吳劍英，平雪良，張逸倫，陳祥，馬博琳，劉家威

(江南大學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214122)

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用在各行各業(yè)迅速展開(kāi)，生活中機(jī)器人的應(yīng)用也正在悄然興起，如自動(dòng)清潔機(jī)器人等，但其應(yīng)用還不成熟多見(jiàn)[1]。目前，移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)以及室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展較快并相對(duì)成熟，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。隨著手機(jī)的普及，智能時(shí)代正在到來(lái)，用手機(jī)APP來(lái)進(jìn)行控制也非常方便和簡(jiǎn)單。據(jù)文獻(xiàn)及專利調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)市面上的智能垃圾桶大多只有簡(jiǎn)單的自動(dòng)開(kāi)合蓋子、自動(dòng)套袋等功能，具有可移動(dòng)及垃圾滿溢檢測(cè)的智能垃圾桶并不常見(jiàn)。

本文旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種智能垃圾桶定位及檢測(cè)技術(shù)。主要包括以下內(nèi)容：1)移動(dòng)平臺(tái)的室內(nèi)定位。室內(nèi)定位技術(shù)是機(jī)器人控制技術(shù)研究方向中一個(gè)非常重要的問(wèn)題，到目前為止，室內(nèi)定位技術(shù)主要有相對(duì)定位以及無(wú)線定位兩大類。相對(duì)定位技術(shù)主要原理是在測(cè)量移動(dòng)平臺(tái)相對(duì)于初始位置的方位及距離后，再由初始位置以及測(cè)量信息確定機(jī)器人的當(dāng)前位置。常用的傳感器包括光電編碼器、里程計(jì)及慣導(dǎo)系統(tǒng)(如速度陀螺、加速度計(jì)等)。無(wú)線定位技術(shù)目前主要有3種定位技術(shù)：ZigBee 定位技術(shù)、WiFi 定位技術(shù)、UWB 定位技術(shù)[2-3]?？紤]到與手機(jī)的通信，本文的設(shè)計(jì)優(yōu)選WiFi定位技術(shù)。2)路徑規(guī)劃。依托于CCD相機(jī)，激光測(cè)距傳感器等，基于SLAM算法構(gòu)建室內(nèi)地圖可較好地實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃[4]。3)垃圾桶滿溢檢測(cè)。市面上智能垃圾桶僅具有自動(dòng)開(kāi)合的功能，結(jié)構(gòu)單一，普及率不高。本文設(shè)計(jì)的智能垃圾桶在涵蓋傳統(tǒng)垃圾桶所具備功能的同時(shí)，采用紅外檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)垃圾桶滿溢檢測(cè)的功能。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本文機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)以一臺(tái)三輪式雙排全向輪底為基礎(chǔ)，系統(tǒng)利用陀螺儀以及直流電機(jī)的差速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)循跡。采用三輪速度的不同組合方式完成二維平面內(nèi)任一方向的移動(dòng)，利用激光測(cè)距傳感器進(jìn)行測(cè)距，實(shí)時(shí)處理分析已收集到的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)避障功能，很好地解決了機(jī)器人的路徑規(guī)劃問(wèn)題[5-6]。針對(duì)機(jī)器人定位問(wèn)題，本文采用WiFi定位技術(shù)。由于周?chē)h(huán)境對(duì)機(jī)器人定位算法有一定的影響，通過(guò)分析幾種常見(jiàn)的距離判斷算法，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，為機(jī)器人規(guī)劃出一塊確定的運(yùn)動(dòng)與識(shí)別區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的定位功能。針對(duì)垃圾桶滿溢檢測(cè)及桶蓋智能開(kāi)合問(wèn)題，本文采用紅外檢測(cè)技術(shù)，在內(nèi)桶頂部搭載一對(duì)射式紅外傳感器，若檢測(cè)到垃圾滿溢則通過(guò)WiFi通信向用戶發(fā)出信號(hào)。在外桶蓋頂部搭載一反射式紅外傳感器，當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)垃圾桶，垃圾桶蓋打開(kāi)，經(jīng)一段時(shí)間的延時(shí)，自動(dòng)閉合。具體方案以及主要機(jī)械結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖1、圖2所示。

圖1 整體方案

圖2 智能垃圾桶主要結(jié)構(gòu)

2 移動(dòng)底盤(pán)的定位及控制

2.1 移動(dòng)底盤(pán)的定位

本設(shè)計(jì)中移動(dòng)底盤(pán)的定位采用WiFi室內(nèi)定位技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)定位過(guò)程中采用不同的硬件方法分為 AOA、TOA、TDOA、RSSI 定位。本文采用最常用的RSSI(基于信號(hào)強(qiáng)度的)定位技術(shù)，測(cè)得定位環(huán)境中無(wú)線 AP 節(jié)點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)度值后，根據(jù)該信號(hào)強(qiáng)度值，再基于已有的理論和經(jīng)驗(yàn)建立距離與信號(hào)強(qiáng)度值的關(guān)系方程，由此根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度值計(jì)算發(fā)射端和接收端之間距離，從而得到定位端的具體坐標(biāo)值。因?yàn)閃iFi信號(hào)收發(fā)兩端存在一定誤差，所以通過(guò)引入隨機(jī)變量xε，將隨機(jī)誤差的影響盡量降到最低[7]。 基于路徑損耗的對(duì)數(shù)衰減模型如下式所示：

RSSI是接收端在距離d處獲取到的無(wú)線 AP 節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，單位是 dBm；RSSI0是常值，其大小取決于在參考距離d0處測(cè)量得到的無(wú)線 AP 點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度；d為參考距離，一般選取為 1m；γ是路徑損耗指數(shù)；xε是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，主要受信道噪聲和陰影的影響。

假設(shè)定位端可以接收到A、B、C 3個(gè)無(wú)線AP節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，且3個(gè)圓兩兩相交，即可通過(guò)三角質(zhì)心算法確定定位端的坐標(biāo)值[8]。三角質(zhì)心算法模型如圖3所示。

圖3 三角質(zhì)心算法模型

圖3中圓A、圓B交點(diǎn)P1的求解過(guò)程如下：

上述方程組的解即為P1的坐標(biāo)，同理可求P2、P3;定位端坐標(biāo)即為：

2.2 移動(dòng)底盤(pán)的控制

底盤(pán)運(yùn)動(dòng)由ST的32位微控制器STM32F407ZGT6進(jìn)行控制。該單片機(jī)板搭載112個(gè)可編程IO口以及大量的片上外設(shè)，并含有ATK-RM04WiFi模塊，該WiFi模塊支持 RS232 串口、 LVTTL 串口，支持電壓工作范圍為DC6 V～16 V，支持串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)、串口轉(zhuǎn) WIFI STA、串口轉(zhuǎn) WIFI AP 等連接形式。同時(shí)， ATK-RM04 兼路由器功能，完全可以當(dāng)成一個(gè)路由器使用，因而更方便用戶移動(dòng)設(shè)備與底盤(pán)控制系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)通信。

移動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 移動(dòng)底盤(pán)模型

對(duì)底盤(pán)的移動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可以得到以下公式：

vA=-vx+ωr

其中：vA、vB、vC分別是3臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；vx、vy分別是以底盤(pán)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立的正交坐標(biāo)系沿x、y方向的速度分量；ω為角速度；r為全向輪半徑。

根據(jù)以上原理，設(shè)置入口參數(shù)為x、y、z軸速度，通過(guò)C語(yǔ)言編程解算求出3臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，傳入位置PID控制器，通過(guò)不斷與目標(biāo)點(diǎn)之間的矯正，最終到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

3 垃圾桶紅外檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的垃圾桶內(nèi)桶與外桶分離，利用電磁耦合技術(shù)連接上蓋座和外桶，極大地方便了內(nèi)桶的取出；上蓋座搭載一桶蓋開(kāi)合檢測(cè)裝置，當(dāng)用戶距離垃圾桶蓋上部15～20cm時(shí)檢測(cè)裝置收到信號(hào)，主控板向180°舵機(jī)發(fā)送1.5ms的脈寬，上蓋打開(kāi)； 5s后自動(dòng)關(guān)閉。該檢測(cè)裝置采用紅外發(fā)光二極管，應(yīng)用紅外反射光強(qiáng)法檢測(cè)桶蓋上部是否有物體靠近。具體方式為紅外管不斷發(fā)射調(diào)制后的信號(hào)，光敏管接收調(diào)制的紅外信號(hào)，原理如圖5所示。

圖5 紅外發(fā)射接收原理

反射光強(qiáng)度的輸出信號(hào)電壓Vout是反射面與傳感器之間距離的函數(shù),設(shè)定輸出電壓達(dá)到某一閾值時(shí)舵機(jī)工作，帶動(dòng)桶蓋打開(kāi)，經(jīng)5s延時(shí)后桶蓋自動(dòng)閉合。

在內(nèi)桶頂端置有一對(duì)射式紅外傳感器，常態(tài)下光敏管可接收到紅外信號(hào)，當(dāng)垃圾滿溢時(shí)，紅外光被阻斷，光敏管接收不到信號(hào)，此時(shí)通過(guò)WiFi通信提示用戶“垃圾已裝滿”。紅外檢測(cè)程序框圖如圖6所示。

圖6 紅外檢測(cè)程序框圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用的WiFi定位、WiFi通信、紅外檢測(cè)技術(shù)，很好地解決了智能垃圾桶的遙控定位及檢測(cè)問(wèn)題，提高了垃圾桶的定位精度以及垃圾桶滿溢檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。在智能家居以及互聯(lián)網(wǎng)+的環(huán)境下，本文提出的定位及檢測(cè)技術(shù)將大大促進(jìn)智能垃圾桶的發(fā)展。隨著本技術(shù)的普及,智能垃圾桶將更加深入居民日常生活，徹底改變?nèi)藗兊沫h(huán)境保護(hù)理念，用戶可通過(guò)手機(jī)等搭載WiFi模塊的上位機(jī)對(duì)智能垃圾桶進(jìn)行傳呼，隨手將手邊垃圾丟入垃圾桶，這將極大提高居民生活環(huán)境的整潔度、舒適度。