自主巡逻机器人行进避障及火灾预警研究

摘要

仓库是物资集中存储的场所，一般为密闭空间，且大多有可燃性物品，一旦发生火灾，将造成巨大的损失。当前仓库火灾预警存在自动化水平低、监控有盲区、火灾预警误报及漏报率高的问题，为及时发现火灾险情，保证仓库中物品以及人员的安全，研究具有自主巡逻功能的火灾预警机器人具有重要的意义。本文设计的轮式巡逻机器人，可以在行进中自主避开障碍物，并对仓库可能发生的火灾进行预警检测。
　　巡逻机器人行进过程中准确避障是完成火灾预警任务的前提，本文针对仓库环境的特点，设计了巡逻机器人避障方案：采用超声波传感器探测障碍物，当检测到障碍物，通过视觉方法进行识障。首先，摄像头采集障碍物图像，利用Sobel边缘检测算法提取障碍物的边缘，在此基础上，运用Hough算法得到障碍物的边缘直线特征，确定特征点；其次，建立单目视觉的针孔模型计算障碍物的位置；最后，根据障碍物的位置，模糊避障策略控制电机的运行，实现避障目的。本文设计了巡逻机器人火灾联动预警策略，巡逻机器人行进中实时探测温度、烟雾和湿度信息，若检测到火灾险情，巡逻机器人停止行进，发出火灾联动控制指令，开启相关处理设备。研究基于图像的火焰、烟雾检测和识别算法，建立火焰和烟雾的特征模型，有助于提升仓库火灾的自动预警能力。
　　本文完成了巡逻机器人行进避障和火灾预警功能的FPGA硬件设计，采用Verilog HDL语言编程实现各算法，ModelSim软件和SignalTapⅡ逻辑分析仪对各功能模块进行仿真调试。实验条件下验证巡逻机器人系统的整体效果，巡逻机器人行进中可以准确避障，巡逻中探测到火灾时，发出火灾联动控制指令。通过火焰、烟雾图像检测实验，实现了对火灾险情的视觉检测识别。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3课题主要研究内容及结构

第二章 巡逻机器人系统总体设计

2.1巡逻机器人系统结构及工作流程

2.2巡逻机器人运动学模型

2.3系统硬件构成

2.4软件开发环境

第三章 巡逻机器人自主行进避障设计

3.1超声波探测障碍物

3.2选取图像色彩空间

3.3边缘检测算法

3.4 Hough直线检测算法

3.5单目视觉测距

3.6模糊避障控制

3.7电机PWM波设计

第四章 巡逻机器人火灾预警设计

4.1火灾预警方法

4.2环境参数预警策略设计

4.3联动控制

4.4火灾图像识别

第五章 巡逻机器人避障及预警FPGA设计

5.1 FPGA设计要求及开发流程

5.2超声波传感器探测

5.3摄像头模块

5.4 SDRAM存储模块

5.5 Sobel算法FPGA实现

5.6图像显示模块

5.7 Hough算法FPGA实现

5.8视觉测距模块

5.9模糊避障模块的FPGA设计

5.10火灾预警模块

5.11步进电机PWM模块

第六章 实验结果与分析

6.1实验场景

6.2实验参数

6.3巡逻机器人行进避障实验

6.4巡逻机器人火灾预警实验

6.5实验结果分析

总结与展望

参考文献

致谢