可移動智能垃圾桶定位及檢測技術(shù)

吳劍英，平雪良，張逸倫，陳祥，馬博琳，劉家威

(江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122)

0 引言

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

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

1 總體設(shè)計方案

本文機器人移動平臺以一臺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的差速轉(zhuǎn)動實現(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，利用激光測距傳感器進行測距，實時處理分析已收集到的數(shù)據(jù)信息，進而實現(xiàn)避障功能，很好地解決了機器人的路徑規(guī)劃問題[5-6]。針對機器人定位問題，本文采用WiFi定位技術(shù)。由于周圍環(huán)境對機器人定位算法有一定的影響，通過分析幾種常見的距離判斷算法，經(jīng)過實驗，為機器人規(guī)劃出一塊確定的運動與識別區(qū)域，實現(xiàn)了機器人的定位功能。針對垃圾桶滿溢檢測及桶蓋智能開合問題，本文采用紅外檢測技術(shù)，在內(nèi)桶頂部搭載一對射式紅外傳感器，若檢測到垃圾滿溢則通過WiFi通信向用戶發(fā)出信號。在外桶蓋頂部搭載一反射式紅外傳感器，當有物體經(jīng)過垃圾桶，垃圾桶蓋打開，經(jīng)一段時間的延時，自動閉合。具體方案以及主要機械結(jié)構(gòu)和實物如圖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 移動底盤的定位及控制

2.1 移動底盤的定位

本設(shè)計中移動底盤的定位采用WiFi室內(nèi)定位技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)定位過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(基于信號強度的)定位技術(shù)，測得定位環(huán)境中無線 AP 節(jié)點的信號場強度值后，根據(jù)該信號強度值，再基于已有的理論和經(jīng)驗建立距離與信號強度值的關(guān)系方程，由此根據(jù)信號強度值計算發(fā)射端和接收端之間距離，從而得到定位端的具體坐標值。因為WiFi信號收發(fā)兩端存在一定誤差，所以通過引入隨機變量xε，將隨機誤差的影響盡量降到最低[7]。 基于路徑損耗的對數(shù)衰減模型如下式所示：

RSSI是接收端在距離d處獲取到的無線 AP 節(jié)點的信號強度，單位是 dBm；RSSI0是常值，其大小取決于在參考距離d0處測量得到的無線 AP 點的信號強度；d為參考距離，一般選取為 1m；γ是路徑損耗指數(shù)；xε是一個隨機數(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個無線AP節(jié)點的信號，且3個圓兩兩相交，即可通過三角質(zhì)心算法確定定位端的坐標值[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P1的求解過程如下：

上述方程組的解即為P1的坐標，同理可求P2、P3;定位端坐標即為：

2.2 移動底盤的控制

底盤運動由ST的32位微控制器STM32F407ZGT6進行控制。該單片機板搭載112個可編程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， ATK-RM04 兼路由器功能，完全可以當成一個路由器使用，因而更方便用戶移動設(shè)備與底盤控制系統(tǒng)之間的實時通信。

移動底盤結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 移動底盤模型

對底盤的移動進行運動學(xué)分析可以得到以下公式：

vA=-vx+ωr

其中：vA、vB、vC分別是3臺電機的轉(zhuǎn)速；vx、vy分別是以底盤中心為坐標原點建立的正交坐標系沿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C語言編程解算求出3臺電機的轉(zhuǎn)速，傳入位置PID控制器，通過不斷與目標點之間的矯正，最終到達目標點。

3 垃圾桶紅外檢測系統(tǒng)設(shè)計

文中設(shè)計的垃圾桶內(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合檢測裝置，當用戶距離垃圾桶蓋上部15～20cm時檢測裝置收到信號，主控板向180°舵機發(fā)送1.5ms的脈寬，上蓋打開； 5s后自動關(guān)閉。該檢測裝置采用紅外發(fā)光二極管，應(yīng)用紅外反射光強法檢測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，光敏管接收調(diào)制的紅外信號，原理如圖5所示。

圖5 紅外發(fā)射接收原理

反射光強度的輸出信號電壓Vout是反射面與傳感器之間距離的函數(shù),設(shè)定輸出電壓達到某一閾值時舵機工作，帶動桶蓋打開，經(jīng)5s延時后桶蓋自動閉合。

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

圖6 紅外檢測程序框圖

4 結(jié)語

本文采用的WiFi定位、WiFi通信、紅外檢測技術(shù)，很好地解決了智能垃圾桶的遙控定位及檢測問題，提高了垃圾桶的定位精度以及垃圾桶滿溢檢測的實時性。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技術(shù)將大大促進智能垃圾桶的發(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)境保護理念，用戶可通過手機等搭載WiFi模塊的上位機對智能垃圾桶進行傳呼，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。