基于色差分析法的清潔機(jī)器人的研究

南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院 劉 科

1.引言

在生活節(jié)奏日益加快，工作壓力逐漸增強(qiáng)的今天，研究智能清潔機(jī)器人把人們從繁瑣的家務(wù)勞動(dòng)中解脫出來對改善生活品質(zhì)、提高生活質(zhì)量具有重要意義。清潔機(jī)器人將成為家居和各大公共場所肩負(fù)清潔工作不可或缺的工具。目前市場上各公司生產(chǎn)的清潔機(jī)器人大多數(shù)沒有地面污漬檢測功能，針對污漬不同的地面只能做同樣的清潔處理，而我們研究的清潔機(jī)器人是基于色差分析法，它可以檢測出地面上色差較大的污漬，在正常清潔的基礎(chǔ)上進(jìn)行重點(diǎn)清潔直到去除污漬，同時(shí)機(jī)器人自帶清潔水，清潔刷，污漬明顯的地方直接噴灑清潔水再用清潔刷強(qiáng)力擦出，去污效果明顯，抗光線干擾能力強(qiáng)。機(jī)器人根據(jù)規(guī)劃路徑清潔整個(gè)房間，遇到桌椅等障礙自動(dòng)避開，可以輕松清除地板上的污漬。

2.清潔機(jī)器人

清潔機(jī)器人由顏色識(shí)別模塊，紅外避障模塊，清潔模塊和人機(jī)交互模塊組成。顏色識(shí)別模塊通過TCS230顏色傳感器將采集的色差信號(hào)送給主控器，清潔模塊立即響應(yīng)主控器的命令完成清潔任務(wù)。紅外避障模塊通過遠(yuǎn)距離紅外傳感器將采集是否有障礙的數(shù)字信號(hào)送給主控器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)將立即響應(yīng)決定是否避障。主控制器選用STC增強(qiáng)型51單片機(jī)STC12C5A60S2，具有高速、高可靠性、低功耗、超強(qiáng)抗干擾能力且價(jià)格低廉。電機(jī)采用額定電壓6V的直流減速電機(jī)，通過L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制簡單高效。

與現(xiàn)在網(wǎng)上所賣的成品清潔機(jī)器人如“地寶”相比自動(dòng)色差分析機(jī)器人明顯的優(yōu)勢在于：(1)它可以對地面的有色污漬進(jìn)行識(shí)別而不是所有的地方都清理。(2)自動(dòng)色差分析機(jī)器人對地面比較潮濕的污漬可以有效清理，而“地寶”對此束手無策。(3)具有自載水的新特性，在需要噴水的地方噴灑適量的清潔水，強(qiáng)化清潔效果。

與現(xiàn)在大多數(shù)高校和研發(fā)部門研究的基于圖像處理的或帶機(jī)械手的清潔機(jī)器人相比自動(dòng)色差分析機(jī)器人也具有以下先進(jìn)性：(1)圖像識(shí)別的機(jī)器人多采用攝像頭實(shí)現(xiàn)垃圾識(shí)別，而且只能記住特定的垃圾，即識(shí)別單一化，而自動(dòng)色差分析機(jī)器人識(shí)別顏色多元化；同時(shí)攝像頭采集圖像需要良好的光線，受光線影響大，在光線不好的地方基本無法識(shí)別垃圾，而自動(dòng)色差分析機(jī)器人傳感器自帶光源，識(shí)別基本不受光線影響。(2)對于帶機(jī)械手的機(jī)器人一般行動(dòng)遲緩不靈活，抓取成功率低，實(shí)用性差，而且對地面的污漬束手無策，與之相比自動(dòng)色差分析機(jī)器人小巧靈活，檢測和擦除成功率高，實(shí)用性強(qiáng)，對家居和畫室的有色污漬具有良好的清理效果。

2.1 顏色識(shí)別模塊

TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率轉(zhuǎn)換器。它把可配置的硅光電二級(jí)管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)CMOS電路上，同時(shí)一個(gè)芯片集成紅綠藍(lán)(RGB)三種濾光器，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB顏色傳感器，引腳與功能框圖見圖2。

當(dāng)入射光投射到TCS2300上時(shí)，通過光電二極管引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經(jīng)過電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波，不同的顏色和光強(qiáng)對應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求[1]，如表1所示。

測量頻率的方法：設(shè)置定時(shí)器為一固定時(shí)間(例如10ms)，然后選通三種顏色的濾波器，計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)TCS230的輸出脈沖數(shù)，計(jì)算出一個(gè)比例因子，通過這個(gè)比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。在實(shí)際測試時(shí)，使用同樣的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，把測得的脈沖數(shù)再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所對應(yīng)的RGB值。

2.2 紅外避障模塊

如圖3所示：紅外避障傳感器充分利用了物體的反射性質(zhì)。傳感器發(fā)射端發(fā)射紅外線，在設(shè)定的范圍內(nèi)，如果沒有障礙物，發(fā)射出去的紅外線，因?yàn)閭鞑ゾ嚯x越遠(yuǎn)而逐漸減弱，最后消失，而如果有障礙物，紅外線遇到障礙物后反射，被傳感器接收端所接收。

通過對紅外傳感器的信息進(jìn)行采集，使用二極管D1發(fā)射紅外線，二極管D2接收紅外信號(hào)。紅外線發(fā)射部分不設(shè)專門的信號(hào)發(fā)生電路，直接從單片機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘頻率，既簡化了線路和調(diào)試工作，又能使電路的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大加強(qiáng)[2]。

表1 S0、S1及S2、S3的組合選項(xiàng)

圖1 清潔機(jī)器人各模塊關(guān)系圖

圖2 TCS230引腳信號(hào)與功能結(jié)構(gòu)框圖

圖3 紅外避障傳感器工作示意圖

表2 部分顏色的RGB對照值（16進(jìn)制）

圖4 通過鍵盤設(shè)置液晶顯示啟動(dòng)機(jī)器人

圖5 機(jī)器人發(fā)現(xiàn)污漬準(zhǔn)備靠近

圖6 機(jī)器人噴完清潔水強(qiáng)力清除污漬

圖7 機(jī)器人正在自主避開桌椅

2.3 清潔模塊

清潔模塊由水泵、水箱、繼電器、清潔刷、百潔布等組成。機(jī)器人運(yùn)行時(shí)遇到污漬比較多地方，單片機(jī)將通過繼電器控制打開直流微型水泵，清潔水從水箱中經(jīng)過噴頭噴灑到地面，機(jī)器人來回移動(dòng)通過清潔刷和百潔布強(qiáng)力去除地面的污漬。清潔水是洗滌液和自來水按比例混合而成，同時(shí)可加入芳香劑，使得清潔后的地面散發(fā)香氣。清潔刷和百潔布固定在機(jī)器人底部，用一段時(shí)間后需要及時(shí)更換。

2.4 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊主要由鍵盤和OLED液晶顯示組成，開機(jī)Logo過后將進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置，通過鍵盤可以選擇不同清掃路徑：螺旋狀路徑和梳狀路徑，以及正常清掃的時(shí)間，污漬清掃時(shí)間，清潔水噴射時(shí)間等。OLED即有機(jī)發(fā)光二極管，又稱為有機(jī)電激光顯示，具備輕薄，省電等特性。通信協(xié)議采用SPI總線，只需要4根信號(hào)線連接單片機(jī)就可以實(shí)時(shí)顯示并能保持畫面。

3.色差分析法

單片機(jī)通過TCS230顏色傳感器可以定時(shí)讀取RGB值，根據(jù)RGB對照表就可以分析出地面的顏色。機(jī)器人出發(fā)時(shí)要先記錄干凈地面的RGB值作為參照，當(dāng)運(yùn)行到RGB值與參照值相差較大時(shí)，即色差大于設(shè)定值，就是存在污漬的地面，要進(jìn)行重點(diǎn)清潔噴灑清潔水，使用清潔刷和百潔布去除污漬，機(jī)器人前后來回運(yùn)動(dòng)直到污漬清除（這里的清除主要是指當(dāng)前地面RGB值與參照地面RGB值的色差小于設(shè)定值）。

當(dāng)然可能有些污漬粘性強(qiáng)，多次清掃也無法清除，當(dāng)清除時(shí)間超過預(yù)先設(shè)定的污漬清掃時(shí)間，機(jī)器人會(huì)繼續(xù)清掃剩余沒有清潔的地面，此處污漬留給主人人工參與清除。當(dāng)遇到地磚的縫隙時(shí)色差比較大，但由于縫隙較小，機(jī)器人會(huì)認(rèn)為是誤識(shí)別，忽略不計(jì)。需要特別說明的是色差分析清潔機(jī)器人只適用于做顏色比較統(tǒng)一的地面清潔工作，帶花紋的地面難以實(shí)現(xiàn)清潔功能。

4.實(shí)驗(yàn)效果

本文所研究的清潔機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下運(yùn)行良好，污漬清除效果明顯。該機(jī)器人在2012中國服務(wù)機(jī)器人大賽暨RoboCup家庭服務(wù)機(jī)器人公開賽上嶄露頭角，并獲得清潔機(jī)器人項(xiàng)目亞軍。

圖4為通過鍵盤對機(jī)器人進(jìn)行初始參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，圖5為機(jī)器人在行進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)污漬并準(zhǔn)備靠近，圖6為機(jī)器人對污漬地面噴灑清潔水并使用清潔刷、百潔布等清潔工具對地面進(jìn)行污漬清除，圖7為機(jī)器人在行進(jìn)過程中紅外避障傳感器探測到前方存在障礙物，自主進(jìn)行避障操作。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，先后使用油漬、果汁、黑膠帶等進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，除與地面粘性最強(qiáng)的黑膠帶以外，該清潔機(jī)器人能對其他污漬做有效清除。

5.結(jié)束語

本文研究了一種基于色差分析法的清潔機(jī)器人，該機(jī)器人由各模塊間的相互配合，通過單片機(jī)控制顏色傳感器并自動(dòng)進(jìn)行色差分析，依據(jù)規(guī)劃路徑對發(fā)現(xiàn)的污漬進(jìn)行強(qiáng)有力的清除，最終實(shí)現(xiàn)地面的清潔。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。

清潔機(jī)器人未來的市場潛力巨大，將圖像識(shí)別、色差分析、機(jī)械控制等多種技術(shù)融合的新型智能機(jī)器人必將迅速嶄露頭角，在機(jī)器人領(lǐng)域占有一席之地。

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