基于惯性稳定与快速跟踪双模式的安防机器人

时延君　周禹轩　高浩　李娅婷　朱军

摘 要：针对现有安防侦察机器人在稳定成像与大范围敏捷跟踪等方面的不足，提出了一种基于惯性稳定与快速跟踪技术双模式的安防侦察机器人系统。通过总体方案设计、结构设计，硬件与软件设计、加工与装配、集成与测试实验，实现了安防侦察机器人无线驱动行走、姿态扰动隔离、动态惯性稳定成像、静态长时伺服监视、大范围快速目标捕捉等主要功能目标。实验表明：该机器人既可在危险场合静态监视，又可在逼近目标过程中动态获取高清晰图像。

关键词：安防防护；侦察机器人；惯性稳定成像；快速目标跟踪；无线控制

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：2095-2945（2019）04-0001-04

Abstract： In view of the deficiency of the existing scout robot in stable imaging and large scale agile tracking， a novel scout robot system is proposed， which combines both of the inertial stability technology and the wireless remote control to achieve the dual purpose of improving the image quality and target capture efficiency. By conducting overall scheme design， structure optimization， hardware and software design in control system， machining， assembly， integration， testing and experiment， etc.， the scout robot system was eventually realized， which has five typical main functions， such as wireless-drive walking， attitude disturbance isolation， dynamic inertial-stability imaging， static long-time servo monitoring and large-range fast target capture. The experimental results show that the robot can not only statically monitor object in dangerous situations， but also dynamically obtain high-resolution images in a movable process of approaching the target.

Keywords： security protection； scout robot； inertial-stability imaging； fast target tracking； wireless control

引言

近年来，一些严重危害公共安全和人员生命安全的危急突发事件时常发生，比如恐怖分子在人员稠密的公共场所安放爆炸物、危险化学品仓库发生火灾导致有害气体泄漏，以及在一些核电厂发生事故产生核辐射，等等[1-3]。这些突发事件和事故对人民人身安全和社会公共安全产生严重危害和威胁，迫切需要对事故情况进行安全侦查、实时监测和排除[4-6]。安防侦察机器人能代替救援人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场进行数据采集、处理和反馈，从而避免人员损伤和降低财产损失。因此，安防侦察机器人对于危机防爆、安全维稳、公共安全和人民的健康生活均具有重要现实意义[7-9]。

然而，現有的一些安防侦察机器人存在明显不足。比如，一些安防侦察机器人只有摄像功能，却没有防抖功能。在此情况下，如果承载侦察机器人摄像装置的小车在野外进行动态拍摄时，传输回来的图像质量将模糊不清，影响后方人员对危险现场信息的准确判断；另外，一些侦察机器人的摄像系统没有转动功能，如果目标不在前进方向的监视范围内，搜索目标只能靠操控机器人小车大范围转动达到，非常费时费力，在危机事故发生时可能会贻误救灾或排爆的宝贵时机。

针对上述不足，本文提出一种基于惯性稳定与快速跟踪双模式的安防侦察机器人系统。通过将惯性稳定技术、无线操控及视频反馈校正等技术相结合，实现提高监视图像质量和目标快速捕捉的双重目的。

1 安防侦察机器人系统方案设计

针对现有安防机器人不足，本文提出基于惯性稳定与快速跟踪双模式的安防侦察机器人总体设计思想和设计方案。安防侦察机器人具备无线驱动行走、姿态扰动隔离、动态惯性稳定成像、静态长时伺服监视、大范围快速目标捕捉等主要功能。根据主要功能，将主要组成部分划分为高清晰CCD数码照相机、无线图像传输系统、APP无线智能驱动小车、Z向升降式三轴惯性稳定平台结构、自主稳定伺服与无线遥控跟踪双模式控制系统主要模块。

图1为防侦察机器人系统总体方案示意图。安防侦察机器人工作过程可以描述为：首先需要将相机置于轻小型惯性稳定平台上，利用惯性稳定平台的框架稳定功能使得该摄像机在野外地面不平及危险环境下能够始终保持稳定成像。同时，能够通过框架转动实现对危险目标的大范围跟踪搜寻。此外，为了使得人与安防侦察小车之间有一定的安全距离，稳定平台的控制电路与平台上位机监控界面采用无线传输实现。最后，将轻小型稳定平台安装于小车上，利用手机APP的无线传输控制小车运动，最终实现目标的高清监视，实现安防侦察机器人系统的总体功能。

2 安防侦察机器人系统模块设计

2.1 轻小型三轴惯性稳定平台系统设计

图2为轻小型三轴惯性稳定平台三维CAD模型。惯性稳定平台是实现惯性稳定与快速目标跟踪模式的基础与关键部件。三自由度轻小型惯性稳定平台系统，具有伺服稳定和无线遥控两种工作模式，主要组成部分包括三轴框架系统、驱动系统、惯性姿态测量系统、角位置测量系统及控制系统五大部分。三轴框架系统的基座通过减振器与小车相连，隔离小车线振动；方位框架由基座支承，实现±130°回转；横滚框架由方位框架支承，实现±30°内回转；俯仰框架由横滚框架支承，实现-90°至+30°回转。

2.1.1 稳定平台结构设计

轻小型惯性稳定平台用于承载相机并在危险场所路面不平条件下，控制系统根据惯性姿态测量系统提供的框架角位置与角速率信息，产生指令，通过驱动框架反向旋转对姿态扰动进行补偿[10]。

由于危险物可能突然移动，导致监视器失去目标，这就需要稳定平台具有对目标危险物的快速跟踪功能。设计的轻小型惯性稳定平台利用其三个框架的自由小角度转动补偿姿态扰动、实现相机拍摄的稳定，利用三个框架的各自独立转动实现相机拍摄的大范围跟踪控制。

2.1.2 稳定平台控制系统设计

（1）伺服稳定方案设计

伺服稳定设计方案为；稳定平台采用三环复合PID控制，通过位置姿态测量系统（POS）采集平台横滚框，俯仰框和方位框的姿态角，同时分别解算出三个框架的加速度以及速率，以此构成三环控制[11-12]，当整个电路系统一上电时，在惯性传感器（陀螺和加速度计）的测量机结算下，稳定平台三个框架同时达到水平稳定，当受到外界干扰时，平台能够克服外界的扰动实现框架自主稳定，从而使得相机成像稳定，保证图像的清晰度。

（2）手动跟踪方案设计

安防侦察机器人系统在实现搜寻危险物过程中除了要实现稳定成像以外，还要实现快速远程遥控跟踪功能，即在监视器的视野范围内若没有发现目标危险物，则能够通过上位机监控界面实现对稳定平台框架的转动快速追踪危险物。这一部分的内容则主要通过上位机监控界面，同时还包括安防侦察小车来完成。具体实现过程为，首先通过相机监控界面观察图像中是否存在目标危险物，若存在则锁定危险物进行后续处理，若不存在则通过平台上位机监测界面输入角度指挥平台三个框架转动直至相机视野中出现目标危险物，这时候再过手机APP操纵小车先转向至目标危险物方向，然后向前移动至合适的距离，从而完成这一阶段的任务，进入后续处理。

2.2 快速跟踪远程无线控制系统设计

安防侦察机器人的无线传输主要包括平台电路与上位机监控界面之间的无线传输，以及手机APP与安防侦察小车之间的无线控制，还有平台相机以及对应的相机监控界面之间的图像传输。

首先，平台电路与上位机监控界面之间的无线传输采用目前市面上比较成熟的无线模块。其次，手机APP与安防侦察小车之间的无线控制同样也采用无线传输的方式，通过小车内部的蓝牙模块与特定的手机APP匹配，然后可以通过该APP上的键盘功能自己设置快捷键，从而可以在手机APP上实时操作小车的自由移动，包括前进，后退，转向，停止等功能。最后，平台相机以及对应的相机监控界面之间的图像传输也采用无线传输方式，这部分的传输主要是基于相关的调研，最后选定一款可以和本系统所使用的相机实现无线通讯的取景控制器，该控制器通过USB串口与相机进行连接，最后通过它自身发出的WiFi信号与相机监控界面之间实现图像的实时传输及储存。

手机APP与安防侦察小车之间的无线蓝牙控制同样也采用无线传输的方式，图3为小车内部蓝牙模块。

相机以及对应的相机监控界面之间的图像传输也采用无线传输的方式，因此我们采用一款可以和相机实现无线传输的取景控制器。图4为安装了取景控制器的平台相机及小车。

2.3 安防侦察小车的无线移动控制

只有安防侦察小车的自由移动控制，才能够实现对危险目标的图像采集及在线监测。因此，需要利用无线通信，远程操纵遥控机器人侦察小车远距离向危险现场靠近。侦察小车的控制采用手机APP无线控制，基于无线通信加入蓝牙功能，实现对安防侦察小车的无线移动控制。

2.3.1 系统的安防侦察小车的定制加工及无线蓝牙模块的添加

基于轻小型惯性稳定平台的结构，与小车的设计厂家进行交流，在安防侦察小车上面设计二层台的安装孔的大小及位置，用于稳定平台Z向高度可调节安装。同时，在安防侦察小车加工完成以后，完成平台以及二层台的安装，同时打开小车内部电路，在主控板上加入蓝牙模块。图5为二层台及平台支架安装在小车上的实物图。

2.3.2 系统的控制电路板的安装

本系统设计的控制系统集成了多个功能，按照预先设计时在二层台下面留出来的电路盒的位置，将调试过程中的电路板集成到安装盒里面之后，将电路盒放在二层台底部，最后将平台安装好，将三个电机的输入输出线分别接到电路板的驱动板上，从而完成控制电路板与系统的连接。

2.3.3 系统的安防侦察小车手机控制软件测试及练习

系统的安防侦察小车控制软件界面如下图6所示。

3 安防侦察小车加工、调试与集成实验

3.1 惯性稳定平台加工与装配

基于平台的结构图，通过机械加工厂对稳定平台进行了结构加工与装配，并选型购置了减震器、力矩电机、光电码盘等元器件。图7是惯性稳定平台组装完成后的整体实物图。

3.2 侦察小车

安防侦察机器人需要具备移动功能，以实现靠近或者原理目标危险物的功能。针对该系统的设计要求，我们定制了侦察小车。小车具备移动的功能和转向功能。該小车最大能够承载50kg的重量，最大的移动速度能够达到6m/s，手机蓝牙控制其移动距离可以达到10m。图8为安防侦察机器人系统定制的无线安防侦察小车的实物图。

3.3 侦察机器人集成实验

图9为基于惯性稳定与快速跟踪双模式的安防侦察机器人实物照片。将安防侦察机器人组成完成，之后进行实验。实验的目的是测试机器人能否成功定位静止目标物以及在目标物移动状态下是否能完成追踪功能。

图10为轻小型平台的动态实验实物图。通过对设计的安防侦察机器人执行观测任务的实验测试，验证了机器人的各方面性能：

首先，该安防侦察机器人系统可以实现轻小型惯性稳定平台的自主稳定及跟踪功能，它能够針对复杂的危险环境，自主保持轻小型惯性稳定平台的框架稳定；当图像视野内不存在目标物时，平台能够实现大范围跟踪从而将目标危险物置于监视器中心，完成目标跟踪监测。

其次，该安防侦察机器人可以完成无线传输功能，能够实现平台电路与上位机监控界面之间的图像无线传输，通过轻小型惯性稳定平台电路与平台上位机监控界面的无线连接实现对平台框架的稳定及手动跟踪监测功能。

第三，该安防侦察机器人可实现对安防侦察小车的无线控制。该系统中的安防侦察小车的控制采用手机APP无线控制，利用手机完成对安防侦察小车的无线移动的功能，实现对承载轻小型惯性稳定平台的安防侦察小车的无线控制。

4 结束语

本文设计了一种基于惯性稳定实时侦察/监视与大范围快速目标跟踪双模式的安防侦察机器人，将惯性稳定技术与无线控制技术相结合，克服了现有侦察机器人的不足，实现了提高监视图像质量和目标捕捉效率的双重目的。该机器人既可在危险场合静态监视，又可在逼近目标过程中动态获取高清晰图像，主要功能包括：（1）无线驱动行走功能；（2）姿态扰动隔离功能；（3）动态惯性稳定成像；（4）静态长时伺服监视功能；（5）大范围目标快速捕捉功能。当目标位置突然发生变化，后方人员发给稳定平台无线控制指令，稳定平台从伺服控制切入快速跟踪控制模式，后方人员通过监视器大范围无线控制追踪目标，获取目标后马上恢复稳定监视模式。

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