智能垃圾收集機(jī)器人

王克強(qiáng) 高悅波 侯志輝 曾衍鑫 孔鎮(zhèn)清 鄭志杰

摘 要：隨著國(guó)民生活水平的提高，生活垃圾的數(shù)量也以驚人的速度在增長(zhǎng)。以廣州市為例：一天要產(chǎn)生的垃圾就高達(dá)2.8萬(wàn)噸，以10噸運(yùn)載量的卡車為準(zhǔn)，則需要2800架次，才能將一天的垃圾運(yùn)到處理場(chǎng)地，同時(shí)需要大量的環(huán)衛(wèi)工人配合工作。在工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益滲透到日常生活的今天，這種人力配合運(yùn)輸車的垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)模式不僅耗費(fèi)大量的人力、物力，也因?yàn)楣と肆?xí)慣將可回收垃圾及不可回收垃圾混合到運(yùn)輸車輛，而使資源不能得到高效回收。因此“智能垃圾收集機(jī)器人”應(yīng)運(yùn)而生。

關(guān)鍵詞：人工智能;垃圾收集

廣州市等一線、二線城市每天產(chǎn)生的生活、商業(yè)垃圾數(shù)量巨大，以傳統(tǒng)模式處理這些垃圾需要耗費(fèi)大量的人力、物力，且轉(zhuǎn)運(yùn)效率太低，且傳統(tǒng)的人工轉(zhuǎn)運(yùn)垃圾模式存在人工混合已分類垃圾的情況，使本可回收的資源被低回報(bào)地消耗。因此作者研究一種 “智能垃圾收集機(jī)器人”，旨在使用自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備協(xié)同工作和“機(jī)器學(xué)習(xí)”技術(shù)相配合，配合“人工智能”的時(shí)代潮流。解決了垃圾處理不及時(shí)、轉(zhuǎn)運(yùn)效率低、無(wú)法合理回收資源等問(wèn)題，使城市以高科技、宜居的形象展示給外來(lái)人群。

1基本思路與應(yīng)用技術(shù)

1.1基本思路

當(dāng)安裝于垃圾桶的超聲波模塊測(cè)定垃圾桶集滿垃圾后，通過(guò)WIFI模塊發(fā)送垃圾收取信息給控制中心，控制中心發(fā)出垃圾桶收取指令給垃圾收集機(jī)器人。利用UWB定位技術(shù)，智能垃圾收集機(jī)器人可以確定自身與目標(biāo)垃圾桶在全局地圖的絕對(duì)位置，然后利用激光雷達(dá)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行掃描并建立起局部地圖，接著使用路徑規(guī)劃算法確定路徑并完成避障。到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)后，機(jī)器人將裝滿垃圾的垃圾桶運(yùn)走并將空的垃圾桶留下。當(dāng)運(yùn)輸完成后，運(yùn)輸車將自動(dòng)返回停放區(qū)并自動(dòng)接入充電樁進(jìn)行充電。

1.2應(yīng)用技術(shù)

UWB定位技術(shù)：其具有傳輸速率高，穿透力強(qiáng)、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。這是激光雷達(dá)定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)等難以做到的?？纱_定機(jī)器人與目標(biāo)垃圾桶精確的全局位置，為跟隨路徑規(guī)劃提供全局導(dǎo)向。

激光雷達(dá)技術(shù)：雷達(dá)掃描儀順時(shí)針360度旋轉(zhuǎn)掃描，對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行測(cè)距掃描，進(jìn)而獲得周圍環(huán)境的局部地圖，從而實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和避障。激光雷達(dá)技術(shù)可以避免超聲波定位技術(shù)中由于超聲波被吸音材料吸收從而導(dǎo)致的定位偏差。

自動(dòng)充電技術(shù)：機(jī)器人在空閑時(shí)間段將自動(dòng)運(yùn)行到充電位置上進(jìn)行自動(dòng)充電，免去了人工看守充電的麻煩，提高了我們系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易管理性。

RFID射頻技術(shù)：射頻識(shí)別（RFID）是一種無(wú)線通信技術(shù)，可以通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。

嵌入式互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)：本項(xiàng)目采用WIFI模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，與藍(lán)牙模塊等局域網(wǎng)組建模塊相比，WIFI模塊可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程控制。另外，WIFI模塊還具有體積小，功耗低的特點(diǎn)。

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)：控制中心利用運(yùn)輸車工作數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納學(xué)習(xí)，以獲得更強(qiáng)的適應(yīng)性、靈活性等智能特性，提高機(jī)器人的整體性能。同時(shí)當(dāng)數(shù)據(jù)樣本足夠大后，對(duì)不同地點(diǎn)垃圾清理時(shí)間會(huì)越來(lái)越科學(xué)規(guī)范。

2 智能垃圾收集機(jī)器人的設(shè)計(jì)

2.1機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)

面對(duì)一些街道等比較擁擠狹小的地方，機(jī)器人要想在其中靈活運(yùn)行，基于麥克納姆輪技術(shù)的全方位運(yùn)動(dòng)運(yùn)輸車可以實(shí)現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)方式。因垃圾重量層次不齊，此運(yùn)輸車必須有足夠大的承重能力來(lái)承受商品重量，因此采用了定制CNC的軸承座，以及購(gòu)買了相應(yīng)的聯(lián)軸器來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸車強(qiáng)大的承重能力。

機(jī)器人底盤機(jī)械設(shè)計(jì)如圖1所示：

全方位移動(dòng)方式是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個(gè)機(jī)輪法向力上面。依靠各自機(jī)輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個(gè)合力矢量從而保證了這個(gè)平臺(tái)在最終的合力矢量的方向上能自由地移動(dòng)，而不改變機(jī)輪自身的方向。

這是與機(jī)器人抓取機(jī)械結(jié)構(gòu)相互匹配的垃圾桶，機(jī)器人通過(guò)RFID射頻技術(shù)識(shí)別到垃圾桶的機(jī)械連接部位后，對(duì)垃圾桶實(shí)施抓取。

垃圾桶機(jī)械圖如、機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)機(jī)械圖如圖2所示：

要使垃圾收集機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行，必然要有穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，所以很有必要設(shè)計(jì)出一種安全便捷的全自動(dòng)充電系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)器人數(shù)量龐大的時(shí)候，充電就成為了一個(gè)問(wèn)題，所以我們采用了自動(dòng)充電的技術(shù)，讓機(jī)器人在空閑時(shí)段可以自動(dòng)進(jìn)行充電，免去了人工充電的麻煩。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一款可用于運(yùn)輸車可以自動(dòng)充電的插座。

2.2 機(jī)器人功能設(shè)計(jì)

垃圾收集機(jī)器人主要由六部分組成：UWB定位系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、RFID、自動(dòng)避障系統(tǒng)、WIFI聯(lián)網(wǎng)模塊、夾取裝置。

垃圾桶主要有四部分構(gòu)成：UWB定位系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、RFID 標(biāo)簽、WIFI聯(lián)網(wǎng)模塊、基于超聲波的垃圾數(shù)量檢測(cè)系統(tǒng)。

控制中心主要由兩部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)、WIFI聯(lián)網(wǎng)模塊

各個(gè)模塊之間的連接關(guān)系如圖7所示：

圖7左側(cè)為垃圾桶各個(gè)硬件模塊組成圖，右側(cè)為垃圾收集機(jī)器人各個(gè)硬件模塊組成圖。

2.3主要技術(shù)說(shuō)明

2.3.1 UWB定位系統(tǒng)

UWB定位系統(tǒng)包括UWB定位基站和UWB定位標(biāo)簽。機(jī)器人上需要裝載1個(gè)UWB標(biāo)簽。各基站根據(jù)到達(dá)時(shí)間差得出各基站到標(biāo)簽的原始距離，進(jìn)而根據(jù)原始距離建立數(shù)學(xué)模型，從而解算出機(jī)器人所在坐標(biāo)，再通過(guò)WIFI模塊將坐標(biāo)等信息發(fā)送回給標(biāo)簽，然后標(biāo)簽再把位置信息傳給機(jī)器人主控。從而來(lái)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方向和速度。

TDOA是對(duì)TOA技術(shù)加以改進(jìn)的算法。TDOA定位不必要進(jìn)行基站和移動(dòng)終端之間的同步，而只需要基站之間進(jìn)行同步。因?yàn)榛镜奈恢檬枪潭ǖ?，基站之間進(jìn)行同步與基站和移動(dòng)終端之間進(jìn)行同步要容易實(shí)現(xiàn)得多。這使得TDOA定位比TOA定位要更加容易實(shí)現(xiàn)。

假設(shè)移動(dòng)終端的位置與基站1和基站2的距離差為R21=R2-R1，則移動(dòng)終端的位置必定在以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)，與兩個(gè)焦點(diǎn)的距離差恒為R21的雙曲線上。即若移動(dòng)終端的位置為（X0，Y0），基站1位置為（X1，Y1），基站2位置為（X2，Y2），則它們滿足關(guān)系：

AAAAA

再通過(guò)另一組移動(dòng)終端與基站1基站3或基站2基站3的TDOA，可以得到 另一組雙曲線，兩組雙曲線將最多產(chǎn)生兩個(gè)交點(diǎn)，再根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)（如半徑范圍 等）判斷出移動(dòng)終端的位置。

它的基本原理可以從下面的圖4得到良好的詮釋。

2.3.2 RFID識(shí)別系統(tǒng)

RFID識(shí)別系統(tǒng)包括RFID讀寫器、RFID天線、RFID電子標(biāo)簽。FRID射頻識(shí)別技術(shù)最重要的地方莫過(guò)于RFID讀寫器，將RFID天線固定在機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)上，RFID讀寫器通過(guò)RFID天線和電子標(biāo)簽傳遞射頻信號(hào)，從而讀取上方垃圾桶信息。

2.3.3 自動(dòng)避障系統(tǒng)

引力場(chǎng)（attraction）隨機(jī)器人與目標(biāo)點(diǎn)的距離增加而單調(diào)遞增，且方向指向目標(biāo)點(diǎn);斥力場(chǎng)（repulsion）在機(jī)器人處在障礙物位置時(shí)有一極大值，并隨機(jī)器人與障礙物距離的增大而單調(diào)減小，方向指向遠(yuǎn)離障礙物方向。

引力勢(shì)場(chǎng)的范圍比較大，而斥力的作用范圍只是局部的，當(dāng)機(jī)器人和障礙物的距離超過(guò)障礙物影響范圍的時(shí)候，機(jī)器人不受排斥勢(shì)場(chǎng)的影響。

人工勢(shì)場(chǎng)法如圖5所示：

2.3.4 機(jī)器學(xué)習(xí)

首先探索性數(shù)據(jù)分析：當(dāng)垃圾分布數(shù)據(jù)剛?cè)〉脮r(shí)，可能雜亂無(wú)章，看不出規(guī)律，通過(guò)作圖、造表、用各種形式的方程擬合，計(jì)算某些特征量等手段探索垃圾量時(shí)空分布的可能形式，即往什么方向和用何種方式去尋找和揭示隱含在數(shù)據(jù)中的規(guī)律性。

其次模型選定分析，在探索性分析的基礎(chǔ)上提出一類或幾類可能的模型，然后通過(guò)進(jìn)一步的分析從中挑選一定的模型。

最后推斷分析：通常使用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)所定模型或估計(jì)的可靠程度和精確程度做出推斷。

機(jī)器學(xué)習(xí)流程如圖6所示：

2.3.5 機(jī)器人協(xié)同系統(tǒng)

UWB定位系統(tǒng)雖然內(nèi)置了無(wú)線模塊，但為了提高效率，一般只用于傳輸路徑規(guī)劃指引指令，至于其它復(fù)雜的命令（比如強(qiáng)制斷電，指定路線運(yùn)行，指定工作區(qū)待命等），則需通過(guò)WIFI模塊，以此來(lái)提升安全性與穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)主控系統(tǒng)，它具有系統(tǒng)的完全信息，并能夠進(jìn)行全局規(guī)劃與決策。系統(tǒng)中的其它機(jī)器人則利用WIFI模塊進(jìn)行通信，機(jī)器人既能與主控機(jī)器人進(jìn)行信息交換，又能與其它的機(jī)器人進(jìn)行信息交換。機(jī)器人之間雖然不具有系統(tǒng)的完全信息，只有特殊條件下，才由主控機(jī)器人進(jìn)行全局的規(guī)劃與決策。

3 裝置應(yīng)用及轉(zhuǎn)化前景

采用了UWB定位技術(shù)進(jìn)行定位，這是激光雷達(dá)定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)等難以做到的。本項(xiàng)目采用激光雷達(dá)技術(shù)來(lái)進(jìn)行避障，激光雷達(dá)掃描儀順時(shí)針360度旋轉(zhuǎn)掃描，對(duì)周圍的環(huán)境進(jìn)行測(cè)距掃描，然后建立起瞬時(shí)周圍輪廓，并結(jié)合UWB定位與城市地圖來(lái)確定障礙物的位置，進(jìn)行智能避障。激光雷達(dá)技術(shù)可以避免超聲波定位技術(shù)中由于超聲波被吸音材料吸收從而導(dǎo)致的定位偏差。

如今社會(huì)人力成本越來(lái)越高，智能垃圾收集機(jī)器人的使用可以大幅度地減少人力成本。由于該系統(tǒng)是不需要人為干預(yù)的自動(dòng)化系統(tǒng)，因此機(jī)器人并不需要配備駕駛?cè)藛T和垃圾分揀人員，只需要定期檢查機(jī)器人，以及設(shè)置后臺(tái)監(jiān)控室實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人即可，因此該機(jī)器人的效率比起傳統(tǒng)的人工分揀要提高50%以上。解決了城市清潔人員缺少，招工難，用人荒等問(wèn)題，使得城市清潔進(jìn)入一個(gè)新的水平，這將會(huì)給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：

王克強(qiáng)（1968.4-），江西，贛州，碩士，教授，研究方向：人工智能.

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（201911347023）資助項(xiàng)目.

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院， 廣東 廣州 510220）