黃學(xué)飛，桂 艷，鄺衛(wèi)華，黎汝權(quán)，周 華

（廣州番禺職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 511483）

近年來，隨著人口老齡化趨勢(shì)的加快，我國服務(wù)行業(yè)用工成本逐年攀升，人口紅利逐步喪失，服務(wù)行業(yè)中缺少勞動(dòng)力成為行業(yè)普遍面臨的瓶頸問題。少子化社會(huì)也會(huì)造成更多工作無人做的結(jié)果。另一方面，隨著城市化現(xiàn)象的加劇，城市面積日益加大，相應(yīng)的城市環(huán)衛(wèi)工作量也隨著城市的發(fā)展而增大。如此導(dǎo)致社會(huì)對(duì)服務(wù)機(jī)器人的市場(chǎng)需求越來越大，在需求增長(zhǎng)、消費(fèi)水平提升等多方因素共同推動(dòng)下，服務(wù)機(jī)器人將成為機(jī)器人行業(yè)的熱點(diǎn)，我國服務(wù)機(jī)器人行業(yè)將迎來巨大的機(jī)遇和發(fā)展空間。

隨著人工智能的發(fā)展，借助科技力量開發(fā)相關(guān)具有感知、思維和行動(dòng)功能的智能機(jī)器人是一個(gè)可行的解決方法。近年來機(jī)器人技術(shù)不斷成熟，性價(jià)比不斷提高，這也使智能機(jī)器人的廣泛應(yīng)用成為可能。在此，根據(jù)社會(huì)需求開發(fā)了基于視覺識(shí)別技術(shù)的智能垃圾機(jī)器人，并對(duì)機(jī)器人樣品進(jìn)行了測(cè)試。

1 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

文中以特定的區(qū)域——跑道為例，開發(fā)了一款基于視覺識(shí)別技術(shù)的智能型垃圾自動(dòng)拾撿機(jī)器人，通過機(jī)器人自動(dòng)按識(shí)別的跑道路線行走，自動(dòng)識(shí)別垃圾，自動(dòng)運(yùn)行至垃圾所在的位置并自動(dòng)撿拾，從而完成該區(qū)域內(nèi)垃圾的自動(dòng)清潔工作。

該機(jī)器人采用太陽能光伏板自動(dòng)充電，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。該機(jī)器人的設(shè)計(jì)分為兩大部分，機(jī)械部分和控制部分。

智能垃圾機(jī)器人的工作原理如下：首先，將機(jī)器人放置在跑道上，啟動(dòng)機(jī)器人電源開關(guān)，給系統(tǒng)上電。機(jī)器人通過圖像模塊自動(dòng)拍攝其前方圖片，控制系統(tǒng)將采集到圖像進(jìn)行二值化[1]；圖像二值化后，將采集的圖像變?yōu)楹诎讏D像，并最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)跑道線為白色，其余的背景顏色為黑色。然后，垃圾機(jī)器人沿著白色跑道線行走，同時(shí)并根據(jù)圖片的數(shù)值，不停地計(jì)算出白線區(qū)域的中心坐標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)把圖片中心坐標(biāo)與白色區(qū)域中心坐標(biāo)做對(duì)比，如果兩者的坐標(biāo)值不一致，則垃圾機(jī)器人與跑道線就存在偏差，當(dāng)偏差超出一定的范圍，系統(tǒng)則發(fā)出偏差信號(hào)，并根據(jù)偏差值對(duì)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以便調(diào)整垃圾機(jī)器人位置。

機(jī)器人在行走的過程中，如果發(fā)現(xiàn)類似垃圾圖像，控制系統(tǒng)則會(huì)根據(jù)處理后的圖像取得特征數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)庫所存儲(chǔ)的垃圾特征數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，若比對(duì)的相似度超80%以上，系統(tǒng)則判別其為垃圾。系統(tǒng)再根據(jù)拍攝圖像的位置和超聲波測(cè)距，判斷出塑料瓶等垃圾所在方位和距離。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)車輪沿著通過計(jì)算垃圾與機(jī)器人之間的位置而行進(jìn)。直至到達(dá)到一定位置時(shí)機(jī)器人自動(dòng)停下，同時(shí)控制機(jī)械手撿拾垃圾，并將垃圾放入自帶的垃圾桶。然后繼續(xù)下一個(gè)目標(biāo)。機(jī)器人在工作的時(shí)候，太陽能光伏板可對(duì)其進(jìn)行充電，減少人為充電，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排[2]。

2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

機(jī)械部分的主要功能是保證機(jī)器人完成行走和拾撿動(dòng)作。該部分主要由車輪、車架、機(jī)器手、垃圾箱、太陽能系統(tǒng)等五大部分組成。機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)器人車輪主要起行走的作用，共有4個(gè)輪子，選用直徑75 mm的模型玩具車輪；為高品質(zhì)大摩擦力車輪，其外部為橡膠胎皮，中間含海綿內(nèi)膽，帶有塑料輪轂。因在此只需要制作出相應(yīng)的模型來進(jìn)行測(cè)試，故所選車輪可以滿足系統(tǒng)的使用要求。

圖1 垃圾自動(dòng)拾撿機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall outline drawing of robot

車架主要起支承作用。整個(gè)車架由1塊厚2 mm的鋁合金底板和上層厚2 mm的3塊鋁合金板制作而成。其中，底板主要支承整個(gè)系統(tǒng)的零部件，能滿足力學(xué)性能要求；3塊鋁合金板主要用于支承和安裝控制系統(tǒng)及太陽能板。

機(jī)器手用于撿拾垃圾?？紤]到系統(tǒng)的制作成本，在其開發(fā)過程中，采購了LD-3015MG數(shù)碼/數(shù)字舵機(jī)、30 cm舵機(jī)延長(zhǎng)線、LDX-335MG數(shù)字舵機(jī)、金屬舵盤、機(jī)械抓手、3D打印的機(jī)械臂等，組裝成機(jī)械手。

垃圾箱是用于放置垃圾的箱體，該箱體采用3D打印制成，材料為PLA。根據(jù)設(shè)計(jì)要求該垃圾箱能夠存放垃圾約0.03 m2。

太陽能系統(tǒng)所采用的太陽能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)充電，為垃圾機(jī)器人提供電源。通過太陽能系統(tǒng)，可以保證機(jī)器人在運(yùn)行過程中不停接收太陽能，并通過光電轉(zhuǎn)換將太陽能量轉(zhuǎn)化為電能，再將電能儲(chǔ)存到電源組中，從而為整個(gè)垃圾機(jī)器人提供運(yùn)行的電源。太陽能電池板選用山東尚品公司的光伏板，伏數(shù)為12 V，規(guī)格為135 mm×125 mm×2.5 mm。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該機(jī)器人控制系統(tǒng)主要用于控制機(jī)器人的行走、垃圾物的判別及拾撿、太陽能自動(dòng)充電等?？刂葡到y(tǒng)部分以STM32單片機(jī)為控制核心[3]，由主控模塊、圖像模塊、識(shí)別模塊、超聲波測(cè)距模塊、WiFi模塊等組成。

該機(jī)器人所采用的控制板是正點(diǎn)STM32開發(fā)板 Cortex-M4小型系統(tǒng)板，其功能強(qiáng)大，可以滿足系統(tǒng)運(yùn)行的需要。系統(tǒng)電源采用太陽能光伏板和18650鋰電池組12 V，以便為各部分功能模塊提供可靠的電力。系統(tǒng)的總體控制系統(tǒng)過程如圖2所示。

圖2 機(jī)器人控制系統(tǒng)過程Fig.2 Flow chart of robot control system

3.1 機(jī)器人的行走控制設(shè)計(jì)

機(jī)器人的行走控制部分采用了4個(gè)由直流減速電機(jī)JGA25-370控制的車輪。該電機(jī)主要用于驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器人行走，選用電壓12 V，由L9110智能車4路驅(qū)動(dòng)板模塊驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)模塊本身自帶四路L9110S芯片，模塊同樣選用12 V電壓，最大工作電流0.8 A，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)直流電機(jī)。驅(qū)動(dòng)模塊中的L9110S是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)而設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該驅(qū)動(dòng)模塊可以滿足JGA25-370直流減速電機(jī)的需要和系統(tǒng)運(yùn)行的需要。

垃圾機(jī)器人沿白色跑道線行走，由圖像模塊采集垃圾機(jī)器人運(yùn)行中拍攝的圖片，然后通過系統(tǒng)對(duì)所拍攝的圖片進(jìn)行處理。在處理過程中，系統(tǒng)將圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值化，系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置閾值作為圖像二值化的基準(zhǔn)，以閾值為界限，超過閾值圖像數(shù)值將定義為255，低于閾值圖像數(shù)值將定義為0，從而實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)值二值化，并使圖像變?yōu)楹诎讏D像，最終實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)跑道線為白色，其余的背景為黑色；根據(jù)圖片的數(shù)值，不停地計(jì)算出白線區(qū)域的中心坐標(biāo)。系統(tǒng)將圖片中心坐標(biāo)與白色區(qū)域中心坐標(biāo)做對(duì)比，如果兩者的坐標(biāo)值不一致，則垃圾機(jī)器人與跑道線就存在偏差，當(dāng)偏差超出一定的范圍，系統(tǒng)則發(fā)出偏差信號(hào)，同時(shí)根據(jù)偏差值對(duì)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以便調(diào)整垃圾機(jī)器人位置。

具體實(shí)現(xiàn)跑道巡線中心點(diǎn)的找點(diǎn)過程如下（如圖3所示）：

①攝像頭圖片的采集，如圖3（a）所示；

②基于跑道只有紅、黑2種顏色，從而將采集到的圖像進(jìn)行黑白轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的圖片如圖3（b）所示；

③將黑白圖像進(jìn)行高斯濾波，為下一步進(jìn)行邊緣檢測(cè)做準(zhǔn)備，如圖3（c）所示；

④對(duì)濾波后的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖 3（d）所示；

⑤對(duì)邊緣檢測(cè)后的圖像進(jìn)行直線提取1，通過創(chuàng)新的算法對(duì)直線進(jìn)行篩選，得出跑道線左右兩邊的豎線，并在原圖上顯示，結(jié)果如圖3（e）所示；

⑥通過創(chuàng)新算法，得出跑道的中心坐標(biāo)，并在跑道上顯示出來，如圖3（f）所示；

⑦將算法得出的中點(diǎn)和圖片的中點(diǎn)坐標(biāo)相減并乘以一個(gè)比例系數(shù)，得出攝像頭和跑道的實(shí)際距離，并通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)跑道的巡線行走。

圖3 跑道巡線中心點(diǎn)的找點(diǎn)過程Fig.3 Process of finding the center of a runway patrol

跑道中心坐標(biāo)找點(diǎn)的主程序如下：

3.2 垃圾的判別控制設(shè)計(jì)

對(duì)于垃圾的判別，該機(jī)器人系統(tǒng)采用了先進(jìn)的視覺圖像識(shí)別和超聲波技術(shù)。對(duì)垃圾判別的具體工作過程如下：

機(jī)器人在行走過程中發(fā)出超聲波，根據(jù)超聲波返回的信號(hào)，如果發(fā)現(xiàn)垃圾則系統(tǒng)通過圖像處理將跑道的背景變?yōu)榘咨?，?duì)垃圾圖像進(jìn)行輪廓化處理；系統(tǒng)根據(jù)處理后的圖像取得特征數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)庫存儲(chǔ)的垃圾特征數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)比對(duì)的相似度超80%以上，系統(tǒng)則判別為垃圾。

為保證數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性，攝像頭設(shè)置在垃圾機(jī)器人的右側(cè)，機(jī)械臂底盤的中點(diǎn)是后續(xù)運(yùn)算的參考點(diǎn)，并采用一線程單獨(dú)執(zhí)行。

圖像模塊采用OV2640攝像頭模塊進(jìn)行圖像采集。該模塊采用了0.635 cm的OV2640百萬高清CMOS傳感器，具有高靈敏度，高靈活性，支持JPEG輸出等特點(diǎn)，并且可以支持曝光、白平衡、色度、飽和度、對(duì)比度等眾多參數(shù)設(shè)置，支持JPEG/RGB565格式輸出，支持自動(dòng)曝光控制、自動(dòng)增益控制、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)消除燈光條紋、自動(dòng)黑電平校準(zhǔn)等自動(dòng)控制功能，同時(shí)支持色飽和度、色相、伽馬、銳度等設(shè)置，可以滿足不同場(chǎng)合需求。垃圾判別的具體執(zhí)行過程如圖4所示。

圖4 垃圾的判別控制流程Fig.4 Flow chart of control for discriminant garbage

3.3 垃圾拾撿系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

機(jī)器人拾撿垃圾系統(tǒng)控制部分，主要用于控制機(jī)械手將垃圾從跑道上正確地?fù)焓暗焦潭ǖ淖詭Ю鋬?nèi)。該部分通過控制機(jī)械手的舵機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器手的各種動(dòng)作[4]。

該機(jī)器人的垃圾拾撿系統(tǒng)控制采用3個(gè)LDX-335MG數(shù)字舵機(jī)和3個(gè)LDX-315MG數(shù)字舵機(jī)控制機(jī)械手。這些舵機(jī)具有扭力大、虛位小、速度快、耐燒、耐高溫等特點(diǎn)，舵機(jī)采用PWM脈寬型調(diào)節(jié)角度，周期 20 ms，占空比（0.5～2.5）ms的脈寬電平對(duì)應(yīng)舵機(jī)0～180°角度范圍且呈線性關(guān)系，適合控制機(jī)械手的各種動(dòng)作。

機(jī)械手由分節(jié)手臂及其前端的卡爪組成[5]。分節(jié)手臂用于帶動(dòng)卡爪運(yùn)動(dòng)，卡爪用于拾撿垃圾。系統(tǒng)判別出垃圾后，垃圾機(jī)器人首先通過超聲波確定機(jī)器人與垃圾之間的距離和方位，然后控制機(jī)器人運(yùn)行到相應(yīng)的正確位置，并通過控制數(shù)字舵機(jī)控制機(jī)器手的各種動(dòng)作[6]：①將機(jī)械手伸到垃圾所在的位置；②機(jī)械手發(fā)出夾垃圾的信號(hào)，機(jī)械手通過卡爪將垃圾夾緊；③通過控制舵機(jī)將垃圾送至垃圾箱；④機(jī)械手復(fù)位至最初的位置，完成一次垃圾拾撿工作。該機(jī)器人舵機(jī)與單片機(jī)的連接如圖5所示。

圖5 舵機(jī)與單片機(jī)的連接Fig.5 Connection between steering gear and single chip microcomputer

對(duì)于舵機(jī)控制板與STM32通信，在此通信協(xié)議采用電平—TTL電平；波特率—9600；停止位—1；校驗(yàn)位—0。通信的數(shù)據(jù)格式如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)格式Fig.6 Data format

每個(gè)數(shù)據(jù)包含5個(gè)字節(jié)，按照16進(jìn)制方式發(fā)送數(shù)據(jù)。由圖可見，數(shù)據(jù)包中，第1個(gè)字節(jié)為起始碼0xFF；第2個(gè)字節(jié)為執(zhí)行動(dòng)作指令；第3個(gè)字節(jié)為通道號(hào)，即需要控制哪個(gè)通道的數(shù)據(jù)；第4和第5位分別為數(shù)據(jù)的低字節(jié)和高字節(jié)。

執(zhí)行動(dòng)作指令包括：0x01為設(shè)置舵機(jī)速度；0x02為設(shè)置舵機(jī)位置；0x09為啟動(dòng)動(dòng)作組；0x0b為急停/恢復(fù)。 例如，舵機(jī) 1，轉(zhuǎn)速 10（90°/s）：發(fā)送指令0xFF 0x01 0x01 0x0a 0x00。

4 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，已制作完成的智能拾撿垃圾機(jī)器人樣品如圖7所示。經(jīng)測(cè)試，該機(jī)器人的運(yùn)行速度可達(dá)20 m/min，能夠準(zhǔn)確地沿跑道運(yùn)行，并能夠判別運(yùn)動(dòng)中發(fā)現(xiàn)的垃圾，同時(shí)能快速拾撿所發(fā)現(xiàn)的垃圾，滿足了所要實(shí)現(xiàn)的控制方案各項(xiàng)要求。該款機(jī)器人非常適用于類似運(yùn)動(dòng)場(chǎng)跑道等特定環(huán)境的垃圾拾撿。

5 結(jié)語

在智能垃圾機(jī)器人開發(fā)過程中，采用了PID算法控制機(jī)器人的運(yùn)行控制、四驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制、視覺識(shí)別技術(shù)和太陽能技術(shù)，這些技術(shù)的運(yùn)用保證了機(jī)器人系統(tǒng)正常運(yùn)行。該機(jī)器人在運(yùn)行過程中能夠很好地實(shí)現(xiàn)功能需求。目前城市中運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等很多，在這些特定的場(chǎng)所如果能夠使用基于視覺識(shí)別技術(shù)的智能垃圾機(jī)器人清理垃圾，不僅可以減小清潔人員的工作量，而且具有節(jié)能效果。

圖7 智能垃圾機(jī)器人樣品照片F(xiàn)ig.7 Sample photo of intelligent garbage robot