王克強 高悅波 侯志輝 曾衍鑫 孔鎮(zhèn)清 鄭志杰

摘 要：隨著國民生活水平的提高，生活垃圾的數(shù)量也以驚人的速度在增長。以廣州市為例：一天要產(chǎn)生的垃圾就高達2.8萬噸，以10噸運載量的卡車為準，則需要2800架次，才能將一天的垃圾運到處理場地，同時需要大量的環(huán)衛(wèi)工人配合工作。在工業(yè)4.0和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益滲透到日常生活的今天，這種人力配合運輸車的垃圾轉(zhuǎn)運模式不僅耗費大量的人力、物力，也因為工人習慣將可回收垃圾及不可回收垃圾混合到運輸車輛，而使資源不能得到高效回收。因此“智能垃圾收集機器人”應(yīng)運而生。

關(guān)鍵詞：人工智能;垃圾收集

廣州市等一線、二線城市每天產(chǎn)生的生活、商業(yè)垃圾數(shù)量巨大，以傳統(tǒng)模式處理這些垃圾需要耗費大量的人力、物力，且轉(zhuǎn)運效率太低，且傳統(tǒng)的人工轉(zhuǎn)運垃圾模式存在人工混合已分類垃圾的情況，使本可回收的資源被低回報地消耗。因此作者研究一種 “智能垃圾收集機器人”，旨在使用自動化機械設(shè)備協(xié)同工作和“機器學習”技術(shù)相配合，配合“人工智能”的時代潮流。解決了垃圾處理不及時、轉(zhuǎn)運效率低、無法合理回收資源等問題，使城市以高科技、宜居的形象展示給外來人群。

1基本思路與應(yīng)用技術(shù)

1.1基本思路

當安裝于垃圾桶的超聲波模塊測定垃圾桶集滿垃圾后，通過WIFI模塊發(fā)送垃圾收取信息給控制中心，控制中心發(fā)出垃圾桶收取指令給垃圾收集機器人。利用UWB定位技術(shù)，智能垃圾收集機器人可以確定自身與目標垃圾桶在全局地圖的絕對位置，然后利用激光雷達對周圍環(huán)境進行掃描并建立起局部地圖，接著使用路徑規(guī)劃算法確定路徑并完成避障。到達目標地點后，機器人將裝滿垃圾的垃圾桶運走并將空的垃圾桶留下。當運輸完成后，運輸車將自動返回停放區(qū)并自動接入充電樁進行充電。

1.2應(yīng)用技術(shù)

UWB定位技術(shù)：其具有傳輸速率高，穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點。這是激光雷達定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)等難以做到的?？纱_定機器人與目標垃圾桶精確的全局位置，為跟隨路徑規(guī)劃提供全局導向。

激光雷達技術(shù)：雷達掃描儀順時針360度旋轉(zhuǎn)掃描，對周圍的環(huán)境進行測距掃描，進而獲得周圍環(huán)境的局部地圖，從而實現(xiàn)路徑規(guī)劃和避障。激光雷達技術(shù)可以避免超聲波定位技術(shù)中由于超聲波被吸音材料吸收從而導致的定位偏差。

自動充電技術(shù)：機器人在空閑時間段將自動運行到充電位置上進行自動充電，免去了人工看守充電的麻煩，提高了我們系統(tǒng)的穩(wěn)定性和易管理性。

RFID射頻技術(shù)：射頻識別（RFID）是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或者光學接觸。

嵌入式互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)：本項目采用WIFI模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，與藍牙模塊等局域網(wǎng)組建模塊相比，WIFI模塊可以實現(xiàn)遠程通信和遠程控制。另外，WIFI模塊還具有體積小，功耗低的特點。

機器學習技術(shù)：控制中心利用運輸車工作數(shù)據(jù)進行歸納學習，以獲得更強的適應(yīng)性、靈活性等智能特性，提高機器人的整體性能。同時當數(shù)據(jù)樣本足夠大后，對不同地點垃圾清理時間會越來越科學規(guī)范。

2 智能垃圾收集機器人的設(shè)計

2.1機器人的機械設(shè)計

面對一些街道等比較擁擠狹小的地方，機器人要想在其中靈活運行，基于麥克納姆輪技術(shù)的全方位運動運輸車可以實現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運動方式。因垃圾重量層次不齊，此運輸車必須有足夠大的承重能力來承受商品重量，因此采用了定制CNC的軸承座，以及購買了相應(yīng)的聯(lián)軸器來實現(xiàn)運輸車強大的承重能力。

機器人底盤機械設(shè)計如圖1所示：

全方位移動方式是基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個機輪法向力上面。依靠各自機輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機輪自身的方向。

這是與機器人抓取機械結(jié)構(gòu)相互匹配的垃圾桶，機器人通過RFID射頻技術(shù)識別到垃圾桶的機械連接部位后，對垃圾桶實施抓取。

垃圾桶機械圖如、機器人抓取機構(gòu)機械圖如圖2所示：

要使垃圾收集機器人穩(wěn)定運行，必然要有穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，所以很有必要設(shè)計出一種安全便捷的全自動充電系統(tǒng)。當機器人數(shù)量龐大的時候，充電就成為了一個問題，所以我們采用了自動充電的技術(shù)，讓機器人在空閑時段可以自動進行充電，免去了人工充電的麻煩。因此我們設(shè)計了一款可用于運輸車可以自動充電的插座。

2.2 機器人功能設(shè)計

垃圾收集機器人主要由六部分組成：UWB定位系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、RFID、自動避障系統(tǒng)、WIFI聯(lián)網(wǎng)模塊、夾取裝置。

垃圾桶主要有四部分構(gòu)成：UWB定位系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、RFID 標簽、WIFI聯(lián)網(wǎng)模塊、基于超聲波的垃圾數(shù)量檢測系統(tǒng)。

控制中心主要由兩部分組成：單片機控制系統(tǒng)、WIFI聯(lián)網(wǎng)模塊

各個模塊之間的連接關(guān)系如圖7所示：

圖7左側(cè)為垃圾桶各個硬件模塊組成圖，右側(cè)為垃圾收集機器人各個硬件模塊組成圖。

2.3主要技術(shù)說明

2.3.1 UWB定位系統(tǒng)

UWB定位系統(tǒng)包括UWB定位基站和UWB定位標簽。機器人上需要裝載1個UWB標簽。各基站根據(jù)到達時間差得出各基站到標簽的原始距離，進而根據(jù)原始距離建立數(shù)學模型，從而解算出機器人所在坐標，再通過WIFI模塊將坐標等信息發(fā)送回給標簽，然后標簽再把位置信息傳給機器人主控。從而來控制機器人運動的方向和速度。

TDOA是對TOA技術(shù)加以改進的算法。TDOA定位不必要進行基站和移動終端之間的同步，而只需要基站之間進行同步。因為基站的位置是固定的，基站之間進行同步與基站和移動終端之間進行同步要容易實現(xiàn)得多。這使得TDOA定位比TOA定位要更加容易實現(xiàn)。

假設(shè)移動終端的位置與基站1和基站2的距離差為R21=R2-R1，則移動終端的位置必定在以兩個基站為焦點，與兩個焦點的距離差恒為R21的雙曲線上。即若移動終端的位置為（X0，Y0），基站1位置為（X1，Y1），基站2位置為（X2，Y2），則它們滿足關(guān)系：

AAAAA

再通過另一組移動終端與基站1基站3或基站2基站3的TDOA，可以得到 另一組雙曲線，兩組雙曲線將最多產(chǎn)生兩個交點，再根據(jù)先驗知識（如半徑范圍 等）判斷出移動終端的位置。

它的基本原理可以從下面的圖4得到良好的詮釋。

2.3.2 RFID識別系統(tǒng)

RFID識別系統(tǒng)包括RFID讀寫器、RFID天線、RFID電子標簽。FRID射頻識別技術(shù)最重要的地方莫過于RFID讀寫器，將RFID天線固定在機器人抓取機構(gòu)上，RFID讀寫器通過RFID天線和電子標簽傳遞射頻信號，從而讀取上方垃圾桶信息。

2.3.3 自動避障系統(tǒng)

引力場（attraction）隨機器人與目標點的距離增加而單調(diào)遞增，且方向指向目標點;斥力場（repulsion）在機器人處在障礙物位置時有一極大值，并隨機器人與障礙物距離的增大而單調(diào)減小，方向指向遠離障礙物方向。

引力勢場的范圍比較大，而斥力的作用范圍只是局部的，當機器人和障礙物的距離超過障礙物影響范圍的時候，機器人不受排斥勢場的影響。

人工勢場法如圖5所示：

2.3.4 機器學習

首先探索性數(shù)據(jù)分析：當垃圾分布數(shù)據(jù)剛?cè)〉脮r，可能雜亂無章，看不出規(guī)律，通過作圖、造表、用各種形式的方程擬合，計算某些特征量等手段探索垃圾量時空分布的可能形式，即往什么方向和用何種方式去尋找和揭示隱含在數(shù)據(jù)中的規(guī)律性。

其次模型選定分析，在探索性分析的基礎(chǔ)上提出一類或幾類可能的模型，然后通過進一步的分析從中挑選一定的模型。

最后推斷分析：通常使用數(shù)理統(tǒng)計方法對所定模型或估計的可靠程度和精確程度做出推斷。

機器學習流程如圖6所示：

2.3.5 機器人協(xié)同系統(tǒng)

UWB定位系統(tǒng)雖然內(nèi)置了無線模塊，但為了提高效率，一般只用于傳輸路徑規(guī)劃指引指令，至于其它復(fù)雜的命令（比如強制斷電，指定路線運行，指定工作區(qū)待命等），則需通過WIFI模塊，以此來提升安全性與穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)中存在一個主控系統(tǒng)，它具有系統(tǒng)的完全信息，并能夠進行全局規(guī)劃與決策。系統(tǒng)中的其它機器人則利用WIFI模塊進行通信，機器人既能與主控機器人進行信息交換，又能與其它的機器人進行信息交換。機器人之間雖然不具有系統(tǒng)的完全信息，只有特殊條件下，才由主控機器人進行全局的規(guī)劃與決策。

3 裝置應(yīng)用及轉(zhuǎn)化前景

采用了UWB定位技術(shù)進行定位，這是激光雷達定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)等難以做到的。本項目采用激光雷達技術(shù)來進行避障，激光雷達掃描儀順時針360度旋轉(zhuǎn)掃描，對周圍的環(huán)境進行測距掃描，然后建立起瞬時周圍輪廓，并結(jié)合UWB定位與城市地圖來確定障礙物的位置，進行智能避障。激光雷達技術(shù)可以避免超聲波定位技術(shù)中由于超聲波被吸音材料吸收從而導致的定位偏差。

如今社會人力成本越來越高，智能垃圾收集機器人的使用可以大幅度地減少人力成本。由于該系統(tǒng)是不需要人為干預(yù)的自動化系統(tǒng)，因此機器人并不需要配備駕駛?cè)藛T和垃圾分揀人員，只需要定期檢查機器人，以及設(shè)置后臺監(jiān)控室實時監(jiān)控機器人即可，因此該機器人的效率比起傳統(tǒng)的人工分揀要提高50%以上。解決了城市清潔人員缺少，招工難，用人荒等問題，使得城市清潔進入一個新的水平，這將會給社會帶來巨大的經(jīng)濟效益。

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作者簡介：

王克強（1968.4-），江西，贛州，碩士，教授，研究方向：人工智能.

基金項目：大學生創(chuàng)新項目（201911347023）資助項目.

（仲愷農(nóng)業(yè)工程學院 自動化學院， 廣東 廣州 510220）