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(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】:T

2、P242.6【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)器人代替人來完成清潔衛(wèi)生、物品搬運(yùn)、家電控制、家庭娛樂、病況監(jiān)視、兒童教育、報(bào)時(shí)催醒、電話接聽等各種家務(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, 世界各國的老齡化問題也更進(jìn)一步地加劇了對智能型家庭服務(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65 歲, 在德國超過82, 000,000 人的年齡在60 歲以上, 分

3、別占該國人口的12.43%和22%, 而且近年來還有加重趨勢。在中國專家預(yù)言到2010 年中國獨(dú)生子女和老齡化問題將更加嚴(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)在我國發(fā)展迅速, 近幾年的增長速度達(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。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)

4、部安裝有智能安防系統(tǒng), 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)檢測到的信息通過無線網(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、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。 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。O- XYZ 為家庭服務(wù)機(jī)器人工作場所的固定參考坐標(biāo)系, 為機(jī)器人

5、固連的坐標(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XR 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 , 右輪的投影為。為簡單起見, 把同軸的兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪簡化為圖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)過時(shí)間t 后, 轉(zhuǎn)過角到達(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)過的曲線位移為:(1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

6、動(dòng), 原點(diǎn)的輪子角速度已知, 在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過角度,則通過式(1可得另一個(gè)非原點(diǎn)輪角速度方程: (2對于直線運(yùn)動(dòng)而言, =0, 即兩輪同速轉(zhuǎn)動(dòng)。q 的值應(yīng)該加以限制, 因?yàn)楫?dāng)過大( 接近- 時(shí)將使過大, 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: (3 式中L 代表機(jī)器人兩獨(dú)立驅(qū)動(dòng)輪間的長度( 輪距 , r 是輪子半徑, 、表示機(jī)器人左輪、右輪的角速度, 為家庭服務(wù)機(jī)器人經(jīng)過時(shí)間t 轉(zhuǎn)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(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、, 轉(zhuǎn)

7、彎半徑也是t 的函數(shù)。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), 即x(t、y(t、(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): 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)信號從觸發(fā)器發(fā)出經(jīng)過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、名稱和觸警動(dòng)作以備查用。我們選定Windows 2000 作為機(jī)器人智能安

8、防軟件的開發(fā)平臺(tái), 用VC+ 6.0 作為應(yīng)用層開發(fā)工具。為了讓智能安防軟件及時(shí)地響應(yīng)報(bào)警信號、安全地傳輸數(shù)據(jù), 在開發(fā)智能安防軟件時(shí)必須解決如下關(guān)鍵問題, 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、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位等, 并將設(shè)置保存在注冊表中“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:( 1 加入全局函數(shù)GetSetting和SaveSetting完成注冊表設(shè)置讀寫工作:GetSetting (Cstrin

9、g key, Cstring ValueName;Void SaveSetting(Cstring key, Cstring ValueName,Cstring value;( 2 加入對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, 程序需要打開一個(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)不過來, 太長則會(huì)影響事件的實(shí)時(shí)捕捉。我們使用SetTimer( 函數(shù)來定義時(shí)間間隔, 然后用OnTimer 函數(shù)響應(yīng)定時(shí)器的WM_TIMER 消息, 該函數(shù)需要完成如下監(jiān)控布防設(shè)置:(

10、 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* pApp = (CAlertA

11、pp*:AfxGetApp( ;m_pRsLogOpen (m_bstrSQL,(IDispatch*pAppm_pConnection, adOpenStatic, adLo ck Optimistic, adCmdText;If (m_cntLog! = m_pRsLogRecordCountm_cntLog = m_pRsLogRecordCount;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GSM手機(jī)給在外的主人發(fā)送短消息,報(bào)告室內(nèi)

12、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:( 1 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);( 2 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;( 3 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Internet 訪問帶有無線網(wǎng)卡的家庭服務(wù)機(jī)器人, 以期得到更詳細(xì)的確認(rèn)信

13、息。家庭服務(wù)機(jī)器人收到外部的請求后, 通過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, 嚇退入侵者。另一方面用戶也可以通過機(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? 并有效地防止錯(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, 對老人和小孩的照顧將變成一個(gè)十分迫切的問題, 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、醫(yī)療保健

14、、兒童教育、報(bào)時(shí)催醒等功能。圖4(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)庫來做出正確的判斷, 并且給出相應(yīng)的建議和應(yīng) 對措施。 而對于疾病知識(shí)庫維護(hù)模塊則可以提供在線更新, 以確保疾病知識(shí)庫的全面, 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)對措施。圖4(c是兒童教育模塊。小孩放 學(xué)后只需打開家庭服務(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, 另一方面,

15、 也可以 讓父母安心地工作, 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)人們在工作和學(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題而設(shè)計(jì)的, 通過這些功能模塊, 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。 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、設(shè)置最大傳輸速率、傳輸過程中的數(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 將傳統(tǒng)的智能安防系統(tǒng)與現(xiàn)代