基于樹莓派的引導(dǎo)式機器人設(shè)計*

劉繼軍，張旭峰，趙澤宇，王瑞豪，馬毓乾

(太原工業(yè)學(xué)院,山西 太原 030013)

0 引言

隨著時代進步,人民生活水平不斷提升,流動人口總量持續(xù)增長。面對來自四面八方、需求各不相同的人群,服務(wù)人員的精力有限,一時之間難以滿足人群的各種需求。

現(xiàn)階段,我國大多數(shù)醫(yī)院都沒有真正站在患者的角度對門診服務(wù)進行研究,存在就診流程繁瑣、等待時間長、服務(wù)態(tài)度差等問題。這不僅影響醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量和效率,更影響患者的就醫(yī)效率。張川、賈小溪(2021)認為實施門診改善服務(wù),建立以病人需求為導(dǎo)向的門診服務(wù)模式,通過強化信息技術(shù)支撐作用,助力智慧門診服務(wù)建設(shè),如建立AI智能客服平臺,提供患者智能咨詢服務(wù),對門診處方、化驗單、檢查單進行解讀,能夠更好地服務(wù)門診患者[1]。

如能開發(fā)具有引導(dǎo)功能的機器人,既可幫助群眾通曉辦事流程,又能減少服務(wù)人員不必要的重復(fù)勞動,從而節(jié)約人力成本,降低因初次到訪服務(wù)區(qū)域而不知所措的群眾數(shù)量。

1 整體設(shè)計

機器人通過GPS獲取機體位置、姿態(tài)角、距離等,通過HC-SR04超聲波模塊檢測障礙,由樹莓派控制電機行為,按照預(yù)先規(guī)定的路徑及范圍行動。通過ssh功能遠程對樹莓派進行控制及調(diào)整,通過藍牙RSSI進行測距以避免與使用者分離。

2 硬件設(shè)備

2.1 樹莓派

樹莓派又稱卡片式電腦,是一款基于ARM的微型電腦主板,以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤,具備所有PC的基本功能。樹莓派通過GPIO庫對外設(shè)進行操作,具有很強大的可開發(fā)性[2]。

2.2 HC-SR04超聲波模塊

采用超聲波發(fā)射接收一體的超聲波測距模塊HC-SR04,該傳感器體積小,功耗低,并提供2 cm ～400 cm(約1英寸至13英尺)之間出色的非接觸范圍檢測,精度為3 mm。如果發(fā)射的脈沖沒有被反射回來,則回波信號將在38 ms后標記超時并返回低電平。因此,38 ms的脈沖即表示在傳感器測距范圍內(nèi)沒有障礙物存在。

2.3 GPS定位模塊

GPS是全球定位系統(tǒng)的簡稱,源于 1958年美國軍方的一個項目,直到1994年已完成24顆GPS衛(wèi)星的布設(shè),其全球覆蓋率高達98%。GPS技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在,在一定的技術(shù)權(quán)限和精度要求的范圍內(nèi),美國軍方向全球民用需求開放GPS提供免費支持。GPS技術(shù)反應(yīng)迅速,運作實時,具有高精度、全天候、使用廣泛等特點,是目前最為成功的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

2.4 移動方式

機器人依照其移動機構(gòu)可分為輪式、履帶式、腿式、蛇行式、跳躍式和復(fù)合式。其中輪式移動機器人按照車輪數(shù)目又可分為單輪滾動機器人、雙輪移動機器人、四輪移動機器人、多輪 (復(fù)六輪和八輪) 移動機器人[3]。相比于其他各式機器人,輪式移動機器人機構(gòu)簡單,運行速度快,驅(qū)動、控制較為簡易和方便。所以輪式機器人被大量應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等各個領(lǐng)域。

對于平整地面而言,單輪、雙輪機器人天然具有不穩(wěn)定的特征,強行配置務(wù)必將消耗一定的運算使機器人保持穩(wěn)定。如無特殊要求,選擇三輪或四輪機器人更為合適。此處選擇后輪驅(qū)動前輪轉(zhuǎn)向的四輪機器人。

轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用了汽車常用的阿克曼轉(zhuǎn)向機構(gòu),以此解決機器人轉(zhuǎn)向時左、右轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向半徑不同所造成的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角不同的問題。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超聲波測距

渡越時間探測法指的是超聲波發(fā)生器往某個方向發(fā)射超聲波,計時開始于發(fā)射的時間點,此后超聲波沿直線傳播,當(dāng)超聲波撞擊到物體時就被反射回來,當(dāng)超聲波接收器接收到返回來的回波時計時停止[4]。

超聲波測距通過超聲波脈沖發(fā)射與接收的時間差進行計算。

其中,t為發(fā)射與接收的時間間隔;v為超聲波在空氣中傳播速度;x為探頭與被測物體間距離。

其中,T為環(huán)境攝氏溫度。

3.2 自主定位導(dǎo)航

根據(jù)離線地圖構(gòu)建區(qū)劃和路線?；诂F(xiàn)有地圖將服務(wù)區(qū)域中眾多目的地,依照其位置劃分為各個小區(qū)域。預(yù)先記錄關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點位的位置信息。編譯程序使機器人根據(jù)目的地自主判斷所要到達的小區(qū)域,并依照預(yù)先錄制的路線運行。

3.3 障礙物規(guī)避

小車共連接有三個HC-SR04超聲波模塊。小車運行過程中將不間斷嘗試獲取前方距離,當(dāng)距離小于預(yù)設(shè)值時停止前進,根據(jù)當(dāng)前情況做出反應(yīng),越過障礙物后,控制小車回轉(zhuǎn)方向并重新獲取位置信息以判斷當(dāng)前位置,具體流程如圖2所示。

圖1 避障程序設(shè)計

圖2 心電信號采集電路結(jié)構(gòu)框圖

圖2 藍牙連接程序設(shè)計

圖3 心電信號采集系統(tǒng)總體設(shè)計方案框圖

圖4 人體實測連接圖

3.4 微信小程序掃描二維碼啟動藍牙連接設(shè)備(如圖2所示)

3.4.1 初始化藍牙設(shè)備(檢測藍牙是否開啟)

如果手機上的藍牙沒有打開,可以提醒用戶“手機藍牙未打開”。初始化成功后,搜索周邊藍牙設(shè)備。

3.4.2 獲取藍牙設(shè)備信息

采用wx.getBluetoothDevices方式,獲取在藍牙模塊生效期間所有已發(fā)現(xiàn)的藍牙設(shè)備。包括已經(jīng)和本機處于連接狀態(tài)的設(shè)備。

3.4.3 判斷里面是否有想要的藍牙設(shè)備

找到指定藍牙后,通過設(shè)備ID進行藍牙連接,連接藍牙成功之后關(guān)閉藍牙搜索。未找到指定藍牙則提醒使用者靠近一點重試。

3.5 通過RSSI測距實現(xiàn)跟隨判定

隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)快速發(fā)展,基于WSN的定位技術(shù)也逐漸成為研究熱門。但此類定位技術(shù)相較于GPS,往往依賴于外置信號源如WiFi、藍牙、超寬帶等或天然信號源,如地磁場實現(xiàn)定位,其具有許多缺點,常應(yīng)用于室內(nèi)。

此處僅需實現(xiàn)低精度的室外短距離測距,故采用藍牙定位技術(shù),通過藍牙RISS值實現(xiàn)低精度測距。但是該技術(shù)容易受到外部噪聲信號的干擾,信號穩(wěn)定性較差,通信范圍較小[5]。同時室外環(huán)境復(fù)雜多變,信號強度的測量值往往與理想中的強度存在差異。實際測量時會發(fā)現(xiàn)RSSI測量值會在中心值輕微波動的同時伴有個別粗大異常值。而且隨著測量距離的增大,RSSI測量值的波動范圍也會變大[6]。因此需要對測量的RSSI值進行預(yù)處理。

經(jīng)研究,可以通過肖維勒法剔除測量時出現(xiàn)的個別粗大異常值[6],即確定一個以正態(tài)分布的均值為中心的數(shù)據(jù)范圍,對不符合該限度的值作異常值進行剔除。此時即可將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算發(fā)射端和接收端之間的距離。

通過3.4所述將使用者智能設(shè)備與機器人進行藍牙連接。

通過藍牙信號估算距離,測距算法公式:

其中,d為計算所得距離;RSSI為接收信號強度;A為發(fā)射端和接收端相距一米時的信號強度;n為環(huán)境衰減因子。

采集兩組不同的d值與RSSI值,分別為(d1,RSSI1)、 (d2,RSSI2),根據(jù)距離與信號強度計算n值公式:

根據(jù)距離與信號強度計算A值公式:

當(dāng)n值確定后計算A值公式:

A=abs(RSSI)-10×n×log10d.

因n值及d值均確定,故實際A值只與RSSI值相關(guān)

通過計算得到d值后,如使用者與機器人之間的距離過大,則控制機器人停止前進、閃爍指示燈等待使用者靠近。

3.6 電機驅(qū)動

采用ZM-6510M模塊實現(xiàn)驅(qū)動,該模塊可采用PWM占空比控制或者通過485串口控制。此處采用PWM占空比控制方式進行控制。將無刷電機接入ZM-6510M模塊,使用24 V電源供電,即可通過PWM控制電機工作。模塊PU端口即為PWM脈沖波輸入口,可以通過輸入不同空占比的PWM脈沖波控制電機的轉(zhuǎn)動速度[7]。DIR端口可選擇電機的正反轉(zhuǎn)。BREAK端口和EN端口分別控制電機的停止和啟動。另外,該模塊還可以輸出一些運行中的警告信息和電機的轉(zhuǎn)速信息且具有欠壓、過壓、堵轉(zhuǎn)、過熱保護。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的輪式機器人,以樹莓派4b為控制核心,通過人為確定路徑范圍實現(xiàn)了一定區(qū)域內(nèi)的引導(dǎo)服務(wù)。機器人可自主完成避障行動,使用者可通過微信小程序與其進行溝通操作,管理者可通過ssh功能對機器人進行調(diào)整。RSSI測距可以使機器人保持在使用者一定范圍內(nèi)進行活動。但是通過人為確定路徑范圍較為繁瑣復(fù)雜,不利于機器人的廣泛應(yīng)用。后期可以接入如百度地圖開放平臺等地圖導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于更加廣闊的室外,或者可以搭配精細的RSSI定位模塊應(yīng)用于室內(nèi)。該機器人總體而言具有較強的擴展性和可兼容性。