自动监督的温度、湿度、亮度和助理个人机器人

文摘

智能环境和环境智能(AmI)技术定义未来社会,能源优化和智能管理对于一个可持续的进步至关重要。移动机器人也做出了重要的贡献这个提前的集成传感器和智能处理算法。介绍助理个人机器人的应用程序(APR)作为一个自治代理温度、湿度和亮度human-frequented领域的监管。机器人可替换主体功能允许收集传感器信息,探索或执行特定的任务,然后验证人类舒适的水平。拟议的方法创建信息和温度的分布地图,湿度、亮度和解释这些信息的舒适和警告说如果需要纠正动作。

1。介绍

人类健康和舒适通常与环境条件有关,一个人在白天花费很长一段时间。发展环境情报(AmI)培育智能环境的实现能够检测和对人类的存在。智能环境的概念通常是专注于能源优化,特别是在高需求的建筑和设施。AmI的目标之一是保持一个有效的使用能源资源的动态调整的行为不同的执行机构,通过检测和控制环境条件适应人类的存在。这种系统的体系结构通常是基于传感器网络的融合成为一个专门的计算单元,执行实时收集数据的分析,调整不同的行为致动器位于每个具体情况构建匹配所需的值。摘要(1)提出了一个案例研究智能建筑中的能源管理基于无线传感器网络(WSN)的集成。在这条线,拥有一个高效管理建筑的照明控制系统是必不可少的能源优化和已经在文献[2]。此外,事实证明,使用传感器网络低成本能源优化绿色建筑照明系统是一种可行的选择考虑(3]。空气质量的维护和建筑热环境也是一个重要的一部分,由于高能源消耗的电力需求,通风和空调(HVAC)。摘要(4]提出了热舒适的实现neurofuzzy控制器调节在一个办公大楼的预测模型以保持恒定的安慰尽管暖通空调系统所需的热适应时间。此外,传感器网络的实现技术也被认为是在城市场景,例如,监测空气质量在不同的城市地区(5)和交通监控(6]。

固定传感器网络的复杂性和规模呈上升趋势(7];这促进了/鼓励新通信方法的研究,以创建一个共同的概念空间中不同的异构设备如传感器、致动器,处理单元、存储单元和终端。物联网(物联网)概念诞生于这需要和允许一个简单的集成多个/各种设备一起工作在一个通用的智能环境(8]。自AmI技术的普及,这些设备通常用于家庭领域为了使舒适的智能管理,医疗、安全和节能。由此产生的这种方法通常被称为智能家居的实现(9]。实际上全球市场提供了简单的智能家居解决方案为非专家用户,以达到公众,鼓励开发新安装简易的建议(10]。大多数这样的实现的重点是为老年人提供医疗保健解决方案或患有疾病11]。这些方法在医疗智能环境是专门设计用于提供几个不同优势,旨在增加自给自足和用户的生活质量。

集成智能移动机器人的环境是一个具有挑战性的话题,作为主要目标的扩展概念“智能环境”的物理移动平台的集成能力与用户交互,环境,和其他设备。ENRICHME项目(12)是一个例子的概念,结合机器人和其他智能系统以监督和改善脆弱的老年人的生活质量。摘要(13)提出了一个智能家居监控和分析环境条件生成并交付组序列中用来控制服务机器人操作。执行医疗服务机器人的使用例程也经常在科学文献中提出。例如,在[14)一个机器人使用的计算机视觉系统检测。在同一条直线,其他服务机器人提出了集成的智能机器人环境像《霍比特人》(15)有多个实现辅助服务和健壮的自治能力。此外,robot-assistive购物服务交付和垃圾收集也解决和讨论16]在这几个老人被邀请参加实验。随着环境条件可以通过同一房间内不同位置不同,定位传感器网络的主要缺点之一是建立适当数量的测量设备,以及他们分布在一个共同的空间。嵌入传感器车载移动机器人的导航能力的在一个预定义的操作区是一个实用的解决方案的可伸缩性和冗余问题静态传感器网络。因为机器人的导航程序需要它能够识别其位置在探索区域,这些信息也可以记录测量值,允许它创建一个地图内的讲座和他们的立场之间的联系。这种方法提供了灵活性,当获取环境信息,可以在某些应用程序中非常有用。例如,在[17)提出了一种基于云服务的环境监测数据中心通过与自主机器人进行探索。在[18)提出了一种移动机器人作为智能消防人形机器人能够区分火源,吸烟,和热反射通过处理热红外相机的图片。此外,监测和智能控制室外实际环境中解决的19强劲装备传感器移动机器人)通过使用多个代理为土地巡逻。

本文提出了环境监督的发展应用程序作为补充助理个人机器人的功能(4月),一个人形辅助机器人(20.]。辅助机器人往往是多价平台能够执行不同的辅助例程,可以根据需要动态程序通过使用可用的和嵌入式工具。这个互补应用程序集中在保持机器人意识到它的环境条件:温度、湿度和亮度在执行常规任务。提出方法的主要目的是提供精确的地图与环境信息通过移动机器人在执行任何任务为了警告不舒服的条件。在未来,4月将使用这些信息来调整环境条件通过执行纠正措施。

2。个人助理机器人

本文中使用的平台是4月的第二个原型机器人(名为APR-02)。这个移动机器人是一个改进的初始设计,专注于提供网真服务由操作员控制(20.]。APR-02(图1)是专为完全自主的发展任务和装备了一种改进的计算单位,一种改进的机械结构,和一种改进的电机控制董事会,作为兼容更广泛的传感器。移动机器人的运动被定义为三个全向轮组成的完整系统,允许它在狭窄的室内地区执行复杂的操作(21]。移动机器人有Hokuyo UTM-30LX激光测距传感器(激光雷达)的原始分辨率1毫米用于机器人定位、映射和避障。主要的计算单位是一个完整的计算机(英特尔酷睿i7 - 6700 K, 16 GB DDR4, SSD硬盘)设置为主要控制所有设备。机器人控制系统是基于一个可替换主体架构(22),使得机器人能够执行多个进程通常执行设计辅助任务所需的有效途径。这多进程实现方案还提供多功能性,使管理多个机器人程序和服务的可能性。

3所示。方法

提出了AmI的应用方法应用程序是基于动态地图的创建提供了一个可视化表示环境信息以机载移动机器人传感器沿探索区域。APR-02执行自主导航过程,确定它的位置在地图的面积代表操作;此外,本程序还计算轨迹,机器人必须遵循的目标目的地。在探索过程中,机器人的讲座记录所需的传感器以及每堂课的位置是获得,允许创建为每个监控参数分布地图。

3.1。导航

APR-02的最重要的一个特性是它的功能来执行复杂的自治任务。大部分这样的任务需要机器人周围的物理布局信息,以及一个常数访问它的当前位置。实现自主导航系统的第一步是建立一个虚拟的地图区域的操作;一旦地图构建,机器人会自动存储它作为一个参考,允许它被装载每次机器人需要在特定区域。映射过程使用的方法是基于同步定位和映射(大满贯)方法处理激光测距数据提供的2 d激光雷达装置上机器人为了计算机器人的相对位置而创建一个二维模型探索区域的分辨率为1毫米。大满贯的方法用于本文基于FastSLAM方法(23)与一个定制的迭代最近点(ICP)激光样本对齐算法(24]。

上运行的导航过程是另一个平行的过程控制系统。这个过程查询当前位置的机器人SLAM过程获得的,然后计算当前目的地的路径映射。执行路径规划通过运行一个消息灵通的搜索算法(算法(25)与曼哈顿启发式)node-discretized版本的虚拟地图。图2显示了一个示例4月创建的虚拟地图的第一次探索。彩色区域在这个地图描绘了通航节点及其相关的权重。节点的权重分配与它的安全性;为此,节点附近的障碍与额外的惩罚成本。这个方法确保路径规划算法将优先考虑安全距离,尽量保持机器人从墙壁和其他障碍,如果可能的话。此外,导航过程是意识到意想不到的障碍检测到的激光测距传感器,以避免可能的碰撞。

3.2。信息的地图

本文提出了信息地图的创建和使用环境监督。提出的方法是基于提出的工作(26)是专注于气体泄漏的检测。在这种情况下,信息地图计算从原始传感器数据聚集在1赫兹不断由机器人在执行其他辅助任务或在特定的环境监督的探索。图3显示了一个基于arm的嵌入式传感器板的图片设计为一个模块进行通信与APR和提供信息的温度、湿度和亮度。这个嵌入式传感器系统已被设计为一个多功能的USB配件传感器系统,可以插入不同位置的移动机器人根据环境要求。这个传感器系统设计提供冗余或互补的环境信息,例如,从前面或后面的移动机器人。

嵌入式传感器获得的数据处理和存储在一个自定义结构包含原始的讲座从每个传感器以及机器人当前的坐标和时间戳确定讲座的时间。地图的信息产生局部传感器的组合样品和虚拟区域地图大满贯建造的过程。传感器集成到虚拟地图样本根据其相对二维坐标1毫米的决议。在这一点上,样品都通过使用双调和的样条插值方法(27为了填补虚拟地图边界。因此,这些信息地图呈现环境信息以一种有效的方式,可以作为视觉或自动处理,以定义输入为进一步纠正动作。这种方法的准确性主要取决于样品的数量聚集在监督区域内的机器人。然而,这个应用程序不需要饱和巡逻为了获得盈利的结果。环境条件的表示,据估计,只要一旦穿过一条走廊。此外,地图是分段的信息在不同的地区(走廊、大厅、办公室、休息室等)中定义的与人类舒适水平不同(28]。有趣的是,舒适范围不固定,可能随季节。

4所示。实验和结果

这项工作进行的实验阶段的二楼Lleida大学的理工学校。移动机器人程序执行环境控制日常巡逻在地板上。虚拟的场景地图以前建造和可供其使用每个机器人任务在这个区域。机器人导航规划可以通过设置关键节点的列表定义机器人必须按照指定的顺序访问之前回到其初始位置的结论的探索。在这个实验中,机器人执行预定义的循环开始探索基地的位置在一个实验室;然后机器人必须离开实验室,达到紧急出口在走廊的尽头,访问入口大厅,回到它的起点在实验室。图4显示了4月的轨迹在虚拟的场景地图的实验。移动机器人花760.8秒的探索、收集共1692个样本,共计98.08米。

根据应用程序计划,信息地图与温度、湿度和亮度可以在线计算完成后或环境监督任务。结果描述的轨迹数据所示5,6,7网的颜色是相对于最大和最小测量值在整个探索。这些地图提供了准确的信息可以存储的环境条件,加工,或者比较进一步分析。

网格和颜色代表价值变化的探索和测量区域。这些信息也可以提供特定的信息处理人类舒适的范围在不同的领域探索。结果,这个分段信息地图很容易解释,因为颜色直接警告说有必要实施纠正动作。图8显示的结果舒适分割过程提出的绿色区域描述一个适当的环境条件。红颜色的区域在温度和湿度地图识别区域的值在推荐的舒适程度,而蓝颜色的区域识别领域讲座低于推荐的范围。的亮度较低的地区一个红色描绘了地图照明水平。

最后,数字地图的信息8 (c)显示的亮度水平的走廊设施没有足够的根据预定义的舒适水平。在这种情况下,探索了在暴风雨天只是一个下午的时刻自然照明由太阳提供公共设施显然是不够的。在这种情况下,进一步互连大楼的4月与主系统可用于自动纠正这种情况通过自动打开和关闭的走廊的照明设施。

5。结论

这项工作提供了一个AmI应用基于助理个人机器人的使用的监督温度、湿度和亮度的条件。这个应用程序被设计成一个互补功能的智能移动机器人能够自主发展助理在室内环境中任务。智能机器人用于本文提供高的计算能力和足够的资源,使一个可替换主体控制系统可以设置不同的机器人过程同时进行。这种方法允许机器人在其主要辅助工作任务在执行日常环境监督,不断地收集和处理额外的传感器数据。这种方法使地图的创建信息结合传感器数据和实验区域的虚拟地图基于ICP-based大满贯的应用程序。地图提供详细的信息和局部环境数据,可以根据舒适水平分割。提出AmI系统可以连接到主控制单元管理多个致动器的功能(可控灯光、空调系统、通风百叶窗控制,等等)来执行相应的纠正措施维持推荐范围内的舒适水平。

未来的工作将集中在一个健壮的AmI的实现框架符合提出的方法来构建嵌入式智能控制系统。结果AmI地图也应该解释的信息系统,以检测环境一致和维持一个恒定的环境监督。未来的工作还将考虑的组合多个机器人工作在相同的或不同的楼层相同的建筑,研究创建一个可替换主体系统的可能性,管理整个建筑的环境条件。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究是在政府的支持下进行的加泰罗尼亚(Comissionat每一个大学我Recerca Departament d 'Innovacio,大学我senior)和欧洲社会基金。

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