利用raspberry pi4芯片開發(fā)一款快遞機(jī)器人

廣西民族師范學(xué)院數(shù)理與電子信息工程學(xué)院 劉光曉 呂月芬 韋珍麗 張勝蓮 全釗鋒 吳樹添

目前是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，需要大量的物流運(yùn)送，送快遞也成為了物流的服務(wù)之一。我們利用raspberry pi4主控芯片開發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)送快遞的機(jī)器人，該機(jī)器人可以在一定地域范圍內(nèi)自動(dòng)或者人工驅(qū)動(dòng)送快遞。該機(jī)器人運(yùn)用攝像頭和感應(yīng)器可以看清路況，避開相對(duì)擁擠的人群，規(guī)劃出最佳的行走路線。在機(jī)器人身上有物品儲(chǔ)存箱存放快遞，另外安裝偏離路線和防攻擊報(bào)警系統(tǒng)，確?？爝f安全送到目的地。

利用raspberry pi4主控芯片來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人充當(dāng)快遞員，主要是為了方便各個(gè)階層不同的人在某些方面運(yùn)用機(jī)器人來(lái)提供幫助。對(duì)于行動(dòng)不便的老年人或者職業(yè)特別忙的人員來(lái)說(shuō)，可以利用快遞員機(jī)器人到相應(yīng)的地點(diǎn)去取物品或者幫忙運(yùn)送物品，方便又節(jié)省時(shí)間。本文對(duì)相對(duì)容易掌握并運(yùn)用的raspberry pi4主控芯片進(jìn)行了創(chuàng)意性的開發(fā)，為初學(xué)設(shè)計(jì)快遞機(jī)器人的研究者提供了一定的理論參考價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)快遞機(jī)器人的總方案

1.1 機(jī)器人的功能方案

本機(jī)器人充當(dāng)快遞員需要運(yùn)用各個(gè)方面的電子信息專業(yè)相關(guān)知識(shí)，去研究和測(cè)試機(jī)器人的功能和安全問(wèn)題?？爝f機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的功能如下：它的行走和轉(zhuǎn)彎功能靈活；它的攝像頭模塊安裝后可以看清路況；它可以自行避開障礙物；在設(shè)定目標(biāo)地點(diǎn)后，它可以規(guī)劃出最佳路線自動(dòng)導(dǎo)航行走移動(dòng)至目的地；它具備安全性能及路線偏移自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)快遞機(jī)器人的功能方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1功能方案設(shè)計(jì)圖

1.2 實(shí)現(xiàn)功能構(gòu)建的模塊

該機(jī)器人需要一個(gè)raspberry pi4控制板，一個(gè)轉(zhuǎn)接板，轉(zhuǎn)接板插紅外接收頭和跳線帽等零件。構(gòu)建出避障模塊，循跡模塊，超聲波模塊，攝像頭模塊和報(bào)警模塊。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航行走功能需要利用攝像頭模塊提取路況信息特征，結(jié)合避障模塊和超聲波模塊的信息通過(guò)主板綜合判斷后驅(qū)動(dòng)循跡模塊自動(dòng)導(dǎo)航行走。而實(shí)現(xiàn)人工驅(qū)動(dòng)功能是用戶利用攝像頭模塊監(jiān)測(cè)路況，再對(duì)機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行人工操作。在自動(dòng)導(dǎo)航行走功能或者人工驅(qū)動(dòng)功能運(yùn)行時(shí)都要調(diào)用到報(bào)警模塊，確保機(jī)器人的安全。

2 自動(dòng)導(dǎo)航行走和人工驅(qū)動(dòng)

2.1 自動(dòng)導(dǎo)航行走和人工驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)途徑

目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)達(dá)，APP技術(shù)應(yīng)用廣泛。已經(jīng)存在攝像頭錄制視頻進(jìn)行監(jiān)控的技術(shù)，也存在通過(guò)APP對(duì)機(jī)器發(fā)出指令的技術(shù)。由此可以得出，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制已經(jīng)具備了理論和實(shí)際操作技術(shù)的條件。有學(xué)者利用樹莓派成功制作出了云視頻流媒體的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。借鑒這種方法，我們可以在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的基礎(chǔ)上進(jìn)行人工驅(qū)動(dòng)控制，完成人工驅(qū)動(dòng)功能。另外，還有學(xué)者利用樹莓派成功實(shí)現(xiàn)了車輛檢測(cè)識(shí)別的功能。把這種檢測(cè)識(shí)別的功能推廣化，對(duì)路況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。機(jī)器人就可以自動(dòng)識(shí)別路況自主選擇最優(yōu)路線行走，完成自動(dòng)導(dǎo)航行走的功能。在理論和技術(shù)上，本機(jī)器人都符合現(xiàn)實(shí)條件的要求，可以實(shí)現(xiàn)送快遞的基本功能。

通過(guò)讓攝像頭模塊和raspberry pi4控制板相連，在V4L2標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)下，機(jī)器人可以采集到路況的實(shí)時(shí)視頻。機(jī)器人通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)和傳感器技術(shù)，獲取路況信息數(shù)據(jù)，并根據(jù)信息特征做出相應(yīng)動(dòng)作完成自動(dòng)導(dǎo)航功能。機(jī)器人獲取的視頻信息可以通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上傳到網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)換，用戶可以在公網(wǎng)上監(jiān)測(cè)到機(jī)器人。也可以運(yùn)用APP技術(shù)，在手機(jī)端監(jiān)測(cè)機(jī)器人完成人工驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的功能。

2.2 處理圖像和視頻

由于V4L2獲取的視頻數(shù)據(jù)非常大，且raspberry pi4主控芯片的性能有限。為此，在數(shù)據(jù)傳輸前我們需要進(jìn)行壓縮處理，并改進(jìn)處理數(shù)據(jù)的運(yùn)算方式。我們可以選擇MPEG-4圖像的壓縮方式進(jìn)行壓縮視頻圖像信息，當(dāng)前的MPEG-4技術(shù)已經(jīng)很成熟且壓縮比很高，大大減少了系統(tǒng)的延時(shí)時(shí)間，對(duì)播放設(shè)備的要求也較低?；蛘哌x擇H.264圖像的編碼方式，它可以獲得很高的畫面質(zhì)量。為此，本文選擇利用mjpg?streamer應(yīng)用程序來(lái)處理機(jī)器人獲取的視頻圖像，將JPEG文件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)剿璧臑g覽器上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)，我們可以直接選用C270羅技攝像頭來(lái)獲取視頻圖像信息，而且它里面自帶有一個(gè)麥克風(fēng)使用起來(lái)非常方便。它的兼容性能非常強(qiáng)并且免驅(qū)動(dòng)，通過(guò)它輸出的圖像格式為MJPEG格式。

為了讓機(jī)器人快速處理視頻數(shù)據(jù)，我們用raspberry pi4主控芯片和Movidius神經(jīng)元計(jì)算棒作為計(jì)算數(shù)據(jù)的平臺(tái)。而對(duì)于路況目標(biāo)的圖像識(shí)別處理我們應(yīng)用到經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的MobileNet+SSD計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上我們運(yùn)用MSCOCO數(shù)據(jù)集和路況自定義的數(shù)據(jù)集，制作出適合路況應(yīng)用的數(shù)據(jù)訓(xùn)練集。機(jī)器人利用這種數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練后，就可以得到很好的路況識(shí)別效果。本文利用MobileNet+SSD的算法明顯增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確度，還增加了圖像語(yǔ)義的提取特征來(lái)識(shí)別監(jiān)測(cè)出實(shí)時(shí)路況的特征。MobileNet利用的是深度級(jí)可分離卷積的計(jì)算方法，比經(jīng)典卷積的方法進(jìn)行的乘法運(yùn)算次數(shù)更少。本文構(gòu)造的SSD模型算法如式(1)和式(2)所示：

Ai：第i層特征向量；Bi：通過(guò)第i-1層特征向量進(jìn)行非線性預(yù)算后的第i層特征向量；B1(Y)：輸入的圖像Y進(jìn)行非線性運(yùn)算后的第1層的特征向量；H(?)：所有中間結(jié)果集合后的最后輸出。

2.3 聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

有學(xué)者成功設(shè)計(jì)了基于手機(jī)APP的互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上我們可以在raspberry pi4主控芯片上建立流媒體視頻服務(wù)器，將獲取到的視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。通過(guò)4G通信技術(shù)連接到網(wǎng)絡(luò)上，使用私網(wǎng)穿越技術(shù)讓用戶可以利用手機(jī)或者電腦在公網(wǎng)上遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器人所處的路況。我們可以選用SIMCOM 7100系列的4G LTE通信模塊，把視頻監(jiān)控系統(tǒng)連接到網(wǎng)絡(luò)上，就可以實(shí)現(xiàn)視頻圖像的遠(yuǎn)程傳輸進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。我們讓4G通信模塊通過(guò)RX、TX兩個(gè)引腳與raspberry pi4主控芯片相連，結(jié)合云技術(shù)和嵌入式技術(shù)完成機(jī)器人的聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。

機(jī)器人獲取到的視頻數(shù)據(jù)可以通過(guò)Socket編程的方式發(fā)送給用戶的手機(jī)，在應(yīng)用軟件里顯示。用戶通過(guò)手機(jī)里的應(yīng)用軟件可以給機(jī)器人發(fā)送指令，使機(jī)器人做出相應(yīng)的動(dòng)作。我們可以運(yùn)用WebAPP技術(shù)來(lái)開發(fā)一個(gè)手機(jī)應(yīng)用的軟件，讓該軟件可以兼容很多版本的平臺(tái)。但是，要想在公網(wǎng)上通過(guò)視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器人所處的路況信息，需要將內(nèi)網(wǎng)的私有IP地址轉(zhuǎn)換成公網(wǎng)的IP地址才可以實(shí)現(xiàn)。

我們選用阿里云服務(wù)器，通過(guò)下面的方法讓公網(wǎng)和私網(wǎng)設(shè)備用間接性的連接方式進(jìn)行通信。阿里云服務(wù)器為公網(wǎng)用戶提供了一個(gè)9090端口，給raspberry pi4主控芯片提供一個(gè)12345端口。通過(guò)這些條件我們可以在阿里云服務(wù)器上建立起一個(gè)反向代理服務(wù)器Nginx，將Nginx安裝到Linux系統(tǒng)里，然后執(zhí)行指令建立起隧道。讓raspberry pi4主控芯片利用SSH隧道技術(shù)搭建出一條反向隧道，把阿里云服務(wù)器的12345端口和raspberry pi4主控芯片的8080端口連接起來(lái)。公網(wǎng)用戶訪問(wèn)阿里云服務(wù)器提供的9090端口后，請(qǐng)求數(shù)據(jù)信息就可以經(jīng)過(guò)阿里云服務(wù)器的12345端口發(fā)送給raspberry pi4主控芯片的8080端口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息之間的相互傳輸。隧道搭建成功后，阿里云服務(wù)器的端口會(huì)保持在監(jiān)聽的狀態(tài)，要結(jié)束監(jiān)聽狀態(tài)必須人為地去刪除掉隧道。至此，機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，用戶可以訪問(wèn)到公網(wǎng)的網(wǎng)站服務(wù)并通過(guò)公網(wǎng)監(jiān)控到機(jī)器人獲取的路況信息。我們連接公網(wǎng)的設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 連接公網(wǎng)的設(shè)計(jì)圖

3 安全及偏移路線報(bào)警

通過(guò)raspberry pi4主控芯片利用傳感器技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)，判斷機(jī)器人是否受到攻擊或者偏移正確行走路線，完成機(jī)器人自動(dòng)報(bào)警功能。當(dāng)傳感器技術(shù)或者圖像識(shí)別技術(shù)監(jiān)測(cè)到符合報(bào)警的條件時(shí)，機(jī)器人觸發(fā)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)安全及偏移路線報(bào)警功能。

可以利用兩塊raspberry pi4主控芯片，分為主機(jī)部分和從機(jī)部分，通過(guò)WIFI功能把它們兩個(gè)相連。主機(jī)用來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航行走和人工驅(qū)動(dòng)功能，從機(jī)用來(lái)實(shí)現(xiàn)安全及偏移路線報(bào)警功能。利用拓展主控芯片的方法可以為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更多的功能，提高機(jī)器人處理信息的速度和儲(chǔ)存信息的容量。也可以為機(jī)器人配備舵機(jī)和R2100多通道激光測(cè)距傳感器等零件，讓攝像頭可以實(shí)現(xiàn)360度的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行多方位的視頻監(jiān)控，提高機(jī)器人測(cè)距精確度進(jìn)行避障，完成機(jī)器人的安全性能保護(hù)。當(dāng)然也可以在視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控的基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)器人的人工安全保護(hù)。

結(jié)語(yǔ)：該機(jī)器人把互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制原理、微機(jī)原理、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等理論知識(shí)相結(jié)合，初學(xué)者通過(guò)該快遞機(jī)器人可以學(xué)到較多的理論知識(shí)和實(shí)踐操作技能?？梢越o機(jī)器人配備性能更強(qiáng)的硬件，對(duì)機(jī)器人的軟件進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化，讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)更多的需求功能。在未來(lái)的生活中物品流動(dòng)量將增大，快遞機(jī)器人自身的優(yōu)勢(shì)將得到充分的利用。