間安排上的沖突。圖5(d)所示游戲模塊是為了調(diào) 節(jié)人們?cè)诠ぷ骱蛯W(xué)習(xí)上的壓力而設(shè)計(jì)的，人們可以在工作和學(xué)習(xí)之余，進(jìn)行適當(dāng)?shù)?休息，緩解繁忙的工作、學(xué)習(xí)所帶來(lái)的壓力。綜上所述家庭服務(wù)的各個(gè)功能模塊都 是為緩解現(xiàn)代家庭所面臨的各種問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，通過(guò)這些功能模塊，家庭服務(wù)機(jī)器 人就能夠?yàn)槿藗兲峁└鞣N工作和生活方面的幫助，為人們提供更加安全和舒適的生 活環(huán)境。(W家庭服務(wù)模換主界仰 病況監(jiān)視界I町 上)兒苗教有押liq 電于游戲界1口1圖4家庭服務(wù)主要功能5試驗(yàn)結(jié)果圖5(a)是家庭服務(wù)機(jī)器人樣機(jī)，其外殼上裝有無(wú)線CCD攝像頭、超聲波傳感器、 紅外線傳感器、光電編碼器，它們用于機(jī)器人在室內(nèi)自主導(dǎo)航和無(wú)碰撞移動(dòng)。家庭服 務(wù)機(jī)器人內(nèi)部裝有智能安防軟件，在機(jī)殼上裝上火焰探頭、可燃?xì)怏w探頭等執(zhí)行安防 功能。CCD攝像機(jī)可以拍攝室內(nèi)的異常情況及時(shí)地反饋給主人。圖(b)為串口通信參數(shù) 設(shè)置界面，以便選擇所要用的串口號(hào)、設(shè)置最大傳輸速率、傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)位、停 止位等具體信息，并將最終設(shè)置保存在注冊(cè)表中。圖(c)為安防主界面，可以看到主 要安防功能和近期所發(fā)生的觸發(fā)事件。圖(d)是安防數(shù)據(jù)庫(kù)連接界面，主人可以隨時(shí) 地檢查某天所發(fā)生的具體安防事件。（圖5家庭服務(wù)機(jī)器人與智能安防軟件界面）6結(jié)束語(yǔ)將傳統(tǒng)