基于樹莓派的固定路線巡航消毒機(jī)器人設(shè)計(jì)

沈家禮　蔣其友　楊環(huán)　劉津江　鄔浩

摘 要：文章基于機(jī)器視覺樹莓派智能小車，采用人工智能深度學(xué)習(xí)方法，自動(dòng)識(shí)別特定物體精準(zhǔn)定位，同時(shí)進(jìn)行紫外殺菌和噴灑消毒，并通過激光雷達(dá)自動(dòng)掃描規(guī)劃巡航路線，能適應(yīng)室外空曠與室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境，全過程無人值守。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;自動(dòng)識(shí)別;自主巡航;人工智能;激光雷達(dá);消毒機(jī)器人

0? 引言

自新冠疫情暴發(fā)以來，公眾對(duì)公共衛(wèi)生安全的關(guān)注度越來越高，由于病毒具有多種傳播途徑，人們開始關(guān)注周邊的公共衛(wèi)生安全、追求更加安全的居家生活環(huán)境。大量臨床研究結(jié)果顯示，新冠型皰疹病毒已經(jīng)能夠在一些低溫光滑的人體表面持續(xù)生存很長(zhǎng)一段時(shí)間。鑒于在學(xué)校、醫(yī)院、賓館這類消毒工作路線比較固定的場(chǎng)所，消毒機(jī)器人有更高的工作效率。一個(gè)40 m2的大型外科病房，傳統(tǒng)的醫(yī)療機(jī)械手和人工生物推車一次消毒一般需要6 h，消毒機(jī)器人能夠4 h一班地奔忙于一線醫(yī)院病房之間的通道運(yùn)輸消毒食品，減輕了一線住院醫(yī)務(wù)人員的工作強(qiáng)度，大大降低了一線醫(yī)患相互之間交叉感染病毒發(fā)生的危害。目前，消毒殺菌機(jī)器人常用的自動(dòng)消毒生物殺菌處理手段主要包括：激光超干殺菌霧化消毒過氧化氫、紫外線殺菌消毒、等離子凈化空氣消毒過濾等。使用消毒殺菌機(jī)器人可以根據(jù)不同的消毒環(huán)境，自動(dòng)準(zhǔn)確辨認(rèn)進(jìn)行消毒的細(xì)菌目標(biāo)和物質(zhì)選擇相應(yīng)的消毒殺菌手段。

本文采用樹莓派作為主控，設(shè)計(jì)一種按照固定路線巡航的消毒機(jī)器人，消毒機(jī)構(gòu)采用固定設(shè)計(jì)，只對(duì)設(shè)定的物體進(jìn)行消毒，既減少了用藥量，也簡(jiǎn)化了整機(jī)控制難度，提高了機(jī)器人的可靠性。

1? 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

項(xiàng)目系統(tǒng)功能框架如圖1所示，主要分為4個(gè)部分：（1）路線構(gòu)造部分，利用激光雷達(dá)和學(xué)習(xí)室內(nèi)地圖構(gòu)造使機(jī)器人能自動(dòng)規(guī)劃消毒路線和完成自動(dòng)避障功能。（2）消毒機(jī)構(gòu)部分，包括藥箱、水泵、噴嘴、紫外線燈燈，可根據(jù)固定路線中的消毒點(diǎn)位置定位，確定消毒點(diǎn)的高度;設(shè)定消毒方式和消毒時(shí)間，完成高效率的消毒工作。（3）機(jī)器人驅(qū)動(dòng)部分，編寫并完善消毒機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和其他驅(qū)動(dòng)程序，以便機(jī)器人能完成基礎(chǔ)的前進(jìn)、倒車、拐彎等功能，配合完成自動(dòng)規(guī)劃路線和自動(dòng)避障;此外，還需研究消毒裝置中消毒噴霧的配比和紫外線強(qiáng)度的照射。（4）主控部分，采用樹莓派，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)路線、位置點(diǎn)、基于樹莓派完成機(jī)器人全部設(shè)備的搭建。此外，樹莓派還能在完成消毒工作后對(duì)消毒點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和上報(bào)消毒報(bào)告。

2? 自動(dòng)巡航設(shè)計(jì)

張大偉等[1]研究基于雙目視覺慣性SLAM技術(shù)，可以讓消毒機(jī)器人利用兩個(gè)獨(dú)立的攝像視角，實(shí)現(xiàn)對(duì)自身所在的相對(duì)位置進(jìn)行估定、對(duì)工作環(huán)境的地圖進(jìn)行構(gòu)建、對(duì)行駛過的路徑進(jìn)行記錄。趙良玉等[2]研究的點(diǎn)線特征融合的環(huán)境特征提取方法，可以在很大程度上減少采集攝像機(jī)采集到大量劣質(zhì)、無效的特征線段，進(jìn)而大幅提升定位的精度，提高地圖和路徑圖的質(zhì)量，降低后期線段匹配的復(fù)雜度。

利用SLAM技術(shù)構(gòu)建的環(huán)境地圖，在行駛過程中，進(jìn)一步基于鄭欣悅等[3]研究的三維激光雷達(dá)，對(duì)環(huán)境進(jìn)行定位精度優(yōu)于1 cm的探索，能有效降低單獨(dú)使用視覺特征構(gòu)建地圖產(chǎn)生的誤差，并且進(jìn)一步對(duì)地圖進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，更精確地對(duì)障礙進(jìn)行規(guī)避，提高了自動(dòng)巡航能力的魯棒性。

3? 消毒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。消毒機(jī)器人內(nèi)部置有可以升降的收縮桿，桿上置有藥劑噴頭與紫外線燈若干，可以設(shè)定升降高度，以更有效地對(duì)目標(biāo)物表面進(jìn)行紫外線照射、消毒劑噴霧消殺作業(yè)。

消毒劑噴霧可選用75%酒精、過氧化氫溶液、一片含氯泡騰片溶于1 L清水、一包消毒粉加4.8 L清水，其中，后兩種含氯的消殺方式只限于在衛(wèi)生間與露天陽臺(tái)使用。

4? 樹莓派主控設(shè)計(jì)

樹莓派是一種基于Linux系統(tǒng)的小型微型計(jì)算機(jī)電腦，常被應(yīng)用在軟件編程等教育工業(yè)，功能強(qiáng)大，小巧便攜。在本項(xiàng)目里，需要主控模塊學(xué)習(xí)消毒構(gòu)造、控制行進(jìn)、地圖構(gòu)建、WiFi連接、數(shù)據(jù)上傳、缺水（藥）報(bào)警、統(tǒng)計(jì)報(bào)告等功能，樹莓派實(shí)現(xiàn)流程模塊如圖3所示。

本次項(xiàng)目所需要使用的處理器是最新上市的樹莓派4b，其是一款擁有4核處理器和強(qiáng)大的多媒體功能的微型計(jì)算機(jī)，相對(duì)于上一代的樹莓派3b+，4b凸顯出許多特點(diǎn)，例如，在處理器的運(yùn)行速度、多功能的性能以及內(nèi)存、拓展等諸多方面，都有了新的突破和飛躍，還保留了強(qiáng)大的兼容性。

5? 結(jié)語

本文研究了采用激光雷達(dá)技術(shù)使機(jī)器人完成避障任務(wù)。本設(shè)備基于樹莓派和機(jī)器視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了自動(dòng)識(shí)別并自動(dòng)巡航以及紫外線殺菌和噴灑消毒。通過搭建人工智能平臺(tái)讓機(jī)器人深度學(xué)習(xí)識(shí)別消毒目標(biāo)，在不同的目標(biāo)識(shí)別之后能獨(dú)立完成規(guī)劃巡航線路，適應(yīng)不同的復(fù)雜環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn)在消殺過程中此裝置的噴灑效果有待改進(jìn)，會(huì)在日后的研究中著重改進(jìn)軟硬件的匹配程度。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張大偉，蘇帥.自主移動(dòng)機(jī)器人視覺SLAM技術(shù)研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2021（1）：1-8.

[2]趙良玉，金瑞，朱葉青，等.基于點(diǎn)線特征融合的雙目慣性SLAM算法[EB/OL].（2021-03-01）[2021-11-20].http：//hkxb.buaa.edu.cn/CN/10.7527/S1000-6893.2021.25117.

[3]鄭欣悅，賴際舟，呂品，等.基于紅外視覺/激光雷達(dá)融合的目標(biāo)識(shí)別與定位方法[J].導(dǎo)航定位與授時(shí)，2021（3）：8.

（編輯 王雪芬）

A fixed-route cruise disinfection robot based on Raspberry Pi

Shen Jiali1，2， Jiang Qiyou1， Yang Huan1， Liu Jinjiang1， Wu Hao1

（1. Jiangsu Vocational College of Agriculture and Forestry， Zhenjiang 212400， China; 2. Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China）

Abstract：The equipment is based on machine vision raspberry intelligent car， using artificial intelligence depth learning method， automatically identify specific objects accurate positioning， at the same time ultraviolet sterilization and spraying disinfection， and through lidar automatic scanning planning cruise route， can adapt to outdoor open and indoor complex environment， the whole process unattended.

Key words：machine vision; automatic recognition; autonomous cruise; artificial intelligence; lidar; disinfection robot

基金項(xiàng)目：2020年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目;項(xiàng)目編號(hào)：202013103062y。

作者簡(jiǎn)介：沈家禮（2000— ），女，江蘇南通人，本科生;研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。