一種機器人集群方法及系統與流程
2023-11-10 13:15:52
本發明涉及一種機器人集群組網和綜合管控方法及系統。
背景技術：
現有的機器人本體的各個模塊和設備的無線連接能力比較弱，無線信號易斷開；現有機器人通過3G/4G聯網後，機器人的IP是一個區域網，從外網無法直接訪問機器人及內部的設備；視頻監控都是固定的，存在一定的監控盲點；視頻監控攝像頭布置在牆頂或高於人頭的位置，人戴一個帽子可以遮住人臉，使得犯罪分子很容易規避監控；沒有區域網和網際網路的後臺終端和移動終端實時查看機器人的狀態、行為和周邊環境，並進行相應的控制和任務分配；沒有通過網絡向後端實時上報GPS位置，也沒有在後端地圖上實時顯示機器人的位置；沒有多機協同的管控功能。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種機器人集群方法及系統。
為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：一種機器人集群系統，包括管控中心、計算與數據中心、計算與數據節點、區域網移動管控終端、遠程移動管控終端、機器人本體；所述管控中心、計算與數據中心、計算與數據節點、區域網移動管控終端、遠程移動管控終端、機器人本體均接入網際網路/區域網；所述機器人本體包括依次連接的路由器、交換機、網絡攝像頭；所述交換機與工控機連接；所述路由器與人機互動終端通信；所述人機互動終端通過WIFI熱點或3G/4G基站與所述網際網路/區域網通信。
所述網絡攝像頭包括前、後、左、右四個攝像頭，分別固定在機器人外殼的前部、後部、左側和右側。
一種機器人集群方法，包括管控機器人狀態、管控機器人實時絕對位置和局部相對位置、管控機器人的周邊環境、任務規劃和控制及巡邏過程管控、管控機器人的異常行為，其中：
管控機器人狀態的過程包括：工控機通過網絡實時上報機器人的電量和電壓數據、狀態機的狀態碼、碰撞開關數據、執行機構的狀態、左右輪速度、託盤狀態、頭的水平偏移角度、超聲波對障礙物的感知數據和防跌落傳感器數據給計算與數據節點或遠程的計算與數據中心；計算與數據中心或計算與數據節點查找數據，將這些數據轉發給管控中心、客戶對應的管控節點和移動管控終端；管控中心、客戶對應的管控節點和移動管控終端接收數據後在界面上顯示具體的數據；
管控機器人實時絕對位置和局部相對位置的過程包括：人機互動終端或工控機內置GPS傳感器，實時上報機器人自身的GPS位置和局部相對坐標及角度數據給計算與數據節點或遠程的計算與數據中心；計算與數據中心查找資料庫，找到對應的管控中心或管控節點，將位置數據轉發過去；管控中心和後臺管控節點的位置監控終端接收到GPS位置和實時局部位置數據，並將GPS位置或實時局部位置顯示在地圖上，實時顯示機器人所屬位置；
管控機器人的周邊環境的流程包括車牌異常識別過程和人臉異常識別過程，車牌異常識別過程包括：管控節點事先錄入本區域或大廈位置，發送到計算與數據中心；工控機實時獲取4個攝像頭識別到的車牌號，發送到計算與數據中心或計算與數據節點，計算與數據中心或計算與數據節點比對資料庫，有幾種情況：本區域或大廈歸屬車牌、非本區域或大廈歸屬車牌、被盜車牌、吊銷車牌，將上述情況轉發給對應的管控節點或管控中心，管控節點或管控中心接收到後，在界面上按一定的安全等級以文字、圖片或聲音通報出來；所述的安全等級是指吊銷車牌的安全等級最高、被盜車牌其次、非本區域或大廈歸屬車牌再其次、本區域或大廈的車牌安全等級最低；
人臉異常識別過程包括：通過管控節點事先錄入通緝犯、國內和國際暴恐分子、邪教組織人員、國際言論異常分子等異常人員的照片和文字信息，發送到計算與數據中心；工控機實時獲取到4個攝像頭的畫面，發送到計算與數據中心或計算與數據節點，計算與數據中心或計算與數據節點通過人工智慧神經網絡搜索方法，搜索到人臉模型數據後，將檢測結果轉發給對應的管控節點或管控中心，管控節點或管控中心接收到後，在界面上按一定的危險等級以文字、圖片或聲音通報出來；所述危險等級是指通緝犯的危險等級最高、暴恐分子的危險等級其次、邪教組織人員危險等級隨後、言論組織異常分子的危險登記最低；
任務規劃和控制及巡邏過程管控包括：控制機器人行走、控制執行機構動作、調整機器人的音量、設置巡邏任務、充電、重啟和關機，並對巡邏任務執行情況管控。
管控機器人異常行為的過程包括：管控中心、客戶對應的管控節點和移動管控終端通過網絡從計算與數據節點或遠程的計算與數據中心獲取到機器人的所述狀態和位置數據後，發現機器人的行為出現偏離預定路線、執行非計劃內的任務的情況，修正機器人的姿態和位置。
與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為：本發明改善了機器人內部各個設備連網的可靠性；具有多種網絡類型(3G、4G、區域網和網際網路）可選擇組網或接入；除了管控機器人各種狀態情況外，具有對機器人異常行為管控的能力；具有管控機器人實時絕對位置和局部相對位置的能力；全方位360度無死角智能管控機器人的周邊環境，對公共安全危險人員（通緝犯、國內和國際暴恐分子、邪教組織人員、國際言論異常分子等）和異常車牌進出具有識別和預警能力；具有機器人的任務規劃和控制及巡邏過程管控；具有多種終端（管控中心、各網點的管控節點、無地理位置限制的移動管控終端）實現上述管控。
附圖說明
圖1為本發明系統總體框圖；
圖2為本發明機器人本體網絡連線圖；
圖3為本發明計算與數據中心程序架構圖；
圖4為本發明計算與數據中心程序基本流程圖；
圖5為本發明接入集群網絡流程圖；
圖6為本發明關聯方法流程圖；
圖7為本發明機器人本體的實時狀態監控實現過程圖；
圖8為本發明實時位置管控實現過程圖；
圖9為本發明攝像頭車牌和人臉異常識別和告警實現過程圖；
圖10為本發明任務分配和控制的實現過程圖；
圖11為本發明巡邏任務執行情況管控流程圖。
具體實施方式
機器人本體系統包括路由器、交換機、網絡攝像頭、工控機系統和人機互動終端；
路由器可以是WiFi路由器，也可以是3G或4G路由器，固定在機器人內部，LAN口提供有線網絡接交換機；
交換機固定在機器人內部，一個埠連接所述的路由器，其它埠連接網絡攝像頭和工控機；
工控機系統包括工控機設備和工控機軟體，工控機設備固定在機器人內部，對應的軟體安裝在工控機存儲器；
人機互動終端固定在機器人的頭部；通過WiFi直接與所述的機器人內部路由器相連，也可以與機器人周圍的WiFi熱點相連；
網絡攝像頭固定在機器人外殼的4個方向或頂部；網絡攝像頭具有360無死角監控的效果,能夠實時拍到周圍的圖像；網絡攝像頭還包含了一個智能感光系統,能夠自動感應周圍的光線,並在光線暗時自動打開攝像頭旁邊的 LED,以便機器人在黑暗環境中能獲取清晰的圖像。
計算與數據中心和計算與數據節點均由伺服器構成，由於計算與數據中心需要支持更多的機器人和各種管控終端，因此計算與數據中心的配置更高，且可組成伺服器集群；每個伺服器由CPU計算單元和磁碟存儲隊列組成，其中CPU計算能力表現為對機器人狀態和GPS位置收集和轉發、客戶端請求解析、各種控制指令（包括行走、執行機構等）轉發，也負責執行存儲操作；其中存儲能力表現為客戶信息、客戶帳號、機器人配置和多媒體數據存儲；計算與數據中心和計算與數據節點支持負載均衡、能實時快速處理各種數據；伺服器的架構圖如圖3所示，伺服器程序的技術架構分了4層，輸入和輸出層負責與外界通信的接口，業務層為輸入和輸出層服務，具體負責與外界通信的邏輯功能實現；核心層為業務層服務，負責基本架構和基礎功能實現，監視層負責監視程序是否正常，異常的時候負責對程序殺掉和重啟；伺服器程序基本流程圖如圖4所示。
其中計算與數據節點部署在客戶場地；
管控中心連接到網際網路；
後臺管控節點部署在客戶場地；
機器人本地內的路由器無線橋接或WDS無線連接到機器人周圍環境的WiFi熱點上，WiFi熱點可連接區域網與本地的計算和數據節點相連，WiFi熱點也可以與遠程的計算與數據中心相連；
集群管控系統組建流程如圖5所示，其步驟：1、預先在計算與數據中心或所述的計算與數據節點註冊機器人用戶信息、帳號名和密碼，並錄入所述的網絡攝像頭、工控機和人機互動終端的IP和埠，並用機器人ID將對應的用戶名、每個機器人的所有IP和埠在資料庫中綁定；2、機器人內部各個設備（工控機、人機互動終端和各個攝像頭）、管控中心和管控節點的各個終端（視頻監視終端、地圖監視終端和操作終端）、移動管控終端登錄到計算與數據中心或計算與數據節點後，將自己的ID信息上報；3、計算與數據中心或計算與數據節點將各個客戶端連接的socket（電腦程式設計的術語，見術語解釋）和上報的ID與用戶名使用數據結構隊列關聯起來，並添加或更新到內中，具體的關聯方法如圖6所示，分機器人、人機互動終端、視頻監視終端、地圖監視終端、操作終端和移動管控終端6個數據鍊表隊列（鍊表屬於電腦程式設計的術語，見術語解釋。每個一個數據結構均由socket、ID和用戶名ID這3個基本成員組成，每一個數據結構在電腦程式鍾連成一個鍊表）；4、之後所述的管控中心登錄到計算與數據中心可以取到所有機器人本體系統裡面所有設備的IP和埠；5、如系統總圖1所示，所述的遠程移動管控終端就可以在全世界任何一個地方通過3G、4G或WiFi連上網絡，使用用戶名和密碼登錄到計算與數據中心，取到用戶名對應的機器人本體系統裡面所有設備的IP和埠；6、所述的管控節點和區域網移動管控終端使用用戶名和密碼登錄到所述的計算與數據節點，取到用戶名對應的機器人本體系統裡面所有設備的IP和埠。
本發明中，集群管控的各種手段如下：
所述的遠程的管控中心和管控節點接入管控系統網絡後，由視頻監控終端、位置監控終端和控制終端組成，負責實時監視某區域的周邊環境，管理和控制某區域內的所有機器人執行相應的動作和任務,實時錄像存儲機器人在移動或不動時候周邊的環境情況，配置的磁碟陣列實時錄製機器人周邊環境的畫面，提供事後錄像調閱。
當使用WiFi相連的時候，客戶點可以搭建一個管控節點，該客戶區域的用戶可以通過手機、pad等行動裝置登陸到系統來實現類似管控中心類似的功能。
1、管控機器人各種狀態情況
包括局部相對坐標和角度、電量和電壓數據、狀態機的狀態碼、碰撞開關數據、執行機構（約束叉）的狀態、左右輪速度、託盤狀態、頭的水平偏移角度、超聲波對障礙物的感知數據和防跌落傳感器數據；
實現過程如圖7所示：
所述的工控機系統通過網絡，按照自定義的協議格式實時上報機器人的這些數據給計算與數據節點或遠程的計算與數據中心；計算與數據中心或節點查找數據中，將這些數據轉發給管控中心、客戶對應的管控節點和移動管控終端；這些終端接受後在界面上顯示具體的數據。
2、管控機器人實時絕對位置和局部相對位置
實現過程如圖7所示：所述人機互動終端或工控機內置GPS傳感器，會實時上報機器人自身的GPS位置給計算與數據節點或遠程的計算與數據中心；計算與數據中心查找資料庫，找到對應的管控中心或管控節點，將位置數據轉發過去；所述的管控中心和所述的後臺管控節點的位置監控終端接受到GPS和實時局部位置數據，並將GPS或實時局部位置顯示在地圖上，可以實時顯示機器人所屬位置。
3、全方位智能管控機器人的周邊環境
使用多網絡攝像頭組成360度無死角的監控、支持夜視功能，智能分析異常車牌、異常人臉；
實現過程如圖8所示：
給所述的管控中心、後臺管控節點、區域網和遠程移動管控終端通過用戶名取到對應的機器人的內網或外網的IP和埠，通過流媒體客戶端軟體將用戶名對應的所有或部分機器人的實時畫面預覽、錄像和回放檢索調閱所；
車牌異常識別過程如圖9所示：通過管控節點事先錄入本區域或大廈，發送到計算與數據中心；機器人身上安裝的4個攝像頭具備車牌識別，工控機軟體實時通過相應的API獲取到4個攝像頭識別到的車牌號，發送到計算與數據中心或計算與數據節點，計算與數據中心或計算與數據節點比對資料庫，有幾種情況：本區域或大廈歸屬車牌、非本區域或大廈歸屬車牌、被盜車牌、吊銷車牌等情況，將這個情況轉發給對應的管控節點或管控中心，管控節點或管控中心接受到後，立即在界面上按一定的安全等級以文字、圖片或聲音通報出來。
人臉異常識別過程如圖9所示：通過管控節點事先錄入通緝犯、國內和國際暴恐分子、邪教組織人員、國際言論異常分子等異常人員的照片和文字信息本區域或大廈，發送到計算與數據中心；工控機軟體實時通過相應的API獲取到4個攝像頭的畫面，發送到計算與數據中心或計算與數據節點，計算與數據中心或計算與數據節點通過神經網絡搜索算法，搜索到後，將這個結果按照一定的格式將結果轉發給對應的管控節點或管控中心，管控節點或管控中心接受到後，立即在界面上按一定的危險等級以文字、圖片或聲音通報出來。
4、任務規劃和控制及巡邏過程管控
包括控制機器人行走、控制執行機構（如手臂、頭、約束叉等）、調整機器人的音量、設置巡邏任務、充電、重啟和關機等操作，如圖10所示，並對巡邏任務執行情況管控，如圖11所示。
5、管控中心、客戶對應的管控節點和移動管控終端通過網絡從計算與數據節點或遠程的計算與數據中心獲取到機器人的所述狀態和位置數據後，發現機器人的行為出現偏離預定路線、執行非計劃內的任務的情況，可以實時通過所述的任務規劃和控制方法來發送暫停、關機和位置修正控制指令，來修正機器人的姿態和位置；
6、多機協同實現的管控
對機器人按地圖區域劃片投放，每個片區的機器人負責指定區域，做到巡邏、監控和提供服務功能，區域內機器人相互通過網絡共享位置和周邊環境數據。