柳明遠(yuǎn) 陳安琪 彭莎莎 陳代祝

摘要：如今，全球疫情持續(xù)緊張，人類需要做好與病毒長期共存的準(zhǔn)備。其中，社區(qū)環(huán)境消毒將是長期面對病毒時不可忽視的重點。然而傳統(tǒng)的人工消毒方法具有很多缺陷，在產(chǎn)生巨大的工作量的同時還不能夠保證全方位的消毒，這對于重大疫情的防控很是不利。本文將介紹一種以北斗導(dǎo)航技術(shù)為支撐，以機器視覺進(jìn)行環(huán)境識別的無接觸社區(qū)殺毒機器人。該機器人通過北斗導(dǎo)航實現(xiàn)路徑優(yōu)化以及自動巡航功能，并且利用攝像頭和超聲波精確識別需消毒區(qū)域，通過機械臂來對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)消毒，在實現(xiàn)無人接觸社區(qū)消毒的同時，滿足了重大災(zāi)情下對于病毒防控的高指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航，機器人，消毒，環(huán)境識別

1.緒論

隨著國內(nèi)新冠疫情的逐步穩(wěn)定，人與人間的社交趨于常態(tài)化，如何保證社交和生活環(huán)境的安全，以及如何繼續(xù)穩(wěn)定疫情、防止反彈，已成為中國社會的新問題。對普通人工作、生活環(huán)境進(jìn)行消毒無疑是保證生活環(huán)境安全極有效的方法之一，但工作生活環(huán)境又存在著面積大、死角多的難點，給消毒工作帶來很多麻煩。

對疫區(qū)環(huán)境進(jìn)行消毒是醫(yī)護(hù)工作者重要工作之一，每天都需要重復(fù)，每天都有極大的工作量;并且醫(yī)護(hù)工作者在消毒過程中，也存在著被病毒感染、被消毒液腐蝕的風(fēng)險。

自疫情爆發(fā)以來，新技術(shù)在公共醫(yī)療中的應(yīng)用空間得到很大的提升。針對上述所提及的傳統(tǒng)人工消毒的缺陷，許多專家學(xué)者開始改革創(chuàng)新，許多新技術(shù)在這一方面開始應(yīng)用。如何在醫(yī)務(wù)人員的手中接手消毒工作，同時最大程度地減少人的感染風(fēng)險，實現(xiàn)對消毒過程和消毒結(jié)果的準(zhǔn)確控制，已經(jīng)成為人們思考的重要課題，消毒機器人將是一個關(guān)鍵的研究方向。

2.主要方案

消毒機器人以北斗導(dǎo)航技術(shù)為支撐，以機器視覺進(jìn)行環(huán)境識別，通過多種方法以達(dá)到精準(zhǔn)、科學(xué)消毒的目的。本項目采用以北斗導(dǎo)航為主要定位方式，加之信標(biāo)定位、航跡推算定位等機器人常用的定位方法構(gòu)成的多方面、高精度的綜合定位系統(tǒng)。通過攝像頭和安裝在舵機上的超聲波傳感器進(jìn)行動態(tài)的避障識別，通過舵機的旋轉(zhuǎn)增加超聲波傳感器的探測范圍。采用履帶這一運動方式，更好地適應(yīng)不同路況。通過采用機械臂等機械結(jié)構(gòu)，獲得更大消毒范圍的同時獲得更精準(zhǔn)的消毒效果。

3.關(guān)鍵技術(shù)

機器人的精準(zhǔn)定位。以北斗導(dǎo)航定位為主，獲得機器人的經(jīng)緯度位置信息。以航跡推算為輔，利用角加速度、運動速度等信息，通過航跡推算來輔助機器人定位。兩種定位方式相結(jié)合，綜合定位機器人在每個時間下的位置和姿態(tài)。

運動環(huán)境的識別。即便實現(xiàn)了精準(zhǔn)定位，在機器人自主路徑巡航和尋找消毒地點的過程中，容易受到周圍環(huán)境的干擾。通過安裝在舵機上的超聲波傳感器進(jìn)行動態(tài)的避障識別，通過舵機的旋轉(zhuǎn)增加超聲波傳感器的探測范圍，可以實現(xiàn)有效的障礙識別。使用攝像頭OV7725采集周圍環(huán)境圖像，使用機器視覺識別算法，將圖像進(jìn)行處理后，可以識別路況與環(huán)境。

消毒區(qū)域的判斷。通過OpenMV采集環(huán)境信息，判斷是否需要進(jìn)行消毒。對于固定的消毒區(qū)域，可采用識別AprilTag的方式，特定區(qū)域采用特定的AprilTag碼，達(dá)到更快更準(zhǔn)確的識別判斷效果。

機器人的機械系統(tǒng)分為機械臂三軸移動平臺、底座運動機構(gòu)以及消毒劑噴賽結(jié)構(gòu)，這三者均由電機驅(qū)動模塊驅(qū)動。

工作流程概述：消毒機器人在接收到消毒任務(wù)后，通過導(dǎo)航定位分析出最優(yōu)路線，并找到大致地點，途中對路況進(jìn)行分析，遇到障礙自動避讓，到達(dá)指定地點對留下的信標(biāo)進(jìn)行識別，進(jìn)行準(zhǔn)確環(huán)境定位，攝像頭采集到的信息可實時上傳到相關(guān)人員的顯示終端，相關(guān)人員對地形是否具有操作困難，以及對當(dāng)?shù)貐^(qū)人流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析選擇消毒模式，并判斷是否采取進(jìn)一步行動。

4.方案實現(xiàn)

4.1實時定位

本項目采用組合導(dǎo)航的定位方法，也就是將相對定位和絕對定位兩種方法相結(jié)合。相對定位就是航跡推斷定位，是一種使用最廣泛的定為手段。使用編碼器測出輪子轉(zhuǎn)速，積分后獲得位移;通過陀螺儀測出車體轉(zhuǎn)向的角加速度，積分后可以獲得與航向與角速度的變化。

一般將移動機器人在地球表面的運動近似為在地平面上的二維運動，建立了以經(jīng)度方向為X，緯度方向為Y的地理坐標(biāo)系。航位推算移動機器人的工作原理是在機器人的起始位置加入位移矢量，隨時獲取機器人的位置和姿態(tài)。

北斗導(dǎo)航模塊對機器人自主巡航的控制邏輯：通過北斗定位獲得機器人運動過程中實時的經(jīng)緯度坐標(biāo)，與已知設(shè)定好的目標(biāo)點坐標(biāo)比對，計算出下一步運動應(yīng)走的方向和粗略的路程。并且當(dāng)實時坐標(biāo)與規(guī)劃路徑產(chǎn)生偏差時，能夠及時糾正路徑偏差，實現(xiàn)機器人按照規(guī)定路線自主巡航至消毒目標(biāo)進(jìn)行消毒。

4.2環(huán)境識別

超聲波模塊與總鉆風(fēng)攝像頭進(jìn)行路況判斷。

超聲波避障：超聲波測距是利用超聲波的指向性強，傳播距離遠(yuǎn)的特點，利用計時器記錄的時間和聲音在空氣中傳播的速度（340m/s）計算障礙物的距離。為了更好的識別周圍障礙，將超聲波固定在舵機上，使它可進(jìn)行多角度檢測。舵機利用PWM波進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)占空比進(jìn)而控制舵機的角度。

總鉆風(fēng)攝像頭圖傳判斷路況：圖像處理是將圖片投影到一個新的視平面，也稱作投影映射。通用的變換公式為：

u，v是原始圖片像素點對應(yīng)的坐標(biāo)，進(jìn)行透視變換后的圖片坐標(biāo)為X，Y，因為這里不涉及到z軸上的變化，整理可得公式：

采用OpenMV判斷與識別消毒環(huán)境。本項目采用可靠性高、適用環(huán)境廣泛的信標(biāo)定位方法實現(xiàn)對消毒環(huán)境的定位。將AprilTag碼作為信標(biāo)，可用于包括識別，定位和姿態(tài)校準(zhǔn)等多種任務(wù)。AprilTag的基準(zhǔn)設(shè)計和編碼系統(tǒng)基于近乎最佳的字典編碼系統(tǒng)，并且檢測軟件對照明條件和視角具有魯棒性。所以說使用AprilTag可以精確并穩(wěn)定地定位消毒環(huán)境，且通過使用openmv攝像頭識別AprilTag以實現(xiàn)快速識別和調(diào)整機器人姿態(tài)的功能。

4.3運動平臺

考慮到面對各種環(huán)境都能有很好的適應(yīng)與運動能力，本系統(tǒng)采用履帶運動的形式。

履帶速度控制利用PID控制器，使之在遇到突發(fā)狀況，需要改變速度時可以更穩(wěn)定，更快速，更準(zhǔn)確。由于增量式PID計算量少，控制增量的確定僅與最近3次的輸入量有關(guān)，增量式對電機的控制有一定的優(yōu)勢，因此采用增量式PID。

轉(zhuǎn)向時，可通過控制兩側(cè)履帶的的牽引力，當(dāng)用較大半徑轉(zhuǎn)向時，控制一側(cè)電機減小轉(zhuǎn)速，使這一側(cè)履帶牽引力減小，而另一側(cè)履帶牽引力相應(yīng)增加，此時履帶的線速度如圖2箭頭所示，底盤就繞某回轉(zhuǎn)中心O轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)彎半徑較小時，控制一側(cè)電機停車制動，使該側(cè)軌道速度為零，底盤繞內(nèi)側(cè)履帶中心O1轉(zhuǎn)彎，其轉(zhuǎn)彎半徑等于軌道中心距離b，如圖2所示。

4.4消毒結(jié)構(gòu)

考慮到噴灑殺毒劑的實際情況，噴灑量與噴灑精度都需要得到項目人員的準(zhǔn)確控制。因此，本項目采用了一款臂長80cm的機械臂來達(dá)到效果。通過對調(diào)試過程中，舵機的扭力、臂長等參數(shù)的分析，本項目決定選用了MA86H步進(jìn)電機驅(qū)動器搭配86BYG250H步進(jìn)電機來控制該機械臂。在實際使用過程中，為了防止機械臂在運動到特定姿態(tài)時所需的電機轉(zhuǎn)矩過大，本項目采用了行星減速箱對步進(jìn)電機進(jìn)行減速控制。

5.應(yīng)用前景

在醫(yī)療消毒方面，機器人有著非常廣闊的前景，并且在未來消毒機器人會隨著深度學(xué)習(xí)、運動控制、大數(shù)據(jù)技術(shù)，北斗導(dǎo)航等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，在功能和應(yīng)用場景上將會進(jìn)一步的提升和完善?？焖俨渴鸷投喾椒◤?fù)合消毒;根據(jù)不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)定點分類消毒;優(yōu)化消毒方式和移動路徑，減少消毒產(chǎn)品的浪費;實時監(jiān)控產(chǎn)品流量，提高消毒效果;具有人體檢測功能，防止人身傷害;實現(xiàn)環(huán)境樣品回收，收集消毒區(qū)樣品，協(xié)助檢測人員快速判斷消毒結(jié)果;提高產(chǎn)品自身防護(hù)等級，可進(jìn)入高輻射、高溫、高病菌場所開展作業(yè);擴展產(chǎn)品著陸場景，并通過更換備件，在農(nóng)田，果園和種田等生產(chǎn)場所實現(xiàn)藥物和水體的噴涂。

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