徐蘇林，張春亮，胡顥棟

（寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院（中德智能制造學(xué)院），浙江寧波，315800）

0 引言

世界范圍內(nèi)，中國(guó)警察占人口比重相對(duì)較低，其中三分之一以上是沒(méi)有武裝的交通警和戶(hù)籍警。據(jù)報(bào)道[1]，截至2021 年末，中國(guó)的汽車(chē)保有量已經(jīng)達(dá)到2.92 億輛，如此龐大的汽車(chē)數(shù)量勢(shì)必會(huì)給交警執(zhí)勤工作增加負(fù)擔(dān)。近年來(lái)，中國(guó)交通事故發(fā)生率正逐年上升，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示[2]，中國(guó)交通事故死亡人數(shù)占世界的16%，連續(xù)十余年居世界第一，數(shù)以萬(wàn)計(jì)的家庭因?yàn)榻煌ㄊ鹿识щx破碎。另有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[3]，從1994 年到2014 年,全國(guó)因酒后駕車(chē)而導(dǎo)致的死亡人數(shù)平均每年以7.3%的速度增長(zhǎng)，全國(guó)公安交管部門(mén)共查處酒駕醉駕127.4 萬(wàn)起[4]。由此產(chǎn)生的社會(huì)矛盾也日益尖銳，人們對(duì)交通安全的關(guān)注度逐年遞增。

1 研究意義

從國(guó)家和社會(huì)的角度來(lái)看，因醉酒駕駛構(gòu)成危險(xiǎn)駕駛罪的罪犯多數(shù)被判處拘役實(shí)刑，同時(shí)在常見(jiàn)的酒駕檢測(cè)過(guò)程中，若酒精檢測(cè)裝置未及時(shí)清洗到位，則可能造成被測(cè)人員交叉感染，增加社會(huì)治理難度。從減少犯罪發(fā)生率推動(dòng)社會(huì)治理創(chuàng)新的角度來(lái)看，一味對(duì)醉酒駕車(chē)進(jìn)行事后查處、定罪處罰，并不是解決問(wèn)題的最好辦法。因此，從技術(shù)手段角度著手思考，可能有助于破解難題。

通過(guò)查詢(xún)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料中未有關(guān)于功能較為全面的測(cè)酒駕機(jī)器人的研究，而且近多年來(lái)并沒(méi)有成熟的相關(guān)輔助交警作業(yè)的機(jī)器人出現(xiàn)。本行業(yè)現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)大體上分為三類(lèi)：(1)基于汽車(chē)的內(nèi)置設(shè)備而研發(fā)的專(zhuān)用測(cè)酒駕裝置[5]；(2)從理論角度研發(fā)的測(cè)酒駕系統(tǒng)[6]；(3)設(shè)備體積較大的機(jī)械平臺(tái)式測(cè)酒駕式拖車(chē)[7]。以上所呈現(xiàn)的測(cè)酒駕技術(shù)都存在一定的缺陷，而對(duì)于測(cè)酒駕的工作而言，上述輔助手段并沒(méi)有很好地將測(cè)酒駕機(jī)器的功能展現(xiàn)，所以設(shè)計(jì)一款智慧協(xié)警機(jī)器人是有必要的。

2 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)上述背景中出現(xiàn)的交通事故頻發(fā)、群眾關(guān)注度高、道路事務(wù)繁忙、設(shè)備缺乏智能化等問(wèn)題，項(xiàng)目給出了相應(yīng)的解決方案及適用場(chǎng)景，主要采用以機(jī)器人協(xié)助警察完成日常工作為主，獨(dú)立作業(yè)為輔的工作理念。

2.1 交通道路執(zhí)法應(yīng)用

機(jī)器人可應(yīng)用于交通道路執(zhí)法，其具有測(cè)酒駕的功能，同時(shí)兼?zhèn)鋵?duì)周邊突發(fā)事故預(yù)處理的能力，可將事故造成的損失最小化。在測(cè)酒駕工作場(chǎng)景下，機(jī)器人先移動(dòng)至設(shè)定的工作區(qū)域，接著右機(jī)械手臂展開(kāi)LED 面板，同時(shí)滾動(dòng)播放警示字幕，左機(jī)械手臂內(nèi)的測(cè)酒駕裝置也隨即啟動(dòng)。當(dāng)有車(chē)輛即將進(jìn)入被檢測(cè)區(qū)域時(shí)，機(jī)器人會(huì)通過(guò)頭部的測(cè)速裝置提前對(duì)車(chē)輛測(cè)速，若車(chē)輛速度過(guò)高或出現(xiàn)闖卡動(dòng)機(jī)時(shí)，出于人道主義且為了避免機(jī)器人被損壞，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)避險(xiǎn)并記錄逃逸車(chē)輛的信息，將捕獲的車(chē)輛信息同步提供給附近的交警處理。若車(chē)輛減速，機(jī)器人通過(guò)機(jī)身前置語(yǔ)音交互裝置引導(dǎo)駕駛?cè)藛T配合檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果正常則機(jī)器人解除警報(bào)并將車(chē)輛放行，若檢測(cè)結(jié)果為酒駕，則機(jī)器人提示駕駛?cè)藛T?？恐涟踩珔^(qū)域等待處理，同時(shí)將車(chē)輛信息同步提供給附近交警處理，此時(shí)機(jī)器人左臂的清潔裝置對(duì)酒駕測(cè)量?jī)x進(jìn)行消毒，其目的在于被測(cè)人員避免交叉感染。

2.2 人群密集區(qū)域巡檢工作

機(jī)器人依據(jù)規(guī)劃路線(xiàn)實(shí)現(xiàn)區(qū)域巡檢，日常巡檢主要包括以下兩項(xiàng)工作內(nèi)容：（1）巡航過(guò)程中對(duì)密集區(qū)域的人員進(jìn)行溫度測(cè)量，（2）巡航過(guò)程中對(duì)有需要的人員提供相應(yīng)的幫助。同時(shí)，機(jī)器人可為市民提供口罩分發(fā)、地圖指引、人事舉報(bào)等功能，上述功能都位于機(jī)身后方的曲面觸控屏上，群眾可根據(jù)自身需求進(jìn)行選擇。

3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

智慧協(xié)警機(jī)器人是集機(jī)電一體化的智能化產(chǎn)品，其共包含了五個(gè)模塊，分別為：警示模塊、檢測(cè)模塊、通訊模塊、避險(xiǎn)模塊、服務(wù)模塊。機(jī)器人如圖2 所示。

圖1 智慧協(xié)警機(jī)器人工作流程

圖2 智慧機(jī)器人產(chǎn)品示意圖

3.1 警示模塊

測(cè)溫與測(cè)速識(shí)別攝像頭安裝于機(jī)器人頭部，其具有雙目跟隨測(cè)距的功能，由太陽(yáng)能板和電池持續(xù)提供電能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全天候無(wú)死角自適應(yīng)工作。在自主巡航場(chǎng)景下，頭部測(cè)溫裝置可檢測(cè)周?chē)藛T的體溫；在事故路段警示場(chǎng)景下，機(jī)器人右臂LED 警示面板可通過(guò)兩個(gè)相互作用的齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電子顯示屏的的伸縮，在工作狀態(tài)下擴(kuò)寬屏幕，提醒周?chē)藛T；非工作狀態(tài)下收縮屏幕，減少空間占用。

3.2 檢測(cè)模塊

在工作狀態(tài)下，機(jī)器人依靠機(jī)身內(nèi)部齒輪機(jī)構(gòu)將裝有測(cè)酒駕裝置的機(jī)械臂向前擺動(dòng)，安裝于機(jī)器人腦部的芯片與識(shí)別裝置同步啟動(dòng)，將測(cè)得數(shù)據(jù)提供至警用云端平臺(tái)。具體過(guò)程如下：機(jī)器人左臂通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)向前擺至45°，測(cè)酒駕設(shè)備依次由吹嘴、測(cè)試儀、柔性彈簧和底座共同構(gòu)成，其位于機(jī)器人左臂內(nèi)側(cè)，通過(guò)直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)可將它頂出，從而實(shí)現(xiàn)伸縮的效果，結(jié)構(gòu)如圖3 所示，被測(cè)人員可以利用彈簧柔性的特點(diǎn)調(diào)整測(cè)試頭位置。檢測(cè)完畢后，位于吹嘴上方的噴嘴噴灑易揮發(fā)型消毒液，對(duì)檢測(cè)儀器和測(cè)試嘴進(jìn)行消毒，在消毒結(jié)束后，機(jī)械臂上端兩側(cè)的磁鐵吸附實(shí)現(xiàn)閉合，手臂通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

圖3 測(cè)酒駕裝置

3.3 通訊模塊

城市化數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用5G 即時(shí)通訊和北斗定位導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位和數(shù)據(jù)共享。機(jī)器人在檢測(cè)到酒駕人員后，將違法信息登記在身份驗(yàn)證系統(tǒng)中，并將信息提供給附近巡查的交警處理；當(dāng)機(jī)器人在密集區(qū)域巡邏檢查時(shí)，它會(huì)鎖定溫度異常人員，并上傳信息。同時(shí)，機(jī)器人數(shù)量分布與調(diào)配依據(jù)大數(shù)據(jù)分析后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)城市交通數(shù)據(jù)管理與資源共享，充分體現(xiàn)了城市數(shù)字化管理的理念。

3.4 避險(xiǎn)模塊

避險(xiǎn)模塊安裝于機(jī)器人的底部，適用于司機(jī)違法闖卡時(shí)機(jī)器人的自身防護(hù)。當(dāng)認(rèn)定司機(jī)具有闖卡動(dòng)機(jī)且時(shí)速超標(biāo)時(shí)，測(cè)速器將信息傳遞至底部，通過(guò)安置在機(jī)器人底座的剪叉升降裝置使機(jī)身極速下降，驅(qū)動(dòng)組件麥克納姆輪同步啟動(dòng)，機(jī)器由此向反方向躲避（在底部采用的四個(gè)麥克納姆輪，能夠提高機(jī)器人的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性，保護(hù)駕駛員與機(jī)器的安全），同時(shí)捕獲逃逸車(chē)輛信息提交至執(zhí)法平臺(tái)；若車(chē)輛未及時(shí)分流避讓?zhuān)霈F(xiàn)緊急狀況將發(fā)生碰撞，則觸發(fā)保護(hù)機(jī)制，安全氣囊迅速?gòu)棾霾C(jī)身，最大程度上減少機(jī)器人的損傷。

3.5 服務(wù)模塊

服務(wù)模塊針對(duì)市民和管理者兩類(lèi)使用對(duì)象，機(jī)身觸摸屏界面上設(shè)置有市民服務(wù)與管理者兩個(gè)入口。市民服務(wù)入口用于市民服務(wù)，包括一鍵報(bào)警等；管理者入口用于警務(wù)人員登錄；當(dāng)檢測(cè)到未佩戴口罩的人員時(shí)，機(jī)器人會(huì)打開(kāi)口罩儲(chǔ)物盒，市民自行取用。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人擁有智能化管理系統(tǒng)和總控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)目的在于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化。

4.1 智能化管理系統(tǒng)

智能化管理系統(tǒng)具體功能如下：

（1）機(jī)器人自檢功能：通過(guò)多組傳感器采集機(jī)身數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備需檢修時(shí)會(huì)自動(dòng)提醒交警并提供當(dāng)前位置坐標(biāo)，方便交警及時(shí)收回協(xié)警機(jī)器人。

（2）執(zhí)法記錄功能：機(jī)器人在巡檢過(guò)程中會(huì)記錄周邊突發(fā)的事故，系統(tǒng)也會(huì)在第一時(shí)間接收到數(shù)據(jù)，警察在執(zhí)法過(guò)程中，機(jī)器人能在疏散事故周邊人群的同時(shí)記錄下警察執(zhí)法的全過(guò)程，將記錄上傳至APP 執(zhí)法記錄中心，方便警察隨時(shí)調(diào)用。

（3）一鍵報(bào)警功能：機(jī)器人在巡檢過(guò)程中遇到市民求助，機(jī)身內(nèi)置北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)會(huì)將求助人員的實(shí)時(shí)位置傳輸給系統(tǒng)，使距離報(bào)警點(diǎn)最近的警察能快速定位求助者的位置，高效處理事務(wù)。

（4）酒駕檢測(cè)：系統(tǒng)與設(shè)備之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊相連接，機(jī)器人在執(zhí)勤過(guò)程中實(shí)時(shí)將測(cè)得的酒駕數(shù)據(jù)上傳至檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)交警也可實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前被檢人員的酒精測(cè)量值，若被測(cè)駕駛員二次及以上酒駕被查處，系統(tǒng)在記錄中將該人員名單標(biāo)紅，便于交警更有力地處理此類(lèi)惡性事件。

（5）防疫巡檢：在人群密集區(qū)域進(jìn)行巡檢，測(cè)量到溫度異常的人員，控制中心會(huì)將該人員信息上傳給防疫檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)通知附近警察及時(shí)處理，同時(shí)機(jī)器人也會(huì)提醒該區(qū)域附近未帶口罩的市民帶好口罩。

4.2 總控系統(tǒng)

協(xié)警機(jī)器人總控系統(tǒng)用作整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要用于處理語(yǔ)音數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)信息，而C51 單片機(jī)作為系統(tǒng)的信息執(zhí)行控制單元，控制協(xié)警機(jī)器人的動(dòng)作，如圖4 所示。

圖4 總控系統(tǒng)控制流程圖

協(xié)警機(jī)器人在初始位置后，指揮交警可通過(guò)語(yǔ)音方式發(fā)布云端指令信息。指令包括“定點(diǎn)移動(dòng)”“轉(zhuǎn)換巡查區(qū)域”“原地警戒”等。機(jī)器人借助上機(jī)身上的計(jì)算機(jī)裝置和無(wú)線(xiàn)傳輸芯片接收交警云端指令，這些指令通過(guò)“協(xié)警機(jī)器人總控系統(tǒng)”進(jìn)行編譯和自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別及信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；同時(shí)“協(xié)警機(jī)器人總控系統(tǒng)”還可以進(jìn)行同步定位和地圖規(guī)劃，從而精確定位機(jī)器人所在方位，這些信息作為單片機(jī)的輸入驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，從而控制下機(jī)身驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在指定巡航區(qū)域進(jìn)行自主巡航。自主巡航過(guò)程中由“協(xié)警機(jī)器人總控系統(tǒng)”收集并統(tǒng)計(jì)“酒駕頻發(fā)區(qū)”、“人群溫度異常區(qū)”和“交通事故高發(fā)路段”等熱點(diǎn)信息地圖，進(jìn)而輔助交警工作規(guī)劃。

在接收到控制信息后，上機(jī)身會(huì)將收到的指令通過(guò)傳輸線(xiàn)傳輸至下機(jī)身，驅(qū)動(dòng)部分收到控制信號(hào)后并作出相應(yīng)的動(dòng)作。在自主巡航等工作狀態(tài)下，機(jī)器人到達(dá)指定工作區(qū)域后執(zhí)行上機(jī)身中預(yù)設(shè)程序，在執(zhí)行過(guò)程中參數(shù)即時(shí)反饋給主控芯片，若反饋的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常主控芯片會(huì)執(zhí)行警告程序，并中斷所有的運(yùn)行，以保障人與機(jī)器人的安全。

協(xié)警機(jī)器人同步搭載了自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)（ASR）和同步定位與地圖繪制（SLAM）技術(shù)。機(jī)器人語(yǔ)音識(shí)別的最終目的是將人類(lèi)語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)口述語(yǔ)言中包含的要求或詢(xún)問(wèn)做出正確的動(dòng)作反應(yīng)或語(yǔ)言反應(yīng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能，而使用SLAM 技術(shù)旨在解決機(jī)器人在未知環(huán)境中運(yùn)行時(shí)即時(shí)定位與地圖構(gòu)建的問(wèn)題，使機(jī)器人在接收動(dòng)作指令后移動(dòng)更加準(zhǔn)確。

云端智能管理系統(tǒng)，其負(fù)責(zé)接受機(jī)器人每日上傳的數(shù)據(jù)，對(duì)酒駕頻發(fā)區(qū)、人群溫度異常區(qū)、交通事故高發(fā)路段進(jìn)行計(jì)算繪制成平面地圖，以通俗易懂的形式呈現(xiàn)給交警。交警通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)可以及時(shí)解決該段道路存在的問(wèn)題。

5 結(jié)論

科技發(fā)展和不斷更新的社會(huì)需求正在助推智能化設(shè)備及技術(shù)的快速發(fā)展，而交通是智能化技術(shù)發(fā)展的前沿陣地。國(guó)家汽車(chē)保有量的激增使交警執(zhí)勤面臨重大考驗(yàn)，協(xié)警機(jī)器人有助于緩解交通執(zhí)勤壓力，促進(jìn)便民服務(wù)和社會(huì)交通良性發(fā)展。本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了智慧協(xié)警機(jī)器人的初步方案，有結(jié)構(gòu)功能和實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景上做了有益的探索，為協(xié)警機(jī)器人技術(shù)發(fā)展提供了參考。