一種智慧協(xié)警機器人的概念設計

徐蘇林，張春亮，胡顥棟

（寧波職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院（中德智能制造學院），浙江寧波，315800）

0 引言

世界范圍內(nèi)，中國警察占人口比重相對較低，其中三分之一以上是沒有武裝的交通警和戶籍警。據(jù)報道[1]，截至2021 年末，中國的汽車保有量已經(jīng)達到2.92 億輛，如此龐大的汽車數(shù)量勢必會給交警執(zhí)勤工作增加負擔。近年來，中國交通事故發(fā)生率正逐年上升，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示[2]，中國交通事故死亡人數(shù)占世界的16%，連續(xù)十余年居世界第一，數(shù)以萬計的家庭因為交通事故而支離破碎。另有數(shù)據(jù)統(tǒng)計[3]，從1994 年到2014 年,全國因酒后駕車而導致的死亡人數(shù)平均每年以7.3%的速度增長，全國公安交管部門共查處酒駕醉駕127.4 萬起[4]。由此產(chǎn)生的社會矛盾也日益尖銳，人們對交通安全的關(guān)注度逐年遞增。

1 研究意義

從國家和社會的角度來看，因醉酒駕駛構(gòu)成危險駕駛罪的罪犯多數(shù)被判處拘役實刑，同時在常見的酒駕檢測過程中，若酒精檢測裝置未及時清洗到位，則可能造成被測人員交叉感染，增加社會治理難度。從減少犯罪發(fā)生率推動社會治理創(chuàng)新的角度來看，一味對醉酒駕車進行事后查處、定罪處罰，并不是解決問題的最好辦法。因此，從技術(shù)手段角度著手思考，可能有助于破解難題。

通過查詢國內(nèi)外相關(guān)文獻資料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外相關(guān)文獻資料中未有關(guān)于功能較為全面的測酒駕機器人的研究，而且近多年來并沒有成熟的相關(guān)輔助交警作業(yè)的機器人出現(xiàn)。本行業(yè)現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)大體上分為三類：(1)基于汽車的內(nèi)置設備而研發(fā)的專用測酒駕裝置[5]；(2)從理論角度研發(fā)的測酒駕系統(tǒng)[6]；(3)設備體積較大的機械平臺式測酒駕式拖車[7]。以上所呈現(xiàn)的測酒駕技術(shù)都存在一定的缺陷，而對于測酒駕的工作而言，上述輔助手段并沒有很好地將測酒駕機器的功能展現(xiàn)，所以設計一款智慧協(xié)警機器人是有必要的。

2 設計方案

針對上述背景中出現(xiàn)的交通事故頻發(fā)、群眾關(guān)注度高、道路事務繁忙、設備缺乏智能化等問題，項目給出了相應的解決方案及適用場景，主要采用以機器人協(xié)助警察完成日常工作為主，獨立作業(yè)為輔的工作理念。

2.1 交通道路執(zhí)法應用

機器人可應用于交通道路執(zhí)法，其具有測酒駕的功能，同時兼?zhèn)鋵χ苓呁话l(fā)事故預處理的能力，可將事故造成的損失最小化。在測酒駕工作場景下，機器人先移動至設定的工作區(qū)域，接著右機械手臂展開LED 面板，同時滾動播放警示字幕，左機械手臂內(nèi)的測酒駕裝置也隨即啟動。當有車輛即將進入被檢測區(qū)域時，機器人會通過頭部的測速裝置提前對車輛測速，若車輛速度過高或出現(xiàn)闖卡動機時，出于人道主義且為了避免機器人被損壞，機器人驅(qū)動避險并記錄逃逸車輛的信息，將捕獲的車輛信息同步提供給附近的交警處理。若車輛減速，機器人通過機身前置語音交互裝置引導駕駛?cè)藛T配合檢測，檢測結(jié)果正常則機器人解除警報并將車輛放行，若檢測結(jié)果為酒駕，則機器人提示駕駛?cè)藛T停靠至安全區(qū)域等待處理，同時將車輛信息同步提供給附近交警處理，此時機器人左臂的清潔裝置對酒駕測量儀進行消毒，其目的在于被測人員避免交叉感染。

2.2 人群密集區(qū)域巡檢工作

機器人依據(jù)規(guī)劃路線實現(xiàn)區(qū)域巡檢，日常巡檢主要包括以下兩項工作內(nèi)容：（1）巡航過程中對密集區(qū)域的人員進行溫度測量，（2）巡航過程中對有需要的人員提供相應的幫助。同時，機器人可為市民提供口罩分發(fā)、地圖指引、人事舉報等功能，上述功能都位于機身后方的曲面觸控屏上，群眾可根據(jù)自身需求進行選擇。

3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

智慧協(xié)警機器人是集機電一體化的智能化產(chǎn)品，其共包含了五個模塊，分別為：警示模塊、檢測模塊、通訊模塊、避險模塊、服務模塊。機器人如圖2 所示。

圖1 智慧協(xié)警機器人工作流程

圖2 智慧機器人產(chǎn)品示意圖

3.1 警示模塊

測溫與測速識別攝像頭安裝于機器人頭部，其具有雙目跟隨測距的功能，由太陽能板和電池持續(xù)提供電能，實現(xiàn)機器人全天候無死角自適應工作。在自主巡航場景下，頭部測溫裝置可檢測周圍人員的體溫；在事故路段警示場景下，機器人右臂LED 警示面板可通過兩個相互作用的齒輪齒條機構(gòu)實現(xiàn)電子顯示屏的的伸縮，在工作狀態(tài)下擴寬屏幕，提醒周圍人員；非工作狀態(tài)下收縮屏幕，減少空間占用。

3.2 檢測模塊

在工作狀態(tài)下，機器人依靠機身內(nèi)部齒輪機構(gòu)將裝有測酒駕裝置的機械臂向前擺動，安裝于機器人腦部的芯片與識別裝置同步啟動，將測得數(shù)據(jù)提供至警用云端平臺。具體過程如下：機器人左臂通過齒輪機構(gòu)向前擺至45°，測酒駕設備依次由吹嘴、測試儀、柔性彈簧和底座共同構(gòu)成，其位于機器人左臂內(nèi)側(cè)，通過直線電動機的直線運動可將它頂出，從而實現(xiàn)伸縮的效果，結(jié)構(gòu)如圖3 所示，被測人員可以利用彈簧柔性的特點調(diào)整測試頭位置。檢測完畢后，位于吹嘴上方的噴嘴噴灑易揮發(fā)型消毒液，對檢測儀器和測試嘴進行消毒，在消毒結(jié)束后，機械臂上端兩側(cè)的磁鐵吸附實現(xiàn)閉合，手臂通過齒輪機構(gòu)實現(xiàn)復位。

圖3 測酒駕裝置

3.3 通訊模塊

城市化數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用5G 即時通訊和北斗定位導航系統(tǒng)實現(xiàn)定位和數(shù)據(jù)共享。機器人在檢測到酒駕人員后，將違法信息登記在身份驗證系統(tǒng)中，并將信息提供給附近巡查的交警處理；當機器人在密集區(qū)域巡邏檢查時，它會鎖定溫度異常人員，并上傳信息。同時，機器人數(shù)量分布與調(diào)配依據(jù)大數(shù)據(jù)分析后臺，實現(xiàn)城市交通數(shù)據(jù)管理與資源共享，充分體現(xiàn)了城市數(shù)字化管理的理念。

3.4 避險模塊

避險模塊安裝于機器人的底部，適用于司機違法闖卡時機器人的自身防護。當認定司機具有闖卡動機且時速超標時，測速器將信息傳遞至底部，通過安置在機器人底座的剪叉升降裝置使機身極速下降，驅(qū)動組件麥克納姆輪同步啟動，機器由此向反方向躲避（在底部采用的四個麥克納姆輪，能夠提高機器人的穩(wěn)定性和機動性，保護駕駛員與機器的安全），同時捕獲逃逸車輛信息提交至執(zhí)法平臺；若車輛未及時分流避讓，出現(xiàn)緊急狀況將發(fā)生碰撞，則觸發(fā)保護機制，安全氣囊迅速彈出并包裹住機身，最大程度上減少機器人的損傷。

3.5 服務模塊

服務模塊針對市民和管理者兩類使用對象，機身觸摸屏界面上設置有市民服務與管理者兩個入口。市民服務入口用于市民服務，包括一鍵報警等；管理者入口用于警務人員登錄；當檢測到未佩戴口罩的人員時，機器人會打開口罩儲物盒，市民自行取用。

4 系統(tǒng)設計

機器人擁有智能化管理系統(tǒng)和總控制系統(tǒng)，其設計目的在于實現(xiàn)機器人智能化。

4.1 智能化管理系統(tǒng)

智能化管理系統(tǒng)具體功能如下：

（1）機器人自檢功能：通過多組傳感器采集機身數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控機器人狀態(tài)，當設備需檢修時會自動提醒交警并提供當前位置坐標，方便交警及時收回協(xié)警機器人。

（2）執(zhí)法記錄功能：機器人在巡檢過程中會記錄周邊突發(fā)的事故，系統(tǒng)也會在第一時間接收到數(shù)據(jù)，警察在執(zhí)法過程中，機器人能在疏散事故周邊人群的同時記錄下警察執(zhí)法的全過程，將記錄上傳至APP 執(zhí)法記錄中心，方便警察隨時調(diào)用。

（3）一鍵報警功能：機器人在巡檢過程中遇到市民求助，機身內(nèi)置北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)會將求助人員的實時位置傳輸給系統(tǒng)，使距離報警點最近的警察能快速定位求助者的位置，高效處理事務。

（4）酒駕檢測：系統(tǒng)與設備之間通過無線模塊相連接，機器人在執(zhí)勤過程中實時將測得的酒駕數(shù)據(jù)上傳至檢測系統(tǒng)，同時交警也可實時監(jiān)控當前被檢人員的酒精測量值，若被測駕駛員二次及以上酒駕被查處，系統(tǒng)在記錄中將該人員名單標紅，便于交警更有力地處理此類惡性事件。

（5）防疫巡檢：在人群密集區(qū)域進行巡檢，測量到溫度異常的人員，控制中心會將該人員信息上傳給防疫檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)通知附近警察及時處理，同時機器人也會提醒該區(qū)域附近未帶口罩的市民帶好口罩。

4.2 總控系統(tǒng)

協(xié)警機器人總控系統(tǒng)用作整個控制系統(tǒng)的核心，主要用于處理語音數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)信息，而C51 單片機作為系統(tǒng)的信息執(zhí)行控制單元，控制協(xié)警機器人的動作，如圖4 所示。

圖4 總控系統(tǒng)控制流程圖

協(xié)警機器人在初始位置后，指揮交警可通過語音方式發(fā)布云端指令信息。指令包括“定點移動”“轉(zhuǎn)換巡查區(qū)域”“原地警戒”等。機器人借助上機身上的計算機裝置和無線傳輸芯片接收交警云端指令，這些指令通過“協(xié)警機器人總控系統(tǒng)”進行編譯和自動語音識別及信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；同時“協(xié)警機器人總控系統(tǒng)”還可以進行同步定位和地圖規(guī)劃，從而精確定位機器人所在方位，這些信息作為單片機的輸入驅(qū)動數(shù)據(jù)，從而控制下機身驅(qū)動機器人在指定巡航區(qū)域進行自主巡航。自主巡航過程中由“協(xié)警機器人總控系統(tǒng)”收集并統(tǒng)計“酒駕頻發(fā)區(qū)”、“人群溫度異常區(qū)”和“交通事故高發(fā)路段”等熱點信息地圖，進而輔助交警工作規(guī)劃。

在接收到控制信息后，上機身會將收到的指令通過傳輸線傳輸至下機身，驅(qū)動部分收到控制信號后并作出相應的動作。在自主巡航等工作狀態(tài)下，機器人到達指定工作區(qū)域后執(zhí)行上機身中預設程序，在執(zhí)行過程中參數(shù)即時反饋給主控芯片，若反饋的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常主控芯片會執(zhí)行警告程序，并中斷所有的運行，以保障人與機器人的安全。

協(xié)警機器人同步搭載了自動語音識別技術(shù)（ASR）和同步定位與地圖繪制（SLAM）技術(shù)。機器人語音識別的最終目的是將人類語言轉(zhuǎn)化為計算機可識別的數(shù)據(jù)，進而對口述語言中包含的要求或詢問做出正確的動作反應或語言反應，進一步實現(xiàn)人機交互的功能，而使用SLAM 技術(shù)旨在解決機器人在未知環(huán)境中運行時即時定位與地圖構(gòu)建的問題，使機器人在接收動作指令后移動更加準確。

云端智能管理系統(tǒng)，其負責接受機器人每日上傳的數(shù)據(jù)，對酒駕頻發(fā)區(qū)、人群溫度異常區(qū)、交通事故高發(fā)路段進行計算繪制成平面地圖，以通俗易懂的形式呈現(xiàn)給交警。交警通過對比數(shù)據(jù)可以及時解決該段道路存在的問題。

5 結(jié)論

科技發(fā)展和不斷更新的社會需求正在助推智能化設備及技術(shù)的快速發(fā)展，而交通是智能化技術(shù)發(fā)展的前沿陣地。國家汽車保有量的激增使交警執(zhí)勤面臨重大考驗，協(xié)警機器人有助于緩解交通執(zhí)勤壓力，促進便民服務和社會交通良性發(fā)展。本文創(chuàng)新性地設計了智慧協(xié)警機器人的初步方案，有結(jié)構(gòu)功能和實現(xiàn)場景上做了有益的探索，為協(xié)警機器人技術(shù)發(fā)展提供了參考。