智能安防與家庭服務機器人的設計與實現(xiàn)

1、智能安防與家庭服務機器人的設計與實現(xiàn)(08xxxxxxxx X X X )【摘要】：家庭服務機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 務機器人的機動性和自律能力來實現(xiàn)家居智能安防功能，不但能夠替代家居智能安 防系統(tǒng)有效地實現(xiàn)防盜監(jiān)測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、病況監(jiān)視、兒童教育、報時催醒等家庭服務工作。 本文介紹了具有家居智能安防功能的家庭服務機器人的設計與實現(xiàn)。實際檢測結果表 明，家庭服務機器人比現(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鍵詞】：智能機器人，家庭服務，家居智能安防，設計與實現(xiàn)【中圖分類號】：

2、TP242.6【正文】1引言隨著智能機器人技術的迅速發(fā)展，智能機器人的應用領域正在不斷地擴大。并 且，隨著人們生活質量的日益提高，智能機器人已經開始進入了家庭服務行業(yè)。由智 能型家庭服務機器人代替人來完成清潔衛(wèi)生、物品搬運、家電控制、家庭娛樂、病況 監(jiān)視、兒童教育、報時催醒、電話接聽等各種家務勞動不僅是一項極具應用前景的 高新技術行業(yè)，而且也是智能機器人目前研究的一個重要熱點。另一方面，世界各國 的老齡化問題也更進一步地加劇了對智能型家庭服務機器人的需求。例如，目前在加 拿大已有3, 800,000以上人的年齡超過65歲，在德國超過82, 000,000人的年齡在 60歲以上，分別占該國人口的

3、12.43%和22%,而且近年來還有加重趨勢。在中國專家 預言到2010年中國獨生子女和老齡化問題將更加嚴重。因此，家庭服務機器人將在 許多以老弱、病殘、獨子為主的家庭中占據一席之地。此外以防盜監(jiān)測和電及煤氣 安全檢查為主要內容的家居智能安防系統(tǒng)在我國發(fā)展迅速，近幾年的增長速度達到 15%-20%,家居智能安防業(yè)已經形成了一個巨大的市場。為此，將家庭服務機器人與家 居智能安防系統(tǒng)結合在一起，利用家庭服務機器人的機動性和自律能力來實現(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和家居安防。2家庭服務機器人設計家庭服務機器人依靠底部的三個輪子在室內自主地移動，在它的內部安裝有智 能安防系統(tǒng)，

4、再結合家庭服務機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行智能安防，并且還可以將室內檢測到的信息通過無線 網卡和手機短信模塊與在外的主人聯(lián)系。此外，家庭服務機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、病況監(jiān)視、兒童教育、報時催醒等服務工作，為 主人提供一個更加舒適和安全的生活環(huán)境。家庭服務機器人原理如圖1所示。fl 1彖鹿職容機器人T杵康御2.2家庭服務機器人數(shù)學模型2.2.1同軸兩獨立驅動輪約束方程為了便于構造家庭服務機器人的運動學和規(guī)劃控制其位姿，用如下方法建立它 的坐標系。-XYZ為家庭服務機器人工作場所的固定參考坐標系，科圣為機器人固連的

5、坐標系，R是固連坐標系的原點，該點于右驅動輪中心重合，與驅動輪同心，指向左輪，X與乂日間的夾角。表示機器人的姿態(tài)，故機器人的位姿為。在O-XYZ中，左輪的投影為：圣三 ,右輪的投影為飛。為 簡單起見，把同軸的兩個獨立驅動輪簡化為圖2所示，并假設機器人在水平面上運 動，車輪只旋轉不打滑，輪與地接觸點間的速度為零。因此，可以分別求出機器人 的角速約束方程。假定機器人在任意一初始位置，經過時間t后，轉過。角到達另一 位置，如圖2和3所示。在單位時間內左輪比右輪多轉過的曲線位移為： 按式（1）所建立的運動學，機器人的運動方式只有直線和轉彎兩種。如果以右輪為圓 心移動，原點的輪子角速度1二玲=匚已知，在

6、單位時間內轉過。角度,則通過 式（1）可得另一個非原點輪角速度方程：1上=1： L L 1（2）對于直線運動而言，e =0，即兩輪同速轉動。q的值應該加以限制，因為當e過大（接近-3EJ）時將使 過大，在向心力作用下，家庭服務機器人易產生運動位 置誤差，嚴重時會造成翻車。依分析得：一廠二（3）式中L代表機器人兩獨立驅動輪間的長度（輪距），r是輪子半徑，J、1表示機器人左輪、右輪的角速度，0為家庭服務機器人經過時間t轉過的角度，g表示重力 加速度，f是輪與地面的摩擦系數(shù)，R為轉彎半徑。2.2.2家庭服務機器人運動學當兩驅動輪的角速度已知時，左、右輪的角速度分別為J、L ,轉彎半徑也是t的 函數(shù)。

7、由此可以求出家庭服務機器人的正向運動學：(4)式中七1&七1SO:是家庭服務機器人的初始姿態(tài)，以逆時針為正。當要求家庭服務機器人按確定軌跡運動，艮咬(t)、y(t)、0 (t)已知時，則驅動輪的運動規(guī)律 可以根據下式求出，并且左、右驅動輪的運動規(guī)律將是唯一的，由此可以求出機器人的逆運動學：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計當發(fā)生觸發(fā)事件時，觸發(fā)信號從觸發(fā)器發(fā)出經過編碼器編碼后以二進制數(shù)據形 式送至計算機端口，計算機通過程序獲取事件編碼并進行分析和識別，進而根據程 序設定啟動相應的報警動作，并在日志表中記錄觸發(fā)事件的時間、名稱和

8、觸警動作以 備查用。我們選定Windows 2000作為機器人智能安防軟件的開發(fā)平臺，用VC+ 6.0 作為應用層開發(fā)工具。為了讓智能安防軟件及時地響應報警信號、安全地傳輸數(shù)據， 在開發(fā)智能安防軟件時必須解決如下關鍵問題，以達到智能安防所需要的實時性要 求。3.1串口通信參數(shù)設置智能安防軟件使用串口通信設置函數(shù)CcommSettingDlg()設置使用的串口號、數(shù)據 位、校驗位等，并將設置保存在注冊表中“我的電腦/HKEY_CURRENT_USER/Software/Alert/PortSetting/” 鍵下。其主要實現(xiàn)方 法和代碼如下：加入全局函數(shù)GetSetting和SaveSettin

9、g完成注冊表設置讀寫工作：GetSetting (Cstring key, Cstring ValueName);Void SaveSetting(Cstring key, Cstring ValueName,Cstring value);加入對IDOK控件的BN_CLICKED消息響應函數(shù)OnOK,將串口通信設置寫入注 冊表中。3.2實時監(jiān)控為了及時地獲取布防觸發(fā)器的報警信號，程序需要打開一個定時器，時間間隔 通常設置在幾十毫秒和幾秒之間。如果太短，計算機響應不過來，太長則會影響事件 的實時捕捉。我們使用SetTimer()函數(shù)來定義時間間隔，然后用OnTimer函數(shù)響 應定時器的WM_TI

10、MER消息，該函數(shù)需要完成如下監(jiān)控布防設置：(1)讀取布防參數(shù)中設置為可用的端口，獲得發(fā)生的觸發(fā)事件編碼，進行編碼識別。 然后向觸警參數(shù)中設置的端口發(fā)送相應的觸警動作編碼。該任務由SpyOn完成，首先檢測各并行口輸入，若有觸發(fā)事件，則調用ProcessLook處理觸發(fā)事件。SpyOn 主要代碼如下：GetPortVal (lptPortArrayi, &portVal, 1);ProcessLook (BYTE) portVal, FALSE);表進行更新。該任務由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實時報警一旦室內發(fā)生觸警情況，家庭服務機器人的報警主要分為兩部分：a)家庭服務機器 人所安裝的報警器將發(fā)出刺耳的報警音，嚇退入侵者；b)家庭服務機器人會用串口 連接GS

12、M手機給在外的主人發(fā)送短消息，報告室內發(fā)生異常情況，而家庭服務機器人 頂部的攝像頭也會拍攝室內的實時圖片存入自帶的存儲器中。當在外的主人收到報警 的短消息后，可以通過互聯(lián)網和家庭服務機器人聯(lián)系，將存入自帶存儲器中的實時 圖片發(fā)送給主人，具體流程如下：串口連接手機短信模塊和在外的主人聯(lián)系，這是一個基于GSM短消息方式的GPS 系統(tǒng)；智能安防軟件調用AVER_CaptureSequence()函數(shù)使家庭服務機器人的攝像 頭工作，拍攝室內圖片，并保存到機器人自帶的存儲器中；用戶收到家庭服務機器人的報警短信后，可以直接報警，或者通過Internet訪問帶有無線網卡的家庭服務機器人，以期得到更詳細的確認

13、信息。家庭服務機器人 收到外部的請求后，通過CclientSocket類的OnSend()函數(shù)將存儲器中保存的 圖片發(fā)送到用戶所使用的電腦。通過以上兩種方法，家庭服務機器人一方面可以及時 地發(fā)出報警信號，嚇退入侵者。另一方面用戶也可以通過機器人發(fā)出的報警圖片確認 室內的具體情況，以采取適當?shù)拇胧?，并有效地防止錯報、誤報。4家庭服務功能設計除了上述智能安防功能，家庭服務功能也有重要的應用前景。目前，人們的工作壓力 和時間持續(xù)地增加，對老人和小孩的照顧將變成一個十分迫切的問題，而家庭服務 機器人所提供的服務功能則能很好地緩解以上情況。家庭服務機器人所提供的服務主 要有家庭娛樂、醫(yī)療保健、兒童教育、

14、報時催醒等功能。84(a)為家庭服務模塊的運 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病情兩個子模塊能夠 根據病人的一些特征結合疾病知識庫來做出正確的判斷，并且給出相應的建議和應 對措施。而對于疾病知識庫維護模塊則可以提供在線更新，以確保疾病知識庫的全面, 能夠為用戶提供更加準確、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對措施。圖4(c)是兒童教育模塊。小孩放 學后只需打開家庭服務機器人，就可以在此模塊中進行打字練習、學習單詞、朗讀課 文等多方面的學習。一方面將小孩從枯燥的課本學習中解脫出來，另一方面，也可以 讓父母安心地工

15、作，緩解教育小孩時間安排上的沖突。圖5(d)所示游戲模塊是為了調 節(jié)人們在工作和學習上的壓力而設計的，人們可以在工作和學習之余，進行適當?shù)?休息，緩解繁忙的工作、學習所帶來的壓力。綜上所述家庭服務的各個功能模塊都 是為緩解現(xiàn)代家庭所面臨的各種問題而設計的，通過這些功能模塊，家庭服務機器 人就能夠為人們提供各種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家庭服務主要功能5試驗結果圖5(a)是家庭服務機器人樣機，其外殼上裝有無線CCD攝像頭、超聲波傳感器、 紅外線傳感器、光電編碼器，它們用于機器人在室內自主導航和無碰撞移動。家庭服 務機器人內部裝有智能安防軟件，在機殼上裝上火焰探頭、可燃氣體探頭等執(zhí)行安防 功能。CCD攝像機可以拍攝室內的異常情況及時地反饋給主人。圖(b)為串口通信參數(shù) 設置界面，以便選擇所要用的串口號、設置最大傳輸速率、傳輸過程中的數(shù)據位、停 止位等具體信息，并將最終設置保存在注冊表中。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)據庫連接界面，主人可以隨時 地檢查某天所發(fā)生的具體安防事件。（圖5家庭服務機器人與智能安防軟件界面）6結束語將傳統(tǒng)