1.一种智能楼宇巡检机器人,其特征在于,包括:主体框架、控制模块、图像采集模块(401)、雷达导航模块(501)、语音播报模块(304)、电机驱动模块、降压模块(305)和电源模块(306);
所述主体框架包括主体仓(101)和摇臂转向架六轮移动机构;所述主体仓(101)内部安放一个底盘(301),用于安放所述控制模块、所述语音播报模块(304)、所述电机驱动模块、所述降压模块(305)和所述电源模块(306);所述摇臂转向架六轮移动机构主要用于所述智能楼宇巡检机器人的移动、越障和改变移动方向;
所述的控制模块包括主控制器(3031)和从控制器(3032);所述主控制器(3031)通过其外围的第一串口、第二串口和第三串口分别与所述图像采集模块(401)、所述雷达导航模块(501)和所述从控制器(3032)相连接;
所述语音播报模块(304)包括语音合成模组和微型播报喇叭;所述微型播报喇叭的端子线接入所述语音合成模组的音频输出端口,用于播放合成的语音,所述语音合成模组用于数据发送的管脚与所述主控制器(3031)用于数据接收的管脚相连接,所述语音合成模组用于数据接收的管脚与所述主控制器(3031)用于数据发送的管脚相连接;
所述电源模块(306)为12V直流稳压电源,在电源总线位置设置一个电源开关(307),用于所述智能楼宇巡检机器人的电源通断,所述电源模块(306)直接用于给所述电机驱动模块供电,将所述电源模块(306)的正负极接入所述降压模块(305)的输入级接线端子后,电源电压降至5V,再从所述降压模块(305)的输出级接线端子导出正负极,接入所述主控制器(3031)、所述雷达导航模块(501)和所述语音播报模块(304)的输入级正负极管脚以用于供电,所述图像采集模块(401)和所述从控制器(3032)分别由所述主控制器(3031)的第一串口和第三串口供电;
所述电机驱动模块包括三个电机驱动板,所述从控制器(3032)的输出级正负极管脚与第一电机驱动板(3021)的输入级正负极管脚相连接,第一电机驱动板(3021)的输出级正负极管脚与第二电机驱动板(3022)的输入级正负极管脚相连接,第二电机驱动板(3022)的输出级正负极管脚与第三电机驱动板(3023)的输入级正负极管脚相连接,每个电机驱动板都有一个电源接线端子和两个用于驱动输出和速度反馈的6P XH2.54端口,所述电源模块(306)正负极与每个电机驱动板电源接线端子的正负极相连接,每个电机驱动板的两个6P XH2.54端口通过6P XH2.54端子线与两个同轴心的驱动电机(206)的6P XH2.54端口相连接,每个电机驱动板用于PWM调速的管脚与所述从控制器(3032)具有PWM调速功能的管脚相连接,第一电机驱动板(3021)用于霍尔编码计数的管脚与所述从控制器(3032)的具有中断功能的管脚相连接,每个电机驱动板的其余信号管脚连接到所述从控制器(3032)的普通信号管脚上;
所述图像采集模块(401)和所述雷达导航模块(501)安装在所述主体仓(101)前端的“T”型架(102)上;所述图像采集模块(401)安装在所述“T”型架(102)正面两个连接杆交接处的中心位置;所述雷达导航模块(501)位于所述图像采集模块(401)正上方,横跨安装在所述主体仓(101)顶部离其最近的一个连接杆中心处和所述“T”型架(102)顶部连接杆中心处;
所述摇臂转向架六轮移动机构相对于所述主体仓(101)左右镜像对称,在所述主体仓(101)两侧各包括一个第一倒“V”型架(201)、一个第二倒“V”型架(202)、一个用于连接第一倒“V”型架(201)两个连接杆和衔接第二倒“V”型架(202)第一连接杆(2021)的连接机构(203)、三个安装基座(204)、三个安装架(205)、三个驱动电机(206)和三个驱动轮,其中所述主体仓(101)单侧的第一驱动轮(2071)和第二驱动轮(2072)安装在该侧第一倒“V”型架(201)两个连接杆的底端,该侧第三驱动轮(2073)安装在该侧第二倒“V”型架(202)第二连接杆(2022)的底端;
所述连接机构(203)是一组相连并且紧贴闭合的连接片,其中上连接片(2031)和下连接片(2032)通过螺栓连接固定,所述连接机构(203)在内部圆形凹槽的轴心位置镶嵌有一个螺栓型轴承(2033),并在该机构顶部用螺丝固定,作用于所述第一倒“V”型架(201)相对于所述第二倒“V”型架(202)做不小于九十度的旋转运动,便于所述智能楼宇巡检机器人跨越一定高度的障碍,所述连接机构(203)通过嵌套所述第一倒“V”型架(201)的两个连接杆将其连接,并与所述第二倒“V”型架(202)的第一连接杆(2021)通过镶嵌在所述连接机构(203)内部的螺栓型轴承(2033)衔接在一起,使用螺母固定,所述第二倒“V”型架(202)的第一连接杆(2021)和第二连接杆(2022)通过螺栓固定在所述主体仓(101)的侧面,其中所述第一连接杆(2021)紧贴安装在所述主体仓(101)侧面,所述第二连接杆(2022)固定安装在所述主体仓(101)侧面的第一侧柱(1011)和第二侧柱(1012)上,并与所述第一连接杆(2021)保持一定距离,使得所述主体仓(101)两侧的第一驱动轮(2071)、第二驱动轮(2072)和第三驱动轮(2073)的车轮边缘重合于一条直线上;
所述安装基座(204)通过嵌套所述第一倒“V”型架(201)和所述第二倒“V”型架(202)的连接杆将其连接,使用螺栓固定,再通过螺栓与其底部所述安装架(205)贴合固定,所述安装架(205)与所述驱动电机(206)通过螺丝贴合固定,通过顶丝在所述驱动电机(206)的输出轴外部嵌套固定一个螺母柱,镶嵌在所述驱动轮轴心的凹槽位置,所述驱动轮再通过轴心螺丝固定在所述驱动电机(206)输出轴外部嵌套的螺母柱上,使得所述驱动电机(206)的输出轴可以带动所述驱动轮转动;所述智能楼宇巡检机器人,其特征在于,采用以下工作方法,具体包括以下步骤:步骤S100:启动所述底盘(301)上的电源开关(307),给所述主控制器(3031)、所述雷达导航模块(501)、所述语音播报模块(304)、所述电机驱动模块供电,所述主控制器(3031)进而给所述图像采集模块(401)和所述从控制器(3032)供电,完成所述智能楼宇巡检机器人的电力供应;
步骤S110:所述雷达导航模块(501)对周围环境进行激光扫描,将得到的环境二维坐标数据通过所述主控制器(3031)转送给监控中心上位机处理,楼宇管理人员根据监控中心上位机处理后得到的环境二维地图,通过按动键盘或鼠标点拖的方式远程遥控所述智能楼宇巡检机器人到目标位置,所述主体仓(101)左右两侧的6个驱动轮采用差速转向的方式来改变移动方向,使得所述6个驱动轮带动所述智能楼宇巡检机器人沿楼宇管理人员预设的路线移动;
步骤S120:所述图像采集模块(401)对所述智能楼宇巡检机器人移动时的周围环境图像进行采集记录,将得到的环境图像数据通过所述主控制器(3031)转送给监控中心上位机,监控中心上位机对接收到的环境图像数据进行处理,用于实现图像监控、标志物识别、危险预警功能,辅助楼宇管理人员对楼宇进行智能化巡检;
步骤S130:当楼宇管理人员从所述智能楼宇巡检机器人采集的图像中发现楼宇环境存在安全隐患时,可以通过监控中心上位机向所述智能楼宇巡检机器人发送语音播报的内容,所述语音播报模块(304)接收到后进行语音播报,及时提醒周围人员注意,并派安全人员处理隐患;
所述智能楼宇巡检机器人,其特征在于,在监控中心上位机使用鼠标点拖的方式远程遥控所述智能楼宇巡检机器人进行巡检时,所述智能楼宇巡检机器人采用一种智能路径规划算法,用于计算出最佳的运动轨迹,使所述智能楼宇巡检机器人能够沿最佳轨迹移动,所述路径规划算法具体包括以下步骤:步骤S200:确定楼宇巡检机器人的运动轨迹,楼宇巡检机器人在t时刻的坐标如下:
x(t)=x(t‑1)+v(t)Δtcos(θ(t‑1))
y(t)=y(t‑1)+v(t)Δtsin(θ(t‑1))
θ(t)=θ(t‑1)+ω(t)Δt
其中,x(t)、x(t‑1)为楼宇巡检机器人在t、(t‑1)时刻的X轴坐标,y(t)、y(t‑1)为楼宇巡检机器人在t、(t‑1)在时刻的Y轴坐标,θ(t)、θ(t‑1)为楼宇巡检机器人在t、(t‑1)时刻与X轴的夹角,v(t)、ω(t)为楼宇巡检机器人在t时刻的线速度和角速度,Δt为楼宇巡检机器人相邻两个动作的时间间隔,即采样周期;
步骤S210:对所述智能楼宇巡检机器人的运动速度进行采样,根据所述智能楼宇巡检机器人运动速度计算所述智能楼宇巡检机器人的运动轨迹,根据采样一定数量的速度来计算运动轨迹,然后评价这些运动轨迹是否合适;
其中,采样的速度需要满足在一定的采样空间内,该采样空间的确定受到以下三个因素的影响,具体包括所述智能楼宇巡检机器人自身最大速度最小速度的限制、智能楼宇巡检机器人的电机性能、智能楼宇巡检机器人移动过程中遇到的障碍,根据公式(1)、公式(2)和公式(3)可以得到三个速度集合Vs、Vd、Va,可计算出采样空间Vr为三个速度集合的交集Vr=Vs∩Vd∩Va;
Vs={(v,ω)|v∈[vmin,vmax]∧ω∈[ωmin,ωmax]} (1)Vd={(v,ω)|v∈[vc‑vbΔt,vc+vaΔt]∧ω∈[ωc‑ωbΔt,ωc+ωaΔt]} (2)其中,v、ω为楼宇巡检机器人一个采样周期内的线速度、角速度范围,在公式(1)中,Vs为楼宇巡检机器人受自身最大速度最小速度的限制得到的速度集合,vmax、vmin为楼宇巡检机器人最大、最小线速度,ωmax、ωmin为楼宇巡检机器人最大、最小角速度;在公式(2)中,Vd为楼宇巡检机器人受电机性能影响得到的速度集合,vc、ωc为楼宇巡检机器人当前时刻的线速度、角速度,va、vb为楼宇巡检机器人最大线加、减速度,ωa、ωb为楼宇巡检机器人最大角加、减速度,Δt为楼宇巡检机器人采样周期;在公式(3)中,Va为楼宇巡检机器人受移动过程中遇到的障碍的影响得到的速度集合,vb为楼宇巡检机器人最大线减速度,ωb为楼宇巡检机器人最大角减速度,dist(v,ω)为速度(v,ω)对应轨迹上离障碍物最近的距离;
步骤S220:评价最佳运动轨迹,根据评价函数公式(4)对计算出的运动轨迹进行评价,进而选择当前状态下的最佳运动轨迹;
G(v,ω)=σ(αheading(v,ω)+βdistance(v,ω)+γvelocity(v,ω)) (4)其中,heading(v,ω)为楼宇巡检机器人方位角评价子函数,主要促进所述智能楼宇巡检机器人在移动过程中航向角不断的朝向目标点,distance(v,ω)为楼宇巡检机器人与障碍物距离评价子函数,意义为所述智能楼宇巡检机器人处于预测轨迹末端点位置时与地图上最近障碍物的距离,算法会对靠近障碍物的采样点进行惩罚,将其丢弃,确保所述智能楼宇巡检机器人的自主避障能力,降低所述智能楼宇巡检机器人与障碍物发生碰撞的概率,velocity(v,ω)为所述智能楼宇巡检机器人速度评价子函数,主要促进所述智能楼宇巡检机器人快速到达目标位置,各个评价子函数见公式(5)、公式(6)和公式(7);
heading(v,ω)=180°‑θ (5)
velocity(v,ω)=|vg| (7)
其中,θ为楼宇巡检机器人待评价轨迹末端点朝向与楼宇巡检机器人和目标点连线的夹角,d为楼宇巡检机器人处于轨迹末端点位置时与地图上最近障碍物的距离,L为提前设定的距离障碍物的阈值,|vg|为待评价轨迹的线速度。