蔡書鑒，張 敏，陳志聰，康澤威

（廣東理工學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，肇慶 526100）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類與自然環(huán)境之間的矛盾愈發(fā)激烈，同時人們也意識到以往以損壞環(huán)境為代價來發(fā)展經(jīng)濟的發(fā)展模式是不可取的。 現(xiàn)如今，治理環(huán)境污染達到人與生態(tài)和諧共處成為我國的重要政策。 習(xí)近平總書記提出了“生態(tài)興則文明興，生態(tài)衰則文明衰”的論斷，指出“……我們應(yīng)堅持人與自然共生共存的理念，像對待生命一樣對待生態(tài)環(huán)境……”[1-2]。 我國嚴峻的自然環(huán)境現(xiàn)狀和經(jīng)濟發(fā)展面臨的資源環(huán)境約束明顯增多都要求我國高度重視生態(tài)治理，才能實現(xiàn)社會的跨越式發(fā)展[3]。而現(xiàn)階段，我國的水生態(tài)環(huán)境破壞尤為嚴重，水泊是水生態(tài)環(huán)境中的一個重要組成部分，水泊污染的治理成為當前急需解決的一個問題。 如圖1 所示，各河道、 濕地以及海灘附近時常堆積著許多垃圾，既不美觀，也對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴重的污染。為了保護生態(tài)環(huán)境而通常采用的人工清潔亦會對環(huán)境產(chǎn)生二次破壞，同時，人工清潔的成本巨大并且還在不斷的增加。 隨著人工智能時代的到來，智能機器人出現(xiàn)在各行各業(yè)中，文中基于STM32RCT6單片機設(shè)計了水泊清潔機器人，該機器人能大大降低人工成本，并且還可以減少對環(huán)境的二次破壞程度。

圖1 生活中的水泊污染Fig.1 Water pollution in daily life

1 設(shè)計方案分析

由于水泊機器人主要是在海灘、濕地等相對復(fù)雜的環(huán)境中作業(yè)， 因此不采用集成化設(shè)計方案，以免一個原件損壞導(dǎo)致整個機器人報廢。 同時由于部分零件相對廉價，部分零件相對昂貴，于是在設(shè)計中采取了電子積木模塊化搭建方式設(shè)計，簡化電路結(jié)構(gòu)，使用PCB 將該機器人上的每一個模塊分開進行設(shè)計， 然后通過杜邦線連接組裝成一個硬件系統(tǒng)。 這樣設(shè)計的好處為人工操作簡單，在機器人損壞時，可以更簡單地通過更換損壞的零件，從而達到維修機器人的目的，不用將整個機器人報廢[4]。

經(jīng)分析，該機器人主要由機器人底盤、垃圾清潔機械臂、中控板三部分組成。 機器人底盤采用的是履帶式的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使機器人在相對復(fù)雜的環(huán)境中也能夠行動自如[5]。 同時，在底盤的前、后方加上了水位傳感器，機器人在即將涉水的時候能夠通過檢測，使本體遠離水面，防止內(nèi)部的電路損壞。 清理垃圾機械臂由舵機、 激光傳感器、OpenMV 構(gòu)成，機械臂主要作用是通過多舵機協(xié)同， 抓取識別物體， 激光傳感器主要檢測機器人與物體的距離，以便于機械臂抓取物體，OpenMV 主要作用是識別眼前的物體，其主要組成如圖2 所示。

圖2 機器人主要組成圖Fig.2 Main composition of robot

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

由前文分析可知，該機器人設(shè)計中采用了電子積木模塊化搭建方式，具體模塊設(shè)計如下文所述。

2.1 主電路系統(tǒng)設(shè)計

主電路系統(tǒng)設(shè)計中，該機器人的核心處理器是STM32RCT6 單片機，在主控板的上面集成有穩(wěn)壓電源用于控制機器人的電壓輸出， 使電壓輸出穩(wěn)定，從而達到整個系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定， 不易于損壞系統(tǒng)。并且在其外圍安裝有多個按鍵，用于設(shè)置機器人的自主、遙控等功能模式。 同時，在機器人的控制中搭配了藍牙模塊，可以實現(xiàn)機器人和手機、電腦等現(xiàn)代通信設(shè)備進行命令和通訊交互，為方便查看參數(shù)數(shù)據(jù)，在機器人上面設(shè)計一塊0.96 寸的OLED 顯示屏，可以顯示部分運行信息。

2.2 自動避水系統(tǒng)設(shè)計

避水系統(tǒng)主要是在履帶小車底盤的前后兩端添加了Water Sensor 水位傳感器， 通過單片機的ADC 端口PA1，PA5 檢測水位的高低。 當小車行駛到有水的地方時， 水位傳感器會檢測水位的高低，將模擬信號傳輸?shù)絾纹瑱C內(nèi)部的ADC，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號并進行比較。 其一，如小車前面?zhèn)鞲衅鳈z測到的數(shù)值比后面檢測到的數(shù)值高， 則發(fā)出中斷指令，然后令小車向后運動一段距離， 并向左旋轉(zhuǎn)90°且再次在單片機內(nèi)部進行比較，如此往復(fù)執(zhí)行；其二，如前面的傳感器檢測到的數(shù)值比后面檢測到的數(shù)值低，則發(fā)出中斷指令，然后令小車向前運動一段距離， 并向左旋轉(zhuǎn)90°且再次在單片機內(nèi)部進行比較，如此往復(fù)執(zhí)行。 在以上2 種情況執(zhí)行中，直到前面和后面的水位傳感器的數(shù)值相同， 跳出中斷指令。 在這樣的設(shè)計下，使小車能夠在這種伴水環(huán)境中擁有一定的避水能力， 同時也不影響小車的行駛。 其簡化電路如圖3 所示。

圖3 自動避水系統(tǒng)簡化電路圖Fig.3 Simplified circuit diagram of automatic water avoidance system

2.3 垃圾檢測系統(tǒng)設(shè)計

垃圾檢測系統(tǒng)的核心是OpenMV， 這是一種高性能、高性價比的智能視覺識別模塊，可以通過使用Python 語言進行編程，從而達到較準確的視覺識別功能[6]。 具體做法是通過在現(xiàn)實生活中遇到的一些常見的垃圾，將他們共同的特點如材質(zhì)、形狀、顏色等進行分類歸納并總結(jié)，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的編程語言，植入到OpenMV 的處理芯片中，使其在掃描到相應(yīng)的物體時能夠主動發(fā)出運行指令，由單片機串口進行接收和反饋到核心處理器中[7]，之后使得所有相應(yīng)的模塊在核心處理器的協(xié)調(diào)下完成相應(yīng)的工作，其簡化電路如圖4 所示。

圖4 OpenMV 檢測電路鏈接圖Fig.4 OpenMV detection circuit link diagram

2.4 抓取控制系統(tǒng)設(shè)計

抓取系統(tǒng)是通過多個舵機的協(xié)調(diào)運行以達到對物體的抓取，由單片機的運算和處理來控制各個舵機旋轉(zhuǎn)不同的角度，使得機械臂實現(xiàn)多方位的轉(zhuǎn)動[8]。 同時，搭配ToF 激光測距模塊檢測機械臂與拾取物體的距離，可以精準實現(xiàn)物體的抓取工作。 其工作原理是OpenMV 檢測到了垃圾時，將相應(yīng)信息傳遞到單片機中，單片機接收到了該信息通過控制電機，配合激光測距模塊檢測物體的距離，從而驅(qū)動清潔機器人運動到物體旁， 之后機械臂開始工作，將物體抓取，然后放到機器人后背搭配的收集筐中，其簡化電路如圖5 所示。

圖5 抓取控制電路接口圖Fig.5 Grab control circuit interface diagram

3 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

通過在主控板上面設(shè)置一個啟動按鍵，按下該按鍵之后可以啟動和運行整個系統(tǒng)， 同時OpenMV隨即啟動。 此時，終端設(shè)備如手機、電腦等會通過藍牙連接上機器人，如果是失誤啟動，則可以通過終端設(shè)備對其發(fā)出終止信號。 啟動后電機向前運動，在行駛的過程中檢測攝像機視線范圍內(nèi)是否有需要拾取的物品[9]。 設(shè)計中已經(jīng)事先將需要拾取的物品的具體形態(tài)、顏色等資料傳入了OpenMV 中，一旦檢測到有相應(yīng)的物品，會通過激光傳感器檢測機器人與物體之間的距離，然后啟動電機，將機器人移動到機械臂的工作范圍內(nèi)，通過機械臂上多個舵機的協(xié)調(diào)工作，將物體撿起，投入到機器人背后的收集筐中。 之后會再次檢測視線范圍內(nèi)是否還有相應(yīng)的物品，若沒有發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的需要撿拾的物品，則說明該區(qū)域的相應(yīng)物品垃圾已經(jīng)清理完畢，就會返回判斷是否收到終端設(shè)備發(fā)出終止信號，若沒有收到就會向終端設(shè)備發(fā)出請求終止的信號，如果收到終止信號，那么就會停止一切活動，說明此時整個環(huán)境中的相應(yīng)物品已經(jīng)清理完成。

在整個系統(tǒng)的運作過程中，單片機會不斷地進行判斷機器人前后的水位傳感器的數(shù)值是否相同，數(shù)值相同則繼續(xù)運行，整個機器人處于正常工作狀態(tài)，可連續(xù)清掃環(huán)境中的相應(yīng)物品。 數(shù)值不相同則會中斷，并比較前后傳感器的數(shù)值大小，做出后退的判斷，從而控制機械本體進行避水移動。 具體工作流程如圖6 所示。

圖6 機器人工作總流程Fig.6 General flow chart of robot work

設(shè)計中通過多種傳感器的組合，實現(xiàn)機器人環(huán)境清理功能，其中OpenMV 視覺傳感器模塊，使得該機器人擁有識別垃圾的能力； 激光測距傳感器，讓機器人具有判斷與垃圾距離的能力，使得抓取垃圾變得簡單；水位傳感器，能夠讓機器人在面對這種復(fù)雜環(huán)境中擁有判斷能力，更好地保護機器人自身， 也能自動判斷機械本體是否已經(jīng)涉入水中，做好良好的電路保護。

該機器人下盤使用履帶式的結(jié)構(gòu)，使其能在這種相對復(fù)雜的環(huán)境中獲得不俗的移動能力， 同時，在底盤下方加入了2 個水位傳感器，使其能夠自主判斷機器人是否涉入水中，這樣能使機器人離開水域，提高了機器人的使用壽命。 同時，上面搭載有OpenMV 這種高性價比、高功能型的電子積木模塊，通過內(nèi)置相應(yīng)的算法，使其擁有較高的識別物體精度的能力，同時添加了激光傳感器，使其能夠敏銳地判斷機器人與垃圾之間的距離，從而擁有良好的抓取物體能力，清潔垃圾。

4 結(jié)語

目前，在國內(nèi)的市場上還鮮有出現(xiàn)擁有在治理水泊地帶的水生態(tài)環(huán)境方面的機器人，其主要原因是因為水生態(tài)環(huán)境如水泊、海灘等地的環(huán)境相對復(fù)雜，治理起來相對麻煩，其技術(shù)要求較高。 而該機器人成本低、靈活性好、操作便捷，適用于在惡劣的環(huán)境下工作。 同時，機器人識別物體精度高、適應(yīng)性強、適用范圍廣，可替代傳統(tǒng)人工在海灘、濕地等相對復(fù)雜的環(huán)境中作業(yè)，極大降低對環(huán)境清潔的人力資源成本，從而節(jié)約了治理環(huán)境的成本。 在未來的水生態(tài)環(huán)境治理中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。