基于神經網絡模糊PID的人工智能環保衛士“機器人”的設計與研究

賈如春

摘 要：基于神經網絡模糊PID的智能環保衛士“機器人”采用數字圖像處理技術的智能垃圾識別系統，通過CMOS數字圖像傳感器識別垃圾；以太網通信技術同Internet聯網，實現雙向互通；設計了斬波恒流細分步進電機驅動方案，驅動機器人拾取和回收目標垃圾；軟件上采取了模糊PID算法，實現靈活的機器人控制；設計了最優化的垃圾搜尋路線確定算法，使機器人高效快捷地尋找目標垃圾。運用模糊PID算法的舵機系統控制電機驅動部分，采用步進電機對目標垃圾進行拾取和回收，同時，根據服務性機器人的特點及需求，采用無線以太網接入Internet網，對機器人進行智能遠程操控。

關鍵詞：神經網絡；模糊PID；智能環保；機器人

基于神經網絡模糊PID的智能環保衛士“機器人”是一個能在特定場所，按高效的路徑進行搜索，實現預定垃圾搜索識別，然后拾取目標垃圾的環保智能小，充分實現了智能機器人代替手動人力來對街道、公園等大中小型平面場所的垃圾的清潔環保工作，從內部系統實現上采取了模糊PID算法，設計最優化的垃圾搜尋路線確定算法，使機器人高效快捷地尋找目標垃圾，靈活的的可監控控制的機器人。

一、人工智能機器人國內外技術水平比較分析

根據WTEC評估結果，環保機器人室外導航、機器人體系結構（ 控制、機構和計算的集成）、以及部分服務和個人機器人領域等美國始終保持領先地位：日本和韓國在機器人移動技術、人形機器人和部分服務和個人機器人（包括娛樂）領域處于領先位置。歐洲在結構化環境的移動技術，包括城市交通領域保持領先。歐洲還在助老和家庭服務機器人領域資助了重大計劃。澳大利亞在定位和導航的理論和應用方面具有優勢。

我國學術界和企業界在863計劃和國家自然科學基金等項目的支持下，先后針對上述技術進行攻關，并取得大量研究成果。但值得指出的是大多數研究成果都停留在理論研究層面，并沒有將研究成果在產品技術上體現出來。從成果應用上看，我國的服務機器人主要以吸塵器機器人和教育平臺為主。

二、人工智能環保機器人在我國發展趨勢

縱觀國內外服務機器人的發展，可以發現服務機器人在我國具有廣闊的市場空間。首先是老齡化社會和殘疾人服務對服務機器人的市場需求。目前我國60歲以上人口已超過總人口的10%，預計到2015年國老年人口總數將達到2億人，人口的老齡化問題將成為中國面臨的前所未有的新挑戰；此外，我國殘疾人占總人口比重位居全世界較高國家之列。可以預計，在不遠的將來，老年人和殘疾人的護理將成為社會的一個重要負擔 需要一大批護理機器人提供諸如取物、喂飯、翻書等服務，幫助、照顧老年人和殘疾人的日常生活，提高他們的生活質量，從而減少社會對護理人員的數量和要求。

三、基于神經網絡模糊PID的智能環保衛士“機器人”設計原理

本系統采用圖像傳感器對圖像信號進行采集，其圖像傳感器的原理是利用光電器件的光電轉換功能，將感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的“圖像”電信號的一種功能器件。 圖像傳感器的兩大主流是CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體元件）和CCD（ChargedCoupled Device電荷耦合元件），CMOS圖像傳感器的發展得益于CMOS集成電路工藝的成熟，相對于CCD圖像傳感器，它具有較低的電源功耗、較高的感光度以及更靈活的圖像捕獲能力等特點。隨著芯片制造技術和信號處理技術的發展，CMOS圖像傳感器日益受到重視，其應用領域也越來越廣，已成為固體圖像傳感器的研發熱點。，CMOS圖像傳感器的總體由光敏像元陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時和控制電路、片上模擬信號處理器（ASP）構成，數字式CMOS圖像傳感器還集成有片上模數（A/D）轉換器。

人工智能環保機器人的圖像采集系統采用了CMOS圖像傳感器OV6620的攝像頭，OV6620的最大分辨率為352×288。OV662O是美國OmniVision公司生產的CMOS圖像傳感器，以其高性能、低功耗適合應用在嵌入式圖像采集系統中，本系統圖像數據的輸入都是通過0V6620采集進來的。 OV6620集成在一個板卡上，有獨立的17 MHz晶振。輸出3個圖像同步的時序信號：像素時鐘PCLK、幀同步VSYNC和行同步HREF。同時，還可以通過8位或16位的數據總線輸出RGB或YCrCb格式的圖像數據。硬件設計上，有2個問題需要解決，一個是圖像采集的嚴格時序同步，另一個就是雙CPU 共享SRAM的總線仲裁。

四、基于神經網絡模糊PID的智能環保衛士“機器人”工作過程

基于神經網絡模糊PID的智能環保衛士“機器人”主要由HCS12X（圖像采集及處理）核的程序及XGATE（電機控制及以太網通信）核的程序兩部分。HCS12X（圖像采集及處理）主要完成圖像采集及處理，以提取目標位置，確定搜索路徑等提供上層策略。XGATE（電機控制及以太網通信）主要完成電機控制以及以太網通信任務。系統開機上電后，進行自動初始化，然后緊接著環保車等待圖像采集過程的結束，判斷是否有垃圾的存在。如果存在特定的垃圾，且當垃圾距離遠的時候，環保車就會調用跟蹤程序，去跟蹤目標，直到到達目標的周圍，自動接近目標。當到達目標垃圾的一定范圍內后，環保車就會調用目標拾取程序，通過控制舵機系統，將目標拾取到車載箱中。當然如果圖像采集完畢后目標垃圾的位置滿足舵機的范圍，系統就會直接控制舵機，拾取目標，然后記錄當前的位置，最后規劃搜索路徑，重新開始圖像采集。在系統中我們使用了大量的狀態機制進行各種狀態的判別和調用。打開圖像采集數據庫，提取圖像的數據，然后進行邊緣提取，計算封閉區域的面積及形狀。如果滿足設定范圍值，那么記錄位置和目標的大小，同時上傳給主控器可以拾取的信號，然后開啟其他狀態操作；如果沒有發現特定目標，上傳給主控器搜索信號，開啟搜索狀態。