家庭環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫宇揚(yáng) 陳舉旺 單志超

摘要：隨著生活質(zhì)量的提高，機(jī)器人在百姓家的普及率越來(lái)越高。但傳統(tǒng)的機(jī)器人功能單一，泛用性不高，不同的生活需求需要數(shù)個(gè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)，對(duì)家庭空間和經(jīng)濟(jì)狀況都有一定的負(fù)擔(dān)，這也成為了機(jī)器人推廣困難的一大重要原因。

針對(duì)上述情況，本文設(shè)計(jì)了一款多用途的家庭環(huán)衛(wèi)機(jī)器人。機(jī)器人能夠同時(shí)滿足搬運(yùn)重物、抓取物品、遠(yuǎn)程監(jiān)控的等不同方面的需求，并且有比較高的精度確定，能夠高效完成操作任務(wù)。并且采用人工智能，可以實(shí)現(xiàn)家庭清潔的功能。在實(shí)現(xiàn)家居智能化需求的同時(shí)也減少不必要資源浪費(fèi)與家庭空間的占用。

關(guān)鍵詞：家庭環(huán)衛(wèi);節(jié)約高效;智能控制

1、緒論

1.1現(xiàn)狀

一提起機(jī)器人，很多人會(huì)認(rèn)為它們距離我們的生活還很遙遠(yuǎn)。其實(shí)，機(jī)器人時(shí)代已經(jīng)拉開(kāi)序幕。但是家用機(jī)器人的發(fā)展仍受到了許多技術(shù)的限制，另一方面，我們國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)雖然很熱，但85%的產(chǎn)品還是依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)的機(jī)器人絕大部分處于中低端，僅能實(shí)現(xiàn)單一功能，想要實(shí)現(xiàn)多種功能就需要購(gòu)買不同的機(jī)器人，對(duì)家庭空間和經(jīng)濟(jì)狀況都有一定的負(fù)擔(dān)。

1.2存在的問(wèn)題及對(duì)策

目前市面上的機(jī)器人功能模式相對(duì)單一，靈活性不高，行動(dòng)遲緩，不能有效的監(jiān)控家中情況，也不能快捷有效的傳遞信息。

家庭環(huán)衛(wèi)機(jī)器人是面向家庭的服務(wù)機(jī)器人。機(jī)器人先利用兩個(gè)攝像頭和GPS全方位的觀測(cè)環(huán)境，然后利用匿名上位機(jī)的信息傳輸通信協(xié)議，讓用戶掌握機(jī)器人所屬環(huán)境，用戶可以利用上位機(jī)設(shè)置機(jī)器人的工作模式，目前有三種工作模式，全自動(dòng)模式，半自動(dòng)模式，遙控模式，同時(shí)攝像頭會(huì)把自己所拍攝到的景象進(jìn)行保存，機(jī)器人處理垃圾時(shí)，CPU計(jì)算型云服務(wù)器能夠提供非常高速的圖像處理能力，在服務(wù)器的機(jī)器人程序中引用open CV圖像處理API，谷歌地圖接口，為機(jī)器人進(jìn)行垃圾分類，提供圖像處理和路線規(guī)劃工作提供幫助，在機(jī)器人智能感知方面，同時(shí)，相較于普通的掃地機(jī)器人，家庭環(huán)衛(wèi)機(jī)器人使用機(jī)械臂，可以對(duì)房間角落等進(jìn)行高效的清潔，也可以進(jìn)行端水抬重物等簡(jiǎn)單操作，設(shè)計(jì)完整的機(jī)器人視覺(jué)感知系統(tǒng)，打造微傳感、高智能化的感控一體的芯片是十分重要的發(fā)展方向，其中也有諸多的工作要做。機(jī)器人除了智能感知和智能控制，還需要穩(wěn)定有效的關(guān)節(jié)，機(jī)器人關(guān)節(jié)是其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件。因此，機(jī)器人的打掃衛(wèi)生使用六軸機(jī)械臂，機(jī)械手，機(jī)器人的前半身和后半身通過(guò)聯(lián)軸器連接，利用云臺(tái)給機(jī)械臂提供底座，配合機(jī)械臂完成動(dòng)作。

2、系統(tǒng)整理方案設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)出實(shí)際可行的智能環(huán)衛(wèi)機(jī)器人遵循以下幾條原則：

（1）能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的完成好清掃功能。

（2）各項(xiàng)器件能夠正常運(yùn)行。

（3）有快捷高效的信息傳輸能力。

（4）智能環(huán)衛(wèi)機(jī)器人操作簡(jiǎn)單易懂。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括上位機(jī)、云服務(wù)器、GPS、攝像頭、聯(lián)軸器、云臺(tái)、機(jī)械手、機(jī)械臂、雷達(dá)傳感器等。

2.2.1信息采集與傳輸系統(tǒng)

利用攝像頭和GPS對(duì)機(jī)器人所處環(huán)境信息進(jìn)行采集，利用上位機(jī)的信息傳輸通信協(xié)議將測(cè)得的數(shù)據(jù)上傳。

2.2.2上位機(jī)系統(tǒng)

遠(yuǎn)程同步機(jī)器人群體的實(shí)時(shí)地圖位置分布情況及所處環(huán)境的雷達(dá)和攝像頭圖像。讓用戶能夠分別從第一和第三視角更加及時(shí)，全面的掌握機(jī)器人所處環(huán)境信息，實(shí)施遠(yuǎn)程遙控。

2.2.3云服務(wù)器系統(tǒng)

選用GPU計(jì)算型云服務(wù)器對(duì)垃圾進(jìn)行智能分類，同時(shí)為機(jī)器人規(guī)劃行動(dòng)路線。

2.2.4儲(chǔ)存系統(tǒng)

儲(chǔ)存攝像頭原始數(shù)據(jù)，以便調(diào)用。

2.3模塊設(shè)計(jì)方案

2.3.1信息采集系統(tǒng)

機(jī)器人前后安裝兩個(gè)攝像頭可以360度旋轉(zhuǎn)，全方位地觀測(cè)周圍環(huán)境，提高工作效率。GPS是集成了RF射頻芯片、基帶芯片和核心CPU，并加上相關(guān)外圍電路而組成的一個(gè)集成電路。GPS和攝像頭信息采集三個(gè)方面，利用現(xiàn)有的雷達(dá)傳感器，GPS模塊和攝像頭模塊分別對(duì)機(jī)器人周圍環(huán)境的雷達(dá)信息，地圖位置信息以及圖像信息進(jìn)行采集。

2.3.2信息傳遞系統(tǒng)

信息傳輸，考慮到我們的所要傳輸?shù)男畔⒘枯^大，存在信息的丟失風(fēng)險(xiǎn)（影響機(jī)器人系統(tǒng)的正常運(yùn)行），我們決定借鑒匿名上位機(jī)的信息傳輸通信協(xié)議，協(xié)議如下：我們會(huì)將所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以幀為單位分為幀頭，數(shù)據(jù)發(fā)送源，數(shù)據(jù)目的地，數(shù)據(jù)功能字，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)還有SUM校驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

2.3.3上位機(jī)系統(tǒng)

實(shí)時(shí)地圖位置讓用戶能夠及時(shí)掌握機(jī)器人所處環(huán)境信息，進(jìn)行網(wǎng)上遙控。上位機(jī)可以直接向計(jì)算機(jī)發(fā)出操控命令，可以通過(guò)上位機(jī)來(lái)設(shè)置機(jī)器人的工作模式。目前預(yù)定的工作模式有三種：

a）：全自動(dòng)模式，在無(wú)人進(jìn)行遠(yuǎn)程操控時(shí)，可以設(shè)置該模式，機(jī)器人系統(tǒng)將自動(dòng)為機(jī)器人分配清潔任務(wù)并自動(dòng)進(jìn)行路線規(guī)劃。

b）：半自動(dòng)模式，用戶可通過(guò)上位機(jī)對(duì)機(jī)器人發(fā)布將要執(zhí)行的任務(wù)指令，機(jī)器人再對(duì)任務(wù)指令進(jìn)行解析并執(zhí)行。

c）：遙控模式，用戶可以通過(guò)上位機(jī)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)進(jìn)行更見(jiàn)精密的掌控，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的附加功能。

2.3.4云服務(wù)器系統(tǒng)

由于我們的機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)會(huì)執(zhí)行大量的圖像處理工作（垃圾識(shí)別，垃圾分類等），所以我們決定選用GPU計(jì)算型云服務(wù)器，能夠?yàn)槲覀兲峁└旄鼜?qiáng)的圖像處理功能。我們會(huì)在服務(wù)器上的機(jī)器人服務(wù)程序中引入OpenCV圖像處理的API，Google地圖接口，為機(jī)器人提供圖像處理和路線規(guī)劃工作。

2.3.5儲(chǔ)存系統(tǒng)

首先，選用SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存?zhèn)浞?，將原始?shù)據(jù)儲(chǔ)存到SD卡中。通過(guò)移植FATFS文件系統(tǒng)，當(dāng)SD卡 沒(méi)有剩余空間可以繼續(xù)寫(xiě)入時(shí)，使用FLSEEK函數(shù)，對(duì)之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)覆蓋，即按照時(shí)間順序，將新數(shù)據(jù)寫(xiě)入，將最早的數(shù)據(jù)進(jìn)行覆蓋，循環(huán)如此，需要查看卡內(nèi)數(shù)據(jù)時(shí)，則將原始數(shù)據(jù)取出，進(jìn)行處理，得到視頻文件。

3結(jié)論

本項(xiàng)目的研究背景是根據(jù)市面上機(jī)器人的銷售情況和用戶的反饋情況，市面上廣泛流通的掃地機(jī)器人并不能夠完全滿足用戶的需求，如果購(gòu)買幾個(gè)機(jī)器人來(lái)滿足自己日常的生活需求，這些機(jī)器人重復(fù)的功能還會(huì)造成資源浪費(fèi)，不但占據(jù)家庭不小的空間，還會(huì)為家庭造成不必要的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

家庭環(huán)衛(wèi)機(jī)器人不但高智能化，還有多種功能，滿足日常生活的所有基本需求，為家庭提供便利，還在最大程度上節(jié)約資源，減輕了家庭負(fù)擔(dān)。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（項(xiàng)目號(hào) 202010201032）資助項(xiàng)