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        基于樹莓派智能家居掃地機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

        2017-11-08 05:46:58浙江省杭州第二中學(xué)張殳韜
        電子世界 2017年20期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        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。

        [1]葉振旭,張嵩灝.基于51單片機(jī)的智能家居的設(shè)計[J].

        [2]劉繼元.基于樹莓派的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[J].電子世界,2016(8):24-25.

        [3]何海燕.基于樹莓派的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2016(17):11-12.

        [4]陳必東,譚美娟.基于 Raspberry Pi+Arduino智能家居雛形系統(tǒng)的探索與研究[J].智慧工廠,2016(6):49-54.

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