浙江省杭州第二中學(xué) 張殳韜

基于樹莓派智能家居掃地機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

浙江省杭州第二中學(xué) 張殳韜

隨著科技的發(fā)展與人們生活水平需求的提高，“智能家居”越來越受到人們的青睞。本文設(shè)計了一款高效智能的家居掃地機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以搭載了Linux系統(tǒng)的樹莓派（Raspberry Pi）為主控核心，以智能手機(jī)為客戶端，基于ORB-SLAM設(shè)計的一款智能家居掃地機(jī)器人系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用Kinect模塊進(jìn)行周圍環(huán)境的信息采集，通過ORB-SLAM模塊對收集到的信息進(jìn)行整合與2D繪圖，最后采用Socket模塊實現(xiàn)手機(jī)客戶端與機(jī)器人的信息交互，實現(xiàn)與樹莓派遠(yuǎn)程通信從而達(dá)到遠(yuǎn)程啟動、重點清掃、自定義區(qū)域清掃等功能。此外機(jī)器人可以通過已繪制好的地圖智能設(shè)計最優(yōu)清掃方案并大大減少與家具的不必要碰撞。本文提出的智能家居掃地機(jī)器人系統(tǒng)具有市面上現(xiàn)有機(jī)器人所不具有的智能自定義管理、大量減少碰撞、高效清掃等優(yōu)勢，為廣大用戶提供了更為便捷智能的居家體驗。

智能家居掃地機(jī)器人遠(yuǎn)程；樹莓派；ORB-SLAM；Socket通信

機(jī)器人具有工作環(huán)境要求低、可持續(xù)作業(yè)、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、效率高等優(yōu)勢，其應(yīng)用正在逐漸融入人們的生活。作為家居機(jī)器人，其使用目的就是方便人們的生活，將人們從繁瑣的家庭勞動中解放出來。而現(xiàn)在市面上的家居掃地機(jī)器人存在清掃效率不高、產(chǎn)品智能化不高、對家居破壞較大等問題。

1.系統(tǒng)總體框架設(shè)計

圖1 基于樹莓派智能家居掃地機(jī)器人系統(tǒng)的總體框架圖

本文設(shè)計了一款基于樹莓派智能家居掃地機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)以樹莓派為主控核心，以智能手機(jī)為客戶端，實現(xiàn)家用掃地機(jī)器人的智能清掃。工作時，啟動Kinect相機(jī)，繼電器模塊控制驅(qū)動電機(jī)使機(jī)器人移動，ORB-SLAM模塊將Kinect相機(jī)采集到的室內(nèi)信息轉(zhuǎn)換成室內(nèi)地圖。當(dāng)圖像繪制完成后，智能手機(jī)與樹莓派中Socket模塊建立通信，客戶端即可將各種清掃命令傳輸至樹莓派。處理器通過繼電器模塊控制各個電機(jī)以達(dá)到清掃要求。在清掃過程中，紅外模塊通過實時檢測防止機(jī)器人碰撞家具和人，盡量減少因碰撞而產(chǎn)生的破壞。

2.主要硬件設(shè)計

2.1 樹莓派（Raspberry Pi）的基本配置

樹莓派是學(xué)習(xí)計算機(jī)編程教育而設(shè)計的具有信用卡大小的微型電腦，其系統(tǒng)基于Linux。本文樹莓派作為機(jī)器人的主控核心，對系統(tǒng)的各個模塊進(jìn)行控制。

2.2 繼電器模塊

所謂繼電器，就是一種控制開關(guān)，用小電壓、小電流設(shè)備控制大電壓、大電流的器件。繼電器通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用，可做到節(jié)約能源、便捷管理?？刂贫说碾娫?、GND地、信號分別接樹莓派的GPIO的2、6、7接口，另一端接外接設(shè)備，控制掃地機(jī)器人的清掃電機(jī)，毛刷吸塵電機(jī)及驅(qū)動電機(jī)等模塊。

2.3 各類傳感器

樹莓派以模塊化的形式對各個傳感器進(jìn)行統(tǒng)一管理。本設(shè)計中樹莓派控制的傳感器主要是Kinect相機(jī)和紅外感應(yīng)模塊。2．3．1 Kinect

Kinect是一款深度相機(jī)，同其他種類深度相機(jī)相比較，Kinect的價格便宜，測量范圍在3m-12m之間，精度約3cm，較適合于室內(nèi)小型掃地機(jī)器人。

Kinect的一大優(yōu)勢在于能比較廉價地獲得每個像素的深度值，不管是從時間上還是從經(jīng)濟(jì)上來說。有了這些信息，只要事先標(biāo)定了Kinect，或者采用出廠的標(biāo)定值，系統(tǒng)可以自動計算采集到的圖片中，每一個點的3D位置，將采集到的信息傳遞給ORB-SLAM進(jìn)行處理。

2．3．2 紅外感應(yīng)HC-SR501

HC-SR501是一款人體紅外感應(yīng)模塊，是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊。當(dāng)有人進(jìn)入感應(yīng)范圍時，專用傳感器探測到人體紅外光譜的變化，人不離開感應(yīng)范圍，將持續(xù)接通；人離開后，延時自動關(guān)閉負(fù)載。用于機(jī)器人在掃地時防止對人的不必要碰撞。

HC-SR501的特點如下：

（1）全自動感應(yīng)：當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸入高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平；輸出低電平。

（2）光敏控制(可選）：模塊預(yù)留有位置，可設(shè)置光敏控制，白天或光線強(qiáng)時不感應(yīng)。光敏 控制為可選功能，出廠時未安裝光敏電阻。如果需要，需另行購買光敏電阻并安裝。

（3）兩種觸發(fā)方式：L不可重復(fù)，H可重復(fù)?？商€選擇，默認(rèn)為H。

1）不可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，延時時間一結(jié)束，輸出將自動從高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

2）可重復(fù)觸發(fā)方式： 即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖?感應(yīng)模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點)。

（4）輸出高電平信號：可方便與各類電路實現(xiàn)對接。

感應(yīng)模塊通電后有一分鐘左右的初始化時間，在此時間模塊會間隔地輸出0-3次，一分鐘后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。感應(yīng)模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元（A元B元）位于較長方向的兩端，當(dāng)人體從左到右或從右到左走過時,紅外光譜到達(dá)雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應(yīng)越靈敏，為了增加感應(yīng)角度范圍，本模塊采用圓形透鏡，也使得探頭四面都感應(yīng)。

2．3．3 紅外線反射傳感器

紅外線反射傳感器與ORB-SLAM模塊共同發(fā)揮作用，能大大降低與家居碰撞的風(fēng)險。

紅外線反射傳感器是利用紅外線反射的原理，根據(jù)反射的強(qiáng)度來判定前方障礙的有無。當(dāng)電源接通后，紅外線傳感器就開始工作，機(jī)器人距離障礙物達(dá)到所設(shè)定的范圍時，傳感器接收到反射回來的紅外線達(dá)到一定程度后，傳感器輸出低電平，我們可以利用CPU判斷后，執(zhí)行相應(yīng)的程序，達(dá)到繞開障礙物的目的。紅外線反射傳感器主要為防止機(jī)器人對家居的不必要碰撞設(shè)立的雙重防線。

紅外線傳輸距離遠(yuǎn)，但對使用環(huán)境有相當(dāng)高的要求，其檢測精度并不是很高，很容易造成機(jī)器與家居物品發(fā)生碰撞時間一久，底部的家居物品會被它撞的斑斑點點。

3.主要軟件設(shè)計

3.1 ORB-SLAM模塊功能

ORB-SLAM (simultaneous localization and mapping)是一個基于特征識別的單目SLAM系統(tǒng)，可以實時運行，適用于各種場合，室內(nèi)的或者室外的，大場景或小場景的。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性，可以很好地處理劇烈運動圖像、可以有比較大的余地自由處理閉環(huán)控制、重定位、甚至全自動位置初始化。本文中我們采用了SLAM的追蹤、地圖構(gòu)建、重定位和控制功能。生成了精簡的、可追蹤的地圖，當(dāng)場景的內(nèi)容改變時，地圖構(gòu)建可持續(xù)工作。

在SLAM系統(tǒng)中，主要的兩個功能分別是定位(Localization)和建圖（Mapping），路徑規(guī)劃也被納入該系統(tǒng)中。總體而言，SLAM是指機(jī)器人依靠自身傳感器在位置環(huán)境中獲得感知信息，遞增地創(chuàng)建周圍環(huán)境的地圖，同時利用創(chuàng)建的地圖實現(xiàn)自主定位。

ORB-SLAM的優(yōu)點：（1）追蹤的平均時間約為20ms每幀，基本可以達(dá)到實時追蹤（i5-5200，4.2GHz）。（2）丟幀以后回到原來的場景，很容易就可以找回來。（3）定位的穩(wěn)定性較好，姿態(tài)流暢，沒有跳變。

3.2 Socket通信

網(wǎng)絡(luò)上的兩個程序（進(jìn)程）通過一個雙向的TCP連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，連接的一端即稱為一個socket。本系統(tǒng)中智能手機(jī)充當(dāng)客戶端，樹莓派充當(dāng)服務(wù)端。倘若服務(wù)器端和客戶端需要進(jìn)行通信，則服務(wù)器端必須創(chuàng)建一個socket，同時客戶端也需要創(chuàng)建一個socket，兩者基于TCP協(xié)議進(jìn)行雙向連接。

在TCP/IP協(xié)議中，TCP協(xié)議通過三次握手建立一個可靠的連接?？蛻舳伺c服務(wù)端之間的連接過程可以分為三個步驟：服務(wù)器監(jiān)聽、客戶端請求、連接確認(rèn)，即為三次握手的名稱。在電話系統(tǒng)中，一般用戶只能感受到本地電話機(jī)和對方電話號碼的存在，建立通話的過程，話音傳輸?shù)倪^程以及整個電話系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)對他都是透明的，這也與Socket機(jī)制非常相似。Socket利用客戶/服務(wù)器模式巧妙地解決了進(jìn)程之間建立通信連接的問題。在家中，智能手機(jī)可以和掃地機(jī)器人連接同一個局域網(wǎng)，通過Socket通信，不用接入互聯(lián)網(wǎng)在家中也可以實現(xiàn)智能手機(jī)對掃地機(jī)器人的控制。

4.總結(jié)

在智能化程度日益提高的當(dāng)下生活，解放人們的雙手和大腦成為了機(jī)器人的主要目標(biāo)，本文設(shè)計的基于樹莓派智能家居掃地機(jī)器人系統(tǒng)在原有掃地機(jī)器人功能的基礎(chǔ)上提高了機(jī)器人的清掃效率，減少了對家居的碰撞損害，實現(xiàn)了智能手機(jī)對掃地機(jī)器人的遠(yuǎn)程自定義控制，為居家生活帶來了便利。

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