一種智慧協警機器人的概念設計

徐蘇林，張春亮，胡顥棟

（寧波職業技術學院機電工程學院（中德智能制造學院），浙江寧波，315800）

0 引言

世界范圍內，中國警察占人口比重相對較低，其中三分之一以上是沒有武裝的交通警和戶籍警。據報道[1]，截至2021 年末，中國的汽車保有量已經達到2.92 億輛，如此龐大的汽車數量勢必會給交警執勤工作增加負擔。近年來，中國交通事故發生率正逐年上升，相關數據顯示[2]，中國交通事故死亡人數占世界的16%，連續十余年居世界第一，數以萬計的家庭因為交通事故而支離破碎。另有數據統計[3]，從1994 年到2014 年,全國因酒后駕車而導致的死亡人數平均每年以7.3%的速度增長，全國公安交管部門共查處酒駕醉駕127.4 萬起[4]。由此產生的社會矛盾也日益尖銳，人們對交通安全的關注度逐年遞增。

1 研究意義

從國家和社會的角度來看，因醉酒駕駛構成危險駕駛罪的罪犯多數被判處拘役實刑，同時在常見的酒駕檢測過程中，若酒精檢測裝置未及時清洗到位，則可能造成被測人員交叉感染，增加社會治理難度。從減少犯罪發生率推動社會治理創新的角度來看，一味對醉酒駕車進行事后查處、定罪處罰，并不是解決問題的最好辦法。因此，從技術手段角度著手思考，可能有助于破解難題。

通過查詢國內外相關文獻資料，結果發現國內外相關文獻資料中未有關于功能較為全面的測酒駕機器人的研究，而且近多年來并沒有成熟的相關輔助交警作業的機器人出現。本行業現有相關技術大體上分為三類：(1)基于汽車的內置設備而研發的專用測酒駕裝置[5]；(2)從理論角度研發的測酒駕系統[6]；(3)設備體積較大的機械平臺式測酒駕式拖車[7]。以上所呈現的測酒駕技術都存在一定的缺陷，而對于測酒駕的工作而言，上述輔助手段并沒有很好地將測酒駕機器的功能展現，所以設計一款智慧協警機器人是有必要的。

2 設計方案

針對上述背景中出現的交通事故頻發、群眾關注度高、道路事務繁忙、設備缺乏智能化等問題，項目給出了相應的解決方案及適用場景，主要采用以機器人協助警察完成日常工作為主，獨立作業為輔的工作理念。

2.1 交通道路執法應用

機器人可應用于交通道路執法，其具有測酒駕的功能，同時兼備對周邊突發事故預處理的能力，可將事故造成的損失最小化。在測酒駕工作場景下，機器人先移動至設定的工作區域，接著右機械手臂展開LED 面板，同時滾動播放警示字幕，左機械手臂內的測酒駕裝置也隨即啟動。當有車輛即將進入被檢測區域時，機器人會通過頭部的測速裝置提前對車輛測速，若車輛速度過高或出現闖卡動機時，出于人道主義且為了避免機器人被損壞，機器人驅動避險并記錄逃逸車輛的信息，將捕獲的車輛信息同步提供給附近的交警處理。若車輛減速，機器人通過機身前置語音交互裝置引導駕駛人員配合檢測，檢測結果正常則機器人解除警報并將車輛放行，若檢測結果為酒駕，則機器人提示駕駛人員停靠至安全區域等待處理，同時將車輛信息同步提供給附近交警處理，此時機器人左臂的清潔裝置對酒駕測量儀進行消毒，其目的在于被測人員避免交叉感染。

2.2 人群密集區域巡檢工作

機器人依據規劃路線實現區域巡檢，日常巡檢主要包括以下兩項工作內容：（1）巡航過程中對密集區域的人員進行溫度測量，（2）巡航過程中對有需要的人員提供相應的幫助。同時，機器人可為市民提供口罩分發、地圖指引、人事舉報等功能，上述功能都位于機身后方的曲面觸控屏上，群眾可根據自身需求進行選擇。

3 產品結構

智慧協警機器人是集機電一體化的智能化產品，其共包含了五個模塊，分別為：警示模塊、檢測模塊、通訊模塊、避險模塊、服務模塊。機器人如圖2 所示。

圖1 智慧協警機器人工作流程

圖2 智慧機器人產品示意圖

3.1 警示模塊

測溫與測速識別攝像頭安裝于機器人頭部，其具有雙目跟隨測距的功能，由太陽能板和電池持續提供電能，實現機器人全天候無死角自適應工作。在自主巡航場景下，頭部測溫裝置可檢測周圍人員的體溫；在事故路段警示場景下，機器人右臂LED 警示面板可通過兩個相互作用的齒輪齒條機構實現電子顯示屏的的伸縮，在工作狀態下擴寬屏幕，提醒周圍人員；非工作狀態下收縮屏幕，減少空間占用。

3.2 檢測模塊

在工作狀態下，機器人依靠機身內部齒輪機構將裝有測酒駕裝置的機械臂向前擺動，安裝于機器人腦部的芯片與識別裝置同步啟動，將測得數據提供至警用云端平臺。具體過程如下：機器人左臂通過齒輪機構向前擺至45°，測酒駕設備依次由吹嘴、測試儀、柔性彈簧和底座共同構成，其位于機器人左臂內側，通過直線電動機的直線運動可將它頂出，從而實現伸縮的效果，結構如圖3 所示，被測人員可以利用彈簧柔性的特點調整測試頭位置。檢測完畢后，位于吹嘴上方的噴嘴噴灑易揮發型消毒液，對檢測儀器和測試嘴進行消毒，在消毒結束后，機械臂上端兩側的磁鐵吸附實現閉合，手臂通過齒輪機構實現復位。

圖3 測酒駕裝置

3.3 通訊模塊

城市化數據系統采用5G 即時通訊和北斗定位導航系統實現定位和數據共享。機器人在檢測到酒駕人員后，將違法信息登記在身份驗證系統中，并將信息提供給附近巡查的交警處理；當機器人在密集區域巡邏檢查時，它會鎖定溫度異常人員，并上傳信息。同時，機器人數量分布與調配依據大數據分析后臺，實現城市交通數據管理與資源共享，充分體現了城市數字化管理的理念。

3.4 避險模塊

避險模塊安裝于機器人的底部，適用于司機違法闖卡時機器人的自身防護。當認定司機具有闖卡動機且時速超標時，測速器將信息傳遞至底部，通過安置在機器人底座的剪叉升降裝置使機身極速下降，驅動組件麥克納姆輪同步啟動，機器由此向反方向躲避（在底部采用的四個麥克納姆輪，能夠提高機器人的穩定性和機動性，保護駕駛員與機器的安全），同時捕獲逃逸車輛信息提交至執法平臺；若車輛未及時分流避讓，出現緊急狀況將發生碰撞，則觸發保護機制，安全氣囊迅速彈出并包裹住機身，最大程度上減少機器人的損傷。

3.5 服務模塊

服務模塊針對市民和管理者兩類使用對象，機身觸摸屏界面上設置有市民服務與管理者兩個入口。市民服務入口用于市民服務，包括一鍵報警等；管理者入口用于警務人員登錄；當檢測到未佩戴口罩的人員時，機器人會打開口罩儲物盒，市民自行取用。

4 系統設計

機器人擁有智能化管理系統和總控制系統，其設計目的在于實現機器人智能化。

4.1 智能化管理系統

智能化管理系統具體功能如下：

（1）機器人自檢功能：通過多組傳感器采集機身數據，實時監控機器人狀態，當設備需檢修時會自動提醒交警并提供當前位置坐標，方便交警及時收回協警機器人。

（2）執法記錄功能：機器人在巡檢過程中會記錄周邊突發的事故，系統也會在第一時間接收到數據，警察在執法過程中，機器人能在疏散事故周邊人群的同時記錄下警察執法的全過程，將記錄上傳至APP 執法記錄中心，方便警察隨時調用。

（3）一鍵報警功能：機器人在巡檢過程中遇到市民求助，機身內置北斗衛星定位系統會將求助人員的實時位置傳輸給系統，使距離報警點最近的警察能快速定位求助者的位置，高效處理事務。

（4）酒駕檢測：系統與設備之間通過無線模塊相連接，機器人在執勤過程中實時將測得的酒駕數據上傳至檢測系統，同時交警也可實時監控當前被檢人員的酒精測量值，若被測駕駛員二次及以上酒駕被查處，系統在記錄中將該人員名單標紅，便于交警更有力地處理此類惡性事件。

（5）防疫巡檢：在人群密集區域進行巡檢，測量到溫度異常的人員，控制中心會將該人員信息上傳給防疫檢測系統，系統通知附近警察及時處理，同時機器人也會提醒該區域附近未帶口罩的市民帶好口罩。

4.2 總控系統

協警機器人總控系統用作整個控制系統的核心，主要用于處理語音數據和位置數據信息，而C51 單片機作為系統的信息執行控制單元，控制協警機器人的動作，如圖4 所示。

圖4 總控系統控制流程圖

協警機器人在初始位置后，指揮交警可通過語音方式發布云端指令信息。指令包括“定點移動”“轉換巡查區域”“原地警戒”等。機器人借助上機身上的計算機裝置和無線傳輸芯片接收交警云端指令，這些指令通過“協警機器人總控系統”進行編譯和自動語音識別及信息數據轉換；同時“協警機器人總控系統”還可以進行同步定位和地圖規劃，從而精確定位機器人所在方位，這些信息作為單片機的輸入驅動數據，從而控制下機身驅動機器人在指定巡航區域進行自主巡航。自主巡航過程中由“協警機器人總控系統”收集并統計“酒駕頻發區”、“人群溫度異常區”和“交通事故高發路段”等熱點信息地圖，進而輔助交警工作規劃。

在接收到控制信息后，上機身會將收到的指令通過傳輸線傳輸至下機身，驅動部分收到控制信號后并作出相應的動作。在自主巡航等工作狀態下，機器人到達指定工作區域后執行上機身中預設程序，在執行過程中參數即時反饋給主控芯片，若反饋的數據出現異常主控芯片會執行警告程序，并中斷所有的運行，以保障人與機器人的安全。

協警機器人同步搭載了自動語音識別技術（ASR）和同步定位與地圖繪制（SLAM）技術。機器人語音識別的最終目的是將人類語言轉化為計算機可識別的數據，進而對口述語言中包含的要求或詢問做出正確的動作反應或語言反應，進一步實現人機交互的功能，而使用SLAM 技術旨在解決機器人在未知環境中運行時即時定位與地圖構建的問題，使機器人在接收動作指令后移動更加準確。

云端智能管理系統，其負責接受機器人每日上傳的數據，對酒駕頻發區、人群溫度異常區、交通事故高發路段進行計算繪制成平面地圖，以通俗易懂的形式呈現給交警。交警通過對比數據可以及時解決該段道路存在的問題。

5 結論

科技發展和不斷更新的社會需求正在助推智能化設備及技術的快速發展，而交通是智能化技術發展的前沿陣地。國家汽車保有量的激增使交警執勤面臨重大考驗，協警機器人有助于緩解交通執勤壓力，促進便民服務和社會交通良性發展。本文創新性地設計了智慧協警機器人的初步方案，有結構功能和實現場景上做了有益的探索，為協警機器人技術發展提供了參考。