具有智能識(shí)別和自動(dòng)巡航功能的水面清潔機(jī)器人

唐雙喜 周浩然

（重慶交通大學(xué) 航運(yùn)與船舶工程學(xué)院，重慶 400074）

1 研究背景及內(nèi)容

1.1 研究背景

目前已有一些關(guān)于機(jī)械化水面垃圾清理設(shè)備的研究，但主要是針對一些由大型船舶改裝而成的垃圾打撈船，不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)造成二次污染，且主要用于收集大范圍、大面積的水域垃圾，并且還需要配備專業(yè)技術(shù)人員操作，難以普遍使用。對于淺水域和小面積水域，現(xiàn)仍以人工打撈為主，市面上鮮有相關(guān)設(shè)備。因此，設(shè)計(jì)一種具有智能識(shí)別和自動(dòng)巡航功能的水面清潔機(jī)器人，其簡易的智控操作方式可適用于各類水域垃圾清理。相對于傳統(tǒng)的垃圾打撈方式具有明顯的優(yōu)勢，能提高居民生活質(zhì)量和滿足生態(tài)環(huán)境和諧發(fā)展要求，對于改善水域環(huán)境、提升水質(zhì)起著關(guān)鍵作用。

1.2 研究內(nèi)容

系統(tǒng)總體方案主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制和智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并研究了圖像識(shí)別原理、自動(dòng)舵原理、自動(dòng)化控制原理等技術(shù)。選用STM32作為主控芯片，電路部分主要有電源部分、微機(jī)部分、無線電部分、相機(jī)部分以及傳感器部分。水面清潔機(jī)器人上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)分為四個(gè)部分，分別是圖像識(shí)別、自動(dòng)巡航、數(shù)據(jù)顯示、人工干預(yù)。當(dāng)機(jī)器人未裝載垃圾時(shí)，吃水線在導(dǎo)彈型浮體上支柱以下；當(dāng)裝載后，吃水線慢慢升高，到達(dá)圓錐型浮體，在甲板以下。機(jī)器人采用太陽能發(fā)電裝置輔助供電，可長時(shí)間持續(xù)巡航。

2 核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 智能識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用的機(jī)器視覺是基于OpenMVH7框架的垃圾識(shí)別系統(tǒng)，Open MV是基于Python的嵌入式機(jī)器視覺模塊。利用Open MV完成圖像采集，通過微處理器對采集圖像做圖像處理、目標(biāo)檢測、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)預(yù)測、目標(biāo)跟蹤等，在擬合出物體的運(yùn)動(dòng)軌跡以后，預(yù)測運(yùn)動(dòng)目標(biāo)下一時(shí)刻位置坐標(biāo)，最后使用PID 算法由微處理器輸出PWM波、控制云臺(tái)系統(tǒng)，從而達(dá)到對運(yùn)動(dòng)物體實(shí)時(shí)跟蹤的目的。目標(biāo)跟蹤表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)刻保持在圖像的中心位置。當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過控制云臺(tái)，讓攝像頭跟蹤目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，以保持運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)刻處于圖像的中心位置。當(dāng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)不在圖像的中心位置時(shí)，將得到的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)中心位置像素坐標(biāo)與圖像中心位置坐標(biāo)做比較，得到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)中心位置像素坐標(biāo)與圖像中心像素坐標(biāo)的差值，即為云臺(tái)系統(tǒng)所需運(yùn)動(dòng)的位移量。將此差值通過PID算法轉(zhuǎn)化為云臺(tái)系統(tǒng)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并通過輸出PWM波控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而使云臺(tái)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)攝像頭實(shí)現(xiàn)對物體的跟蹤。在巡航過程中，先將垃圾通過OpenMVH7的聯(lián)級分類器進(jìn)行垃圾分類機(jī)器學(xué)習(xí)，訓(xùn)練出一個(gè)數(shù)據(jù)包作為機(jī)器人在自動(dòng)打撈中的一個(gè)識(shí)別參考，后在遍歷作業(yè)時(shí)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)部分相對船體可180°旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)攝像頭搜尋水面上垃圾，一旦發(fā)現(xiàn)垃圾，視像頭攝取圖像進(jìn)行分析，根據(jù)物體在相機(jī)坐標(biāo)系的位置，映射出物體實(shí)際的相對位置，提交給微機(jī)處理，為自動(dòng)航行提供垃圾位置點(diǎn)并標(biāo)記位置點(diǎn)，機(jī)器人偏離航線追蹤垃圾并拾取垃圾。

2.2 自動(dòng)巡航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)巡航是指在沒有人工控制的情況下，機(jī)器人自動(dòng)在整個(gè)水面“地毯式”掃描清潔垃圾。當(dāng)外界波、流、風(fēng)力等環(huán)境擾動(dòng)和自身設(shè)備產(chǎn)生的誤差導(dǎo)致航向改變時(shí)，機(jī)器人能及時(shí)糾正航向。還可以通過GPS定位傳感器，形成一個(gè)自動(dòng)駕駛儀，輸入信號及數(shù)據(jù)通過微機(jī)軟件進(jìn)行計(jì)算分析，得出一個(gè)計(jì)劃路線，達(dá)到無人駕駛目的。機(jī)器人通過內(nèi)置GPS模塊和陀螺儀確定方向保持直線前進(jìn)。機(jī)器人前側(cè)還裝有一個(gè)舵機(jī)控制的超聲波裝置，可以檢測前側(cè)、左側(cè)、右側(cè)和障礙物或湖岸之間的距離。進(jìn)入自主巡航模式后，超聲波裝置測得機(jī)器人和岸邊的距離小于設(shè)定值后，開始減速并向右轉(zhuǎn)一定的角度，運(yùn)行一個(gè)船身的距離，然后再右轉(zhuǎn)一定的角度后直行，按照此折線軌跡循環(huán)遍歷整個(gè)水面。在自主巡航模式下，機(jī)器視覺模塊對其進(jìn)行輔助工作，可檢測湖面非清理目標(biāo)，使得機(jī)器人能夠自主避開荷葉、石塊等物體，并繼續(xù)進(jìn)行直線折回式的全覆蓋清理。

3 機(jī)器人性能優(yōu)勢分析

圖像識(shí)別系統(tǒng)與上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，精確打撈垃圾，可直觀了解水質(zhì)信息，對治理水污染起到了很大的作用。自動(dòng)巡航系統(tǒng)使得打撈工作自運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)全天候無人駕駛打撈。采用手機(jī)客服端遠(yuǎn)程控制作為人工干預(yù)系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)可以保障巡航的安全性與可靠性。輸送鏈條可以高效率地將垃圾從水面帶入收集箱中，可以在短時(shí)間內(nèi)打撈大量垃圾。

4 結(jié)語

具有智能識(shí)別和自動(dòng)巡航功能的水面清潔機(jī)器人具有操作便捷、識(shí)別能力強(qiáng)、巡航時(shí)間長、清潔效率高的特點(diǎn)。它是新時(shí)代的科技產(chǎn)物，更符合社會(huì)發(fā)展、美化城市的需求，為社會(huì)主義生態(tài)文明建設(shè)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。