基于ZigBee的高空垃圾處理機器人設計

周 慧,鄭金和,趙 倩

(曲阜師范大學工學院，山東 日照 276826)

0 引言

目前，我國旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。隨著景區(qū)客流量的大幅度上升，垃圾處理問題亟待解決，尤其是高山高空區(qū)域。然而，景區(qū)的垃圾處理手段卻停滯不前，仍以人工撿拾為主。對于高山崎嶇地區(qū)，這種方式不僅效率低下而且存在很大的安全隱患。為了解決這一問題，本文設計了一款基于ZigBee的可組網(wǎng)高空垃圾處理機器人。該機器人可以進行垃圾的精準定位和快速抓取，并具備遠程監(jiān)控、無線傳輸和多機控制等功能，實現(xiàn)了高空垃圾撿拾的智能化。由于ZigBee技術具有安全、可靠、成本低等特點[1]，該機器人靈活輕便、高效節(jié)能，提高了高空垃圾撿拾的效率，大大節(jié)約了人工成本。

1 系統(tǒng)總體論證

系統(tǒng)主要由ZigBee無線網(wǎng)絡系統(tǒng)和控制終端兩部分組成，兩者之間通過RS-232串行總線進行通信。系統(tǒng)結構如圖1所示。圖1中，ZigBee無線網(wǎng)絡系統(tǒng)由傳感器、終端節(jié)點、路由器和協(xié)調(diào)器構成[2]。OpenMV攝像頭和GPS導航系統(tǒng)分別進行圖像信息和位置數(shù)據(jù)的采集[3]。路由器作為中繼節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)從終端節(jié)點到協(xié)調(diào)器的傳輸。協(xié)調(diào)器將這些數(shù)據(jù)傳送至控制端處理。機器人根據(jù)處理后的信息，控制機械臂進行自動撿拾。機器人以四旋翼飛行器為搭載平臺，由智能撿拾裝置、垃圾存儲裝置、圖像識別裝置、太陽能電池板和動力電源供電裝置、無線通信等模塊組裝而成。控制終端以TM4C123GH6PM為控制核心，通過無線通信模塊實現(xiàn)搖桿、上位機或手機APP的遠程控制。此外，利用ZigBee的終端節(jié)點將多臺機器人聯(lián)合組網(wǎng)，使多個終端節(jié)點能同時采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳至控制端。通過GPRS移動通信網(wǎng)絡，客戶端可以使用手機APP對多臺機器人的工作進行監(jiān)控，同時可以發(fā)送控制指令到協(xié)調(diào)器，使其作出相應處理。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System structure block diagram

2 系統(tǒng)的具體設計

系統(tǒng)主要包括智能撿拾、遠程控制和無線傳輸?shù)裙δ堋Ｏ到y(tǒng)操作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)操作流程圖Fig.2 System operation flowchart

2.1 機器人機械結構的設計

為解決普通四旋翼飛行器左右兩側的存儲箱因重力差異而導致的飛行失穩(wěn)問題，該機器人在飛行器旋翼連接機身處設置四個水平儀與陀螺儀。

TM4C123GH6PM經(jīng)姿態(tài)解算獲得俯仰角和橫滾角，水平儀和陀螺儀的搭配使用可確保飛行姿態(tài)的完整[4]。采用舵機傳動機構控制垃圾存儲裝置的開閉。當機械臂攜帶垃圾回收時，舵機控制垃圾存儲裝置開啟，放回時關閉。這樣不僅可以實現(xiàn)垃圾的暫時儲存，還能避免因惡劣天氣導致的垃圾泄漏問題。

機械臂的手部設計為360°旋轉式仿生活動關節(jié)，腕部設計為180°轉動式關節(jié)，底部可進行360°旋轉，實現(xiàn)全方位抓取。同時，分別采用上、下移動式機械爪和開合式機械手臂提高機械咬合力和抓取效率。飛行器和機械臂采用組合方式進行組裝，方便拆卸。在不同的應用領域，可以設計不同結構和功能的機械臂完成相應工作。整個系統(tǒng)采用太陽能和常規(guī)動力電源進行聯(lián)合供電。其中：太陽能電池板通過支架安裝于飛行器上方；動力電源安裝在飛行器控制主板的底部。兩者通過充電裝置相連，大大提高了機器人的續(xù)航能力。

2.2 機器人承載分析

螺旋槳拉力是飛行器的重要指標之一，也是評估升阻特性的基礎[5]。在四旋翼飛行器的四個方向上分別安裝螺旋槳，由電機旋轉提供動力。由于垃圾撿拾及存儲裝置的存在增大了飛行器起飛和定點懸停的難度，為了保持飛行器的平穩(wěn)，安裝了由陀螺儀和三軸加速度傳感器組成的慣性導航模塊，并通過卡爾曼濾波算法實現(xiàn)GPS 定位下的目標點懸停[6]。同時，考慮到裝置的重量，針對飛行器的重量承載問題進行了承載能力評估。

螺旋槳拉力計算公式如式(1)所示[7]：

F=Dlbn2Pk

(1)

式中：F為螺旋槳拉力；D為直徑；l為螺距；b為槳寬；n為轉速；P為1個標準大氣壓；k為經(jīng)驗系數(shù)。

根據(jù)四旋翼飛行器的實際參數(shù)(D=25.4 cm、l=11.43 cm、b=3.1 cm、U=10 V、N=4)，經(jīng)計算可得它的拉力為F≈45.156 N。

四個電機總升力的計算公式如式(2)所示：

Fz=NF

(2)

式中：Fz為總升力；N為螺旋槳的葉數(shù)。

經(jīng)估算，最大載重≈4.1 kg。

2.3 ZigBee無線網(wǎng)絡設計

該設計采用ZigBee無線通信技術，能夠有效實現(xiàn)終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器和客戶端之間的數(shù)據(jù)上傳與指令下達[8]。協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)通信的重要樞紐。在此網(wǎng)絡中，某一時刻僅允許一個協(xié)調(diào)器尋找數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃⒔⒁粋€網(wǎng)絡信號以便于啟動網(wǎng)絡[9]。ZigBee無線網(wǎng)絡以一個節(jié)點為協(xié)調(diào)器成網(wǎng)狀向四周分布，并采用主從通信模式，通過地址指向實現(xiàn)多節(jié)點無線傳輸。由于節(jié)點之間的通信距離有限，該設計將Wi-Fi模塊接入路由節(jié)點，由終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過路由模式實現(xiàn)不同節(jié)點和網(wǎng)絡之間通信，并尋找出數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖顑?yōu)路徑。由于很多電子設備不支持ZigBee協(xié)議，主控TM4C123GH6PM通過Wi-Fi模塊將ZigBee信號轉換成Wi-Fi信號，以實現(xiàn)模塊兼容。因此，工作人員可以通過多類型的電子設備，如計算機、平板或手機，實現(xiàn)機器人的遠程操控，使高空垃圾撿拾工作方便、高效。

2.4 智能撿拾模塊設計

智能撿拾模塊主要由OpenMV圖像采集、圖像處理和運動控制這三個子模塊組成。系統(tǒng)通過手機APP或計算機端的監(jiān)控系統(tǒng)定位目標垃圾，并采用遙感控制飛行器將目標調(diào)整至攝像頭的視野中心。攝像頭采用特征點檢測和輪廓檢測的方法對目標垃圾進行識別[10]。系統(tǒng)基于OpenMV處理圖像并獲得二維像素點坐標，通過建立映射模型和升維處理進行坐標轉換，獲得三維相機坐標，進而利用T變換轉換成在世界坐標系下的位置坐標。

通過對機械臂末端執(zhí)行器運動至目標位置時的姿態(tài)進行運動學逆解，主控TM4C123GH6PM可以計算出舵機旋轉角度，同時對到達目標位置進行路徑規(guī)劃，找出最優(yōu)路徑。系統(tǒng)以目標垃圾與機械臂末端執(zhí)行器之間的位置偏差為反饋數(shù)據(jù)，設計閉環(huán)比例積分微分(proportional integral differential,PID)控制回路對機械臂的位置進行自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)精準抓取。

本設計可以通過多種設備控制機械臂，如手機APP可以利用控制按鍵實現(xiàn)機械臂遙控和位置校正。當按下舵機控制的按鈕時，相應的字符指令會通過Wi-Fi發(fā)送到舵機控制板，通過調(diào)用相應的方向控制函數(shù)，分別實現(xiàn)對機械臂手部、腕部和底部的控制。同時，攝像頭將采集的圖像信息實時地傳送給接收器，使工作人員能通過手機監(jiān)控畫面隨時察看垃圾撿拾情況和機器人的工作狀態(tài)。

2.5 電源模塊的設計

電源模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，由電源輸入、電源隔離和電壓轉化這三個子模塊組成[11]。本設計采用太陽能電池板和動力電源作為供電裝置。其中，太陽能可以持續(xù)供電，確保機器人的續(xù)航能力。太陽能供電系統(tǒng)結構如圖3所示。

圖3 太陽能供電系統(tǒng)結構圖Fig.3 Solar power supply system structure diagram

太陽能電池板輸出的電壓經(jīng)同步整流升壓電路升壓，再通過太陽能充電控制裝置對鋰電池進行充電，并由設計的充電電壓檢測電路進行斷電保護。由于主控及各個模塊的工作電壓不同，電源模塊可以將外接直流電源電壓轉換成各模塊所需的電壓。該系統(tǒng)中，主控TM4C123GH6PM采用3.3 V供電，機械臂的舵機采用5 V供電。因此，本文設計了3.3 V和5 V的電源穩(wěn)壓電路。降壓電源電路如圖4所示。

圖4 降壓電源電路Fig.4 Step-down power supply circuit

降壓電路采用TPS54231芯片作為控制芯片，通過穩(wěn)壓三極管和電容等進行降壓。TPS54231芯片性能高、功耗低，內(nèi)部具有斜率補償?shù)碾娏髂Ｊ剑蟠蠛喕送獠垦a償計算。經(jīng)測試，飛行器上可放置由12片小型電池板串聯(lián)構成的太陽能電池組件，可提供約6 V電壓。

3 創(chuàng)新點

①系統(tǒng)基于ZigBee技術建立無線網(wǎng)絡，利用Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)實時上傳機器人的工作數(shù)據(jù)，并根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)對機器人的工作計劃及路徑進行相應的優(yōu)化調(diào)整。同時，工作人員能夠通過上位機或手機APP實時觀察機器人的運行狀況以及垃圾周圍環(huán)境，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

②系統(tǒng)基于OpenMV，通過特征點檢測和輪廓檢測的方法對目標垃圾進行準確識別，并設計閉環(huán)PID控制回路以實現(xiàn)自動撿拾和垃圾回收。該系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)由傳統(tǒng)的人工撿拾到智能撿拾的轉變，而且能夠應對惡劣環(huán)境。

③系統(tǒng)具有多機工作模式，不同終端機器人之間相互通信，可實現(xiàn)同一個終端控制多個垃圾處理機器人進行高空作業(yè)。多機共同協(xié)作能夠進行同一區(qū)域互不干擾的高效率工作，或不同區(qū)域互相配合的大規(guī)模作業(yè)。

④系統(tǒng)采用太陽能與常規(guī)動力電源聯(lián)合供電，可實現(xiàn)太陽能實時供電，提高航行能力，使垃圾處理更加節(jié)能、高效。

4 結論

基于ZigBee無線通信技術，采用四旋翼飛行器設計的一款高空作業(yè)機器人，可以實現(xiàn)精準定位、遠程控制、智能撿拾、多機控制等功能。該機器人具有小型化、智能化、低功耗、續(xù)航時間長等優(yōu)點，解決了高空垃圾處理存在的高風險和低效率的問題，實現(xiàn)了高空垃圾撿拾和存儲的智能一體化。