地鐵保衛(wèi)者：一種5G智能生態(tài)下的輪式移動(dòng)機(jī)器人

黃呈翰　張清偉　曾孟芊　吳欣渟　郭睿妍　陳思羽

關(guān)鍵詞：人工智能；5G生態(tài)；移動(dòng)機(jī)器人；地鐵

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-3044（2023）12-0019-03

1 目前研究近況

隨著中國城市對(duì)軌道交通建設(shè)需求的持續(xù)擴(kuò)大以及城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)技術(shù)的飛速發(fā)展，我國城市軌道交通工程也步入了高速發(fā)展的新軌道。截至2022 年6 月，中國51 個(gè)城市已投入運(yùn)營的城軌線路9 573.65 公里，其中78.64% 的城市軌道交通里程為7 529.02公里。作為城市軌道交通的主力軍，地鐵的技術(shù)性能直接影響著城市軌道交通的運(yùn)載能力。目前，我國地鐵采用人工靜態(tài)檢測(cè)為主、少量車輛動(dòng)態(tài)檢測(cè)輔助的常規(guī)檢測(cè)方式。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法雖然已廣泛應(yīng)用，但成本較高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力?？梢?，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法存在著操作質(zhì)量差，存在安全隱患，缺乏客觀要求，夜間操作時(shí)容易出現(xiàn)漏檢等一系列問題，極大地降低了檢查的工作效率和準(zhǔn)確性。

在這樣的背景下，5G技術(shù)和輪式機(jī)器人[1]結(jié)合應(yīng)用于地鐵安全保護(hù)，智能化科技化發(fā)展，是新時(shí)代下地鐵巡檢的發(fā)展必然趨勢(shì)。5G智能生態(tài)輪式移動(dòng)機(jī)器人的投入使用，不但可以一定程度上健全地鐵巡查作業(yè)系統(tǒng)，增加工作精準(zhǔn)度與專業(yè)程度，進(jìn)而提升巡檢效能，還能有效降低人力成本，為地鐵交通的安全管理和有序運(yùn)行提供強(qiáng)有力的保障。總而言之，地鐵智能巡檢機(jī)器人是地鐵安全防范管理的新思路，是機(jī)器人技術(shù)在地鐵隧道領(lǐng)域的革新式運(yùn)用。

我國智能巡檢機(jī)器人的生產(chǎn)線，從上往下依次可以分成上游零部件、中游自動(dòng)化機(jī)器人的本體生產(chǎn)以及集成、下游應(yīng)用。

移動(dòng)機(jī)器人可以應(yīng)用在很多場(chǎng)景。隨著AI技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人得以廣泛應(yīng)用在各類場(chǎng)所。近幾年，我國城市地鐵機(jī)器人的種類越來越多，比如在2020年東方紅廣場(chǎng)車站就有一位“新同事”——“小豹”，該機(jī)器人具有面部識(shí)別、導(dǎo)航等功能，可以與旅游者進(jìn)行短暫交談；成都地鐵上也有智能巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地鐵底部轉(zhuǎn)向架、車體等重要部位的自動(dòng)檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)故障，立即向后臺(tái)發(fā)出警告；杭州軌道交通監(jiān)控機(jī)器人能夠自動(dòng)識(shí)別車輛編號(hào)，并將數(shù)據(jù)結(jié)果存入列車檔案；通過對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的缺陷進(jìn)行識(shí)別，可以對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行精確的定位，并將故障的具體位置通知操作人員，并將故障圖像反饋給維修人員。極大地改善了地鐵的運(yùn)輸和維護(hù)工作。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，每四千米的管廊隧道機(jī)器人會(huì)配備一臺(tái)巡查機(jī)器人和一臺(tái)滅火機(jī)器人，則2018年的隧道機(jī)器人市場(chǎng)容量約為1.2億，如果以年均25%的速度配備隧道巡查機(jī)器人，以67萬元/臺(tái)測(cè)算，2019—2021年隧道巡查機(jī)器人市場(chǎng)需求大約為4.2億，可見市場(chǎng)需求潛力巨大。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

本設(shè)計(jì)主要用Proteus 仿真軟件和Keil 編譯軟件。關(guān)于智能體溫控制器，以單片機(jī)AT89C51型芯為基礎(chǔ)，水質(zhì)傳感器DS18B20型和1602 LCD型液晶顯示，所組成的一種多功能單片機(jī)水和體溫計(jì)。由于使用了數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為設(shè)計(jì)，所以可以達(dá)到數(shù)碼測(cè)量環(huán)境氣溫的功能，并且通過與1602 LCD 的顯示器接口，還可以實(shí)現(xiàn)不間斷的環(huán)境溫度指示。關(guān)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用STM32微控制器對(duì)巡檢車進(jìn)行控制，巡檢車運(yùn)動(dòng)控制就是對(duì)電機(jī)控制。系統(tǒng)將傳感器所收集的信息輸入STM32微控制器中，信號(hào)經(jīng)過控制器處理后，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)、將環(huán)境數(shù)據(jù)顯示到OLED屏上、安全報(bào)警等。利用超聲波傳感器收集方位、時(shí)間等數(shù)據(jù)，作為STM32微控制器的信號(hào)源。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，優(yōu)先考慮障礙物，若環(huán)境出現(xiàn)了動(dòng)態(tài)障礙物，可以通過得到的傳感器接收的信息，能及時(shí)地作出可行的路徑規(guī)劃，即使規(guī)劃的路線不一定保證是最優(yōu)的，但是可以保證有實(shí)時(shí)改變路徑對(duì)動(dòng)態(tài)障礙作出及時(shí)反應(yīng)避障的優(yōu)勢(shì)[2]。

SLAM技術(shù)主要被用來解決，機(jī)器人在未知環(huán)境中的未知位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)的定位與建圖問題。SLAM 的概念最早出現(xiàn)在1986年的國際機(jī)器人與自動(dòng)化大會(huì)上，由Durrant Whyte等人提出。到目前為止，SLAM 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在機(jī)器人定位導(dǎo)航、VR/AR、無人機(jī)、自動(dòng)駕駛等眾多領(lǐng)域[3]。雙目視機(jī)器人SLAM技術(shù)的總體結(jié)構(gòu)大致包括四塊，依次為信息收集和傳遞層，以及圖像處理層-位置和數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建-執(zhí)行機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)提供了一種能夠即時(shí)發(fā)送環(huán)境影像給PC端的雙目攝像機(jī)，并將環(huán)境影像即時(shí)傳送給PC。通過采用可移動(dòng)小車的編碼器，電子羅盤傳感器，可以提供一種很簡單的可移動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)。

雙目視覺移動(dòng)機(jī)器人SLAM系統(tǒng)工作流程的關(guān)鍵步驟：

1） 基于SIFT特征信息提取的算法，先截取圖片感興趣區(qū)域，之后再逐步減小像素尺寸空間中像素金字塔的層數(shù)和特點(diǎn)表示向量的角度，以降低估算工作量。

2） 立體匹配問題則是利用KD-tree的數(shù)據(jù)組織方式，把整體匹配問題轉(zhuǎn)變成在K維空間的二叉搜索問題，以提升整體匹配的有效性。

3） 在當(dāng)前定位和位姿的確定部分，是指通過擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，來融合視覺信號(hào)和內(nèi)部解碼器以及電子羅盤所收集的信號(hào)，從而進(jìn)行對(duì)移動(dòng)機(jī)器人當(dāng)前定位和姿勢(shì)的最小方差系數(shù)估算。

4） 數(shù)據(jù)聯(lián)系是把從各個(gè)時(shí)間區(qū)域傳感器中獲取到的地標(biāo)信號(hào)加以聯(lián)系的過程，在本研究中主要使用歐氏距離最近方法作為特征聯(lián)系。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

先行者1.0：長為0.5米，寬為0.4米，高為0.5米，車盤重達(dá)40kg，較重的車盤可使小車在高速運(yùn)動(dòng)下?lián)碛懈鼜?qiáng)的抓地力，并且可以很大程度上避免在轉(zhuǎn)彎時(shí)發(fā)生側(cè)翻；該小車最大車速可達(dá)30km/h，采用EPB電子系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)車制動(dòng)，相比其他使用機(jī)械制動(dòng)的機(jī)器人更具有安全性，更適應(yīng)人潮涌動(dòng)的地鐵環(huán)境；驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大功率可達(dá)16 kw，強(qiáng)有力的電機(jī)可以使車盤加重的小車能夠達(dá)到更高的工作狀態(tài)同時(shí)裝載的大容量電池可使小車擁有續(xù)航里程200 km；在采用2路CAN的通信協(xié)議下，先行者1.0擁有了超強(qiáng)防雷功能，CAN數(shù)據(jù)全透明通信，波特率可自適應(yīng)，可適應(yīng)各種高低溫的工作環(huán)境。先行者1.0在基于AI人工智能技術(shù)的5G技術(shù)下，采用模塊化設(shè)計(jì)，不僅裝載有消毒水箱，同時(shí)可按規(guī)定路線自主完成消毒清潔任務(wù)、自主避障、自主檢查清潔效果，自動(dòng)報(bào)告任務(wù)狀態(tài)、反饋任務(wù)詳情，實(shí)現(xiàn)無人化操作，獨(dú)立完成消毒清掃工作。

先行者2.0：長為0.5米，寬為0.4米，高為0.5米，在原有先行者1.0的基礎(chǔ)上，先行者2.0增加了底盤車重并且裝載了18 kw的更強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，此外先行者2.0所擁有的機(jī)器視覺、3D SLAM技術(shù)、圖像處理技術(shù)等可以使裝載的機(jī)械臂能精準(zhǔn)地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自主抓取，該系統(tǒng)可通過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算法和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，得出當(dāng)前位姿到目標(biāo)位姿的可行路徑，系統(tǒng)將根據(jù)物體的形狀，大小等確定末端執(zhí)行器中心位置，進(jìn)而得出末端位姿，然后根據(jù)機(jī)械臂末端位姿轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)空間各關(guān)節(jié)的期望位置，結(jié)合環(huán)境信息進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，再通過驅(qū)動(dòng)程序控制各關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)際動(dòng)作。

先行者2.0所搭載的機(jī)械臂利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，相比于氣動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)的能量二次轉(zhuǎn)化，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂將會(huì)更加節(jié)能。該機(jī)械臂利用夾持式手部最高可抓重30kg，擁有五個(gè)自由度，圓柱式坐標(biāo)，同時(shí)擁有500 mm伸縮行程，40 mm/s伸縮速度

機(jī)械臂夾緊力計(jì)算：

銅和橡膠的摩擦系數(shù)f=0.2

可抓持最大重量：G=40×10（N）

3Nf=G 由于ΣM=0，故

4 未來展望

人工智能加速和工業(yè)結(jié)合，人工智能科技也將保持持續(xù)成長的姿態(tài)，AI人工智能也開始融入國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域當(dāng)中，成為制造業(yè)發(fā)展的新動(dòng)能。基于此，本文設(shè)計(jì)了一款基于AI和5G的地鐵輪式移動(dòng)機(jī)器人，其主要應(yīng)用場(chǎng)景為地鐵。團(tuán)隊(duì)將通過設(shè)計(jì)的輪式移動(dòng)車底盤，運(yùn)用先進(jìn)圖像處理、機(jī)器視覺、語言交互技術(shù)、人臉識(shí)別、物體辨識(shí)、3D SLAM科技、避障科技、大數(shù)據(jù)處理人工智能研究、5G等高新技術(shù)，同時(shí)搭載多種傳感器打造的智能輪式機(jī)器人，可以滿足在特定場(chǎng)景中使用?？傮w而言，該輪式移動(dòng)機(jī)器人可以保證工作時(shí)的路況檢測(cè)和人臉識(shí)別的實(shí)效性、人臉識(shí)別過程中的準(zhǔn)確性以及小車的安全性與清潔鐵軌過程中的精確性，確保由攝像頭輸入的圖像無延遲，可以有效地解決清潔軌道過程中產(chǎn)生的安全問題。除此兩個(gè)主要核心發(fā)展資源之外，仍有一系列的配套設(shè)施以及結(jié)構(gòu)流程，來完成整一個(gè)消毒的過程。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文設(shè)計(jì)的基于5G智能生態(tài)下的輪式移動(dòng)機(jī)器人達(dá)到了預(yù)期的效果，在消毒清掃工作以及軌道安全巡邏和檢測(cè)等多方面達(dá)到了預(yù)期的效果?？梢哉雇摍C(jī)器人在未來的多種場(chǎng)合將會(huì)承擔(dān)重要的角色，包括傳統(tǒng)的按規(guī)定路線自主地完成消毒清潔任務(wù)、避障及檢查清潔效果，自動(dòng)反饋任務(wù)狀態(tài)及詳情、軌道安全巡邏和檢測(cè)等，也會(huì)在日常的生活中發(fā)揮重要作用。