基于北斗導(dǎo)航的疫情環(huán)境下的無(wú)接觸社區(qū)消毒機(jī)器人

柳明遠(yuǎn) 陳安琪 彭莎莎 陳代祝

摘要：如今，全球疫情持續(xù)緊張，人類需要做好與病毒長(zhǎng)期共存的準(zhǔn)備。其中，社區(qū)環(huán)境消毒將是長(zhǎng)期面對(duì)病毒時(shí)不可忽視的重點(diǎn)。然而傳統(tǒng)的人工消毒方法具有很多缺陷，在產(chǎn)生巨大的工作量的同時(shí)還不能夠保證全方位的消毒，這對(duì)于重大疫情的防控很是不利。本文將介紹一種以北斗導(dǎo)航技術(shù)為支撐，以機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行環(huán)境識(shí)別的無(wú)接觸社區(qū)殺毒機(jī)器人。該機(jī)器人通過(guò)北斗導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)路徑優(yōu)化以及自動(dòng)巡航功能，并且利用攝像頭和超聲波精確識(shí)別需消毒區(qū)域，通過(guò)機(jī)械臂來(lái)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)消毒，在實(shí)現(xiàn)無(wú)人接觸社區(qū)消毒的同時(shí)，滿足了重大災(zāi)情下對(duì)于病毒防控的高指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航，機(jī)器人，消毒，環(huán)境識(shí)別

1.緒論

隨著國(guó)內(nèi)新冠疫情的逐步穩(wěn)定，人與人間的社交趨于常態(tài)化，如何保證社交和生活環(huán)境的安全，以及如何繼續(xù)穩(wěn)定疫情、防止反彈，已成為中國(guó)社會(huì)的新問(wèn)題。對(duì)普通人工作、生活環(huán)境進(jìn)行消毒無(wú)疑是保證生活環(huán)境安全極有效的方法之一，但工作生活環(huán)境又存在著面積大、死角多的難點(diǎn)，給消毒工作帶來(lái)很多麻煩。

對(duì)疫區(qū)環(huán)境進(jìn)行消毒是醫(yī)護(hù)工作者重要工作之一，每天都需要重復(fù)，每天都有極大的工作量;并且醫(yī)護(hù)工作者在消毒過(guò)程中，也存在著被病毒感染、被消毒液腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

自疫情爆發(fā)以來(lái)，新技術(shù)在公共醫(yī)療中的應(yīng)用空間得到很大的提升。針對(duì)上述所提及的傳統(tǒng)人工消毒的缺陷，許多專家學(xué)者開(kāi)始改革創(chuàng)新，許多新技術(shù)在這一方面開(kāi)始應(yīng)用。如何在醫(yī)務(wù)人員的手中接手消毒工作，同時(shí)最大程度地減少人的感染風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)消毒過(guò)程和消毒結(jié)果的準(zhǔn)確控制，已經(jīng)成為人們思考的重要課題，消毒機(jī)器人將是一個(gè)關(guān)鍵的研究方向。

2.主要方案

消毒機(jī)器人以北斗導(dǎo)航技術(shù)為支撐，以機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行環(huán)境識(shí)別，通過(guò)多種方法以達(dá)到精準(zhǔn)、科學(xué)消毒的目的。本項(xiàng)目采用以北斗導(dǎo)航為主要定位方式，加之信標(biāo)定位、航跡推算定位等機(jī)器人常用的定位方法構(gòu)成的多方面、高精度的綜合定位系統(tǒng)。通過(guò)攝像頭和安裝在舵機(jī)上的超聲波傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)的避障識(shí)別，通過(guò)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)增加超聲波傳感器的探測(cè)范圍。采用履帶這一運(yùn)動(dòng)方式，更好地適應(yīng)不同路況。通過(guò)采用機(jī)械臂等機(jī)械結(jié)構(gòu)，獲得更大消毒范圍的同時(shí)獲得更精準(zhǔn)的消毒效果。

3.關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)器人的精準(zhǔn)定位。以北斗導(dǎo)航定位為主，獲得機(jī)器人的經(jīng)緯度位置信息。以航跡推算為輔，利用角加速度、運(yùn)動(dòng)速度等信息，通過(guò)航跡推算來(lái)輔助機(jī)器人定位。兩種定位方式相結(jié)合，綜合定位機(jī)器人在每個(gè)時(shí)間下的位置和姿態(tài)。

運(yùn)動(dòng)環(huán)境的識(shí)別。即便實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)定位，在機(jī)器人自主路徑巡航和尋找消毒地點(diǎn)的過(guò)程中，容易受到周?chē)h(huán)境的干擾。通過(guò)安裝在舵機(jī)上的超聲波傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)的避障識(shí)別，通過(guò)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)增加超聲波傳感器的探測(cè)范圍，可以實(shí)現(xiàn)有效的障礙識(shí)別。使用攝像頭OV7725采集周?chē)h(huán)境圖像，使用機(jī)器視覺(jué)識(shí)別算法，將圖像進(jìn)行處理后，可以識(shí)別路況與環(huán)境。

消毒區(qū)域的判斷。通過(guò)OpenMV采集環(huán)境信息，判斷是否需要進(jìn)行消毒。對(duì)于固定的消毒區(qū)域，可采用識(shí)別AprilTag的方式，特定區(qū)域采用特定的AprilTag碼，達(dá)到更快更準(zhǔn)確的識(shí)別判斷效果。

機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)分為機(jī)械臂三軸移動(dòng)平臺(tái)、底座運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及消毒劑噴賽結(jié)構(gòu)，這三者均由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)。

工作流程概述：消毒機(jī)器人在接收到消毒任務(wù)后，通過(guò)導(dǎo)航定位分析出最優(yōu)路線，并找到大致地點(diǎn)，途中對(duì)路況進(jìn)行分析，遇到障礙自動(dòng)避讓，到達(dá)指定地點(diǎn)對(duì)留下的信標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)行準(zhǔn)確環(huán)境定位，攝像頭采集到的信息可實(shí)時(shí)上傳到相關(guān)人員的顯示終端，相關(guān)人員對(duì)地形是否具有操作困難，以及對(duì)當(dāng)?shù)貐^(qū)人流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析選擇消毒模式，并判斷是否采取進(jìn)一步行動(dòng)。

4.方案實(shí)現(xiàn)

4.1實(shí)時(shí)定位

本項(xiàng)目采用組合導(dǎo)航的定位方法，也就是將相對(duì)定位和絕對(duì)定位兩種方法相結(jié)合。相對(duì)定位就是航跡推斷定位，是一種使用最廣泛的定為手段。使用編碼器測(cè)出輪子轉(zhuǎn)速，積分后獲得位移;通過(guò)陀螺儀測(cè)出車(chē)體轉(zhuǎn)向的角加速度，積分后可以獲得與航向與角速度的變化。

一般將移動(dòng)機(jī)器人在地球表面的運(yùn)動(dòng)近似為在地平面上的二維運(yùn)動(dòng)，建立了以經(jīng)度方向?yàn)閄，緯度方向?yàn)閅的地理坐標(biāo)系。航位推算移動(dòng)機(jī)器人的工作原理是在機(jī)器人的起始位置加入位移矢量，隨時(shí)獲取機(jī)器人的位置和姿態(tài)。

北斗導(dǎo)航模塊對(duì)機(jī)器人自主巡航的控制邏輯：通過(guò)北斗定位獲得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，與已知設(shè)定好的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)比對(duì)，計(jì)算出下一步運(yùn)動(dòng)應(yīng)走的方向和粗略的路程。并且當(dāng)實(shí)時(shí)坐標(biāo)與規(guī)劃路徑產(chǎn)生偏差時(shí)，能夠及時(shí)糾正路徑偏差，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人按照規(guī)定路線自主巡航至消毒目標(biāo)進(jìn)行消毒。

4.2環(huán)境識(shí)別

超聲波模塊與總鉆風(fēng)攝像頭進(jìn)行路況判斷。

超聲波避障：超聲波測(cè)距是利用超聲波的指向性強(qiáng)，傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，利用計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間和聲音在空氣中傳播的速度（340m/s）計(jì)算障礙物的距離。為了更好的識(shí)別周?chē)系K，將超聲波固定在舵機(jī)上，使它可進(jìn)行多角度檢測(cè)。舵機(jī)利用PWM波進(jìn)行控制，以調(diào)節(jié)占空比進(jìn)而控制舵機(jī)的角度。

總鉆風(fēng)攝像頭圖傳判斷路況：圖像處理是將圖片投影到一個(gè)新的視平面，也稱作投影映射。通用的變換公式為：

u，v是原始圖片像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，進(jìn)行透視變換后的圖片坐標(biāo)為X，Y，因?yàn)檫@里不涉及到z軸上的變化，整理可得公式：

采用OpenMV判斷與識(shí)別消毒環(huán)境。本項(xiàng)目采用可靠性高、適用環(huán)境廣泛的信標(biāo)定位方法實(shí)現(xiàn)對(duì)消毒環(huán)境的定位。將AprilTag碼作為信標(biāo)，可用于包括識(shí)別，定位和姿態(tài)校準(zhǔn)等多種任務(wù)。AprilTag的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)和編碼系統(tǒng)基于近乎最佳的字典編碼系統(tǒng)，并且檢測(cè)軟件對(duì)照明條件和視角具有魯棒性。所以說(shuō)使用AprilTag可以精確并穩(wěn)定地定位消毒環(huán)境，且通過(guò)使用openmv攝像頭識(shí)別AprilTag以實(shí)現(xiàn)快速識(shí)別和調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)的功能。

4.3運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

考慮到面對(duì)各種環(huán)境都能有很好的適應(yīng)與運(yùn)動(dòng)能力，本系統(tǒng)采用履帶運(yùn)動(dòng)的形式。

履帶速度控制利用PID控制器，使之在遇到突發(fā)狀況，需要改變速度時(shí)可以更穩(wěn)定，更快速，更準(zhǔn)確。由于增量式PID計(jì)算量少，控制增量的確定僅與最近3次的輸入量有關(guān)，增量式對(duì)電機(jī)的控制有一定的優(yōu)勢(shì)，因此采用增量式PID。

轉(zhuǎn)向時(shí)，可通過(guò)控制兩側(cè)履帶的的牽引力，當(dāng)用較大半徑轉(zhuǎn)向時(shí)，控制一側(cè)電機(jī)減小轉(zhuǎn)速，使這一側(cè)履帶牽引力減小，而另一側(cè)履帶牽引力相應(yīng)增加，此時(shí)履帶的線速度如圖2箭頭所示，底盤(pán)就繞某回轉(zhuǎn)中心O轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)彎半徑較小時(shí)，控制一側(cè)電機(jī)停車(chē)制動(dòng)，使該側(cè)軌道速度為零，底盤(pán)繞內(nèi)側(cè)履帶中心O1轉(zhuǎn)彎，其轉(zhuǎn)彎半徑等于軌道中心距離b，如圖2所示。

4.4消毒結(jié)構(gòu)

考慮到噴灑殺毒劑的實(shí)際情況，噴灑量與噴灑精度都需要得到項(xiàng)目人員的準(zhǔn)確控制。因此，本項(xiàng)目采用了一款臂長(zhǎng)80cm的機(jī)械臂來(lái)達(dá)到效果。通過(guò)對(duì)調(diào)試過(guò)程中，舵機(jī)的扭力、臂長(zhǎng)等參數(shù)的分析，本項(xiàng)目決定選用了MA86H步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器搭配86BYG250H步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制該機(jī)械臂。在實(shí)際使用過(guò)程中，為了防止機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)到特定姿態(tài)時(shí)所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩過(guò)大，本項(xiàng)目采用了行星減速箱對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行減速控制。

5.應(yīng)用前景

在醫(yī)療消毒方面，機(jī)器人有著非常廣闊的前景，并且在未來(lái)消毒機(jī)器人會(huì)隨著深度學(xué)習(xí)、運(yùn)動(dòng)控制、大數(shù)據(jù)技術(shù)，北斗導(dǎo)航等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，在功能和應(yīng)用場(chǎng)景上將會(huì)進(jìn)一步的提升和完善?？焖俨渴鸷投喾椒◤?fù)合消毒;根據(jù)不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)分類消毒;優(yōu)化消毒方式和移動(dòng)路徑，減少消毒產(chǎn)品的浪費(fèi);實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品流量，提高消毒效果;具有人體檢測(cè)功能，防止人身傷害;實(shí)現(xiàn)環(huán)境樣品回收，收集消毒區(qū)樣品，協(xié)助檢測(cè)人員快速判斷消毒結(jié)果;提高產(chǎn)品自身防護(hù)等級(jí)，可進(jìn)入高輻射、高溫、高病菌場(chǎng)所開(kāi)展作業(yè);擴(kuò)展產(chǎn)品著陸場(chǎng)景，并通過(guò)更換備件，在農(nóng)田，果園和種田等生產(chǎn)場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)藥物和水體的噴涂。

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