基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID的人工智能環(huán)保衛(wèi)士“機(jī)器人”的設(shè)計與研究

賈如春

摘 要：基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID的智能環(huán)保衛(wèi)士“機(jī)器人”采用數(shù)字圖像處理技術(shù)的智能垃圾識別系統(tǒng)，通過CMOS數(shù)字圖像傳感器識別垃圾；以太網(wǎng)通信技術(shù)同Internet聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)雙向互通；設(shè)計了斬波恒流細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方案，驅(qū)動機(jī)器人拾取和回收目標(biāo)垃圾；軟件上采取了模糊PID算法，實現(xiàn)靈活的機(jī)器人控制；設(shè)計了最優(yōu)化的垃圾搜尋路線確定算法，使機(jī)器人高效快捷地尋找目標(biāo)垃圾。運(yùn)用模糊PID算法的舵機(jī)系統(tǒng)控制電機(jī)驅(qū)動部分，采用步進(jìn)電機(jī)對目標(biāo)垃圾進(jìn)行拾取和回收，同時，根據(jù)服務(wù)性機(jī)器人的特點及需求，采用無線以太網(wǎng)接入Internet網(wǎng)，對機(jī)器人進(jìn)行智能遠(yuǎn)程操控。

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；模糊PID；智能環(huán)保；機(jī)器人

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID的智能環(huán)保衛(wèi)士“機(jī)器人”是一個能在特定場所，按高效的路徑進(jìn)行搜索，實現(xiàn)預(yù)定垃圾搜索識別，然后拾取目標(biāo)垃圾的環(huán)保智能小，充分實現(xiàn)了智能機(jī)器人代替手動人力來對街道、公園等大中小型平面場所的垃圾的清潔環(huán)保工作，從內(nèi)部系統(tǒng)實現(xiàn)上采取了模糊PID算法，設(shè)計最優(yōu)化的垃圾搜尋路線確定算法，使機(jī)器人高效快捷地尋找目標(biāo)垃圾，靈活的的可監(jiān)控控制的機(jī)器人。

一、人工智能機(jī)器人國內(nèi)外技術(shù)水平比較分析

根據(jù)WTEC評估結(jié)果，環(huán)保機(jī)器人室外導(dǎo)航、機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)（ 控制、機(jī)構(gòu)和計算的集成）、以及部分服務(wù)和個人機(jī)器人領(lǐng)域等美國始終保持領(lǐng)先地位：日本和韓國在機(jī)器人移動技術(shù)、人形機(jī)器人和部分服務(wù)和個人機(jī)器人（包括娛樂）領(lǐng)域處于領(lǐng)先位置。歐洲在結(jié)構(gòu)化環(huán)境的移動技術(shù)，包括城市交通領(lǐng)域保持領(lǐng)先。歐洲還在助老和家庭服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域資助了重大計劃。澳大利亞在定位和導(dǎo)航的理論和應(yīng)用方面具有優(yōu)勢。

我國學(xué)術(shù)界和企業(yè)界在863計劃和國家自然科學(xué)基金等項目的支持下，先后針對上述技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，并取得大量研究成果。但值得指出的是大多數(shù)研究成果都停留在理論研究層面，并沒有將研究成果在產(chǎn)品技術(shù)上體現(xiàn)出來。從成果應(yīng)用上看，我國的服務(wù)機(jī)器人主要以吸塵器機(jī)器人和教育平臺為主。

二、人工智能環(huán)保機(jī)器人在我國發(fā)展趨勢

縱觀國內(nèi)外服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展，可以發(fā)現(xiàn)服務(wù)機(jī)器人在我國具有廣闊的市場空間。首先是老齡化社會和殘疾人服務(wù)對服務(wù)機(jī)器人的市場需求。目前我國60歲以上人口已超過總?cè)丝诘?0%，預(yù)計到2015年國老年人口總數(shù)將達(dá)到2億人，人口的老齡化問題將成為中國面臨的前所未有的新挑戰(zhàn)；此外，我國殘疾人占總?cè)丝诒戎匚痪尤澜巛^高國家之列?？梢灶A(yù)計，在不遠(yuǎn)的將來，老年人和殘疾人的護(hù)理將成為社會的一個重要負(fù)擔(dān) 需要一大批護(hù)理機(jī)器人提供諸如取物、喂飯、翻書等服務(wù)，幫助、照顧老年人和殘疾人的日常生活，提高他們的生活質(zhì)量，從而減少社會對護(hù)理人員的數(shù)量和要求。

三、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID的智能環(huán)保衛(wèi)士“機(jī)器人”設(shè)計原理

本系統(tǒng)采用圖像傳感器對圖像信號進(jìn)行采集，其圖像傳感器的原理是利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能，將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的“圖像”電信號的一種功能器件。 圖像傳感器的兩大主流是CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體元件）和CCD（ChargedCoupled Device電荷耦合元件），CMOS圖像傳感器的發(fā)展得益于CMOS集成電路工藝的成熟，相對于CCD圖像傳感器，它具有較低的電源功耗、較高的感光度以及更靈活的圖像捕獲能力等特點。隨著芯片制造技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器日益受到重視，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣，已成為固體圖像傳感器的研發(fā)熱點。，CMOS圖像傳感器的總體由光敏像元陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時和控制電路、片上模擬信號處理器（ASP）構(gòu)成，數(shù)字式CMOS圖像傳感器還集成有片上模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器。

人工智能環(huán)保機(jī)器人的圖像采集系統(tǒng)采用了CMOS圖像傳感器OV6620的攝像頭，OV6620的最大分辨率為352×288。OV662O是美國OmniVision公司生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器，以其高性能、低功耗適合應(yīng)用在嵌入式圖像采集系統(tǒng)中，本系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)的輸入都是通過0V6620采集進(jìn)來的。 OV6620集成在一個板卡上，有獨立的17 MHz晶振。輸出3個圖像同步的時序信號：像素時鐘PCLK、幀同步VSYNC和行同步HREF。同時，還可以通過8位或16位的數(shù)據(jù)總線輸出RGB或YCrCb格式的圖像數(shù)據(jù)。硬件設(shè)計上，有2個問題需要解決，一個是圖像采集的嚴(yán)格時序同步，另一個就是雙CPU 共享SRAM的總線仲裁。

四、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID的智能環(huán)保衛(wèi)士“機(jī)器人”工作過程

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID的智能環(huán)保衛(wèi)士“機(jī)器人”主要由HCS12X（圖像采集及處理）核的程序及XGATE（電機(jī)控制及以太網(wǎng)通信）核的程序兩部分。HCS12X（圖像采集及處理）主要完成圖像采集及處理，以提取目標(biāo)位置，確定搜索路徑等提供上層策略。XGATE（電機(jī)控制及以太網(wǎng)通信）主要完成電機(jī)控制以及以太網(wǎng)通信任務(wù)。系統(tǒng)開機(jī)上電后，進(jìn)行自動初始化，然后緊接著環(huán)保車等待圖像采集過程的結(jié)束，判斷是否有垃圾的存在。如果存在特定的垃圾，且當(dāng)垃圾距離遠(yuǎn)的時候，環(huán)保車就會調(diào)用跟蹤程序，去跟蹤目標(biāo)，直到到達(dá)目標(biāo)的周圍，自動接近目標(biāo)。當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)垃圾的一定范圍內(nèi)后，環(huán)保車就會調(diào)用目標(biāo)拾取程序，通過控制舵機(jī)系統(tǒng)，將目標(biāo)拾取到車載箱中。當(dāng)然如果圖像采集完畢后目標(biāo)垃圾的位置滿足舵機(jī)的范圍，系統(tǒng)就會直接控制舵機(jī)，拾取目標(biāo)，然后記錄當(dāng)前的位置，最后規(guī)劃搜索路徑，重新開始圖像采集。在系統(tǒng)中我們使用了大量的狀態(tài)機(jī)制進(jìn)行各種狀態(tài)的判別和調(diào)用。打開圖像采集數(shù)據(jù)庫，提取圖像的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行邊緣提取，計算封閉區(qū)域的面積及形狀。如果滿足設(shè)定范圍值，那么記錄位置和目標(biāo)的大小，同時上傳給主控器可以拾取的信號，然后開啟其他狀態(tài)操作；如果沒有發(fā)現(xiàn)特定目標(biāo)，上傳給主控器搜索信號，開啟搜索狀態(tài)。