鞏師洋，封天顏，王乘云，趙佳冉，張嘉儀，趙堂學，盧錫升

（新疆理工學院 新疆 阿克蘇 843100）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，越來越多的機器人應用到公共衛(wèi)生領域中，不僅能夠代替人工完成一些危險、高強度、高負荷工作，還能讓工作人員更加安全、便捷地進行消殺工作?；跈C器人操作系統(tǒng)（robot operating system，ROS）設計一款全地形智能彌霧消殺機器人，實現在室內環(huán)境下進行高效消殺作業(yè)。 該機器人不僅可以自由移動，還可以實現自主導航定位和自主避障功能［1-2］。

1 系統(tǒng)結構

本設計中使用的是Jetson Nano 主控板，它是一款低功耗人工智能計算板，具有以下特點：①性能。 集成4 核Arm Cortex-A57 CPU 和128 核NVIDIA Maxwell GPU，支持CUDA-X AI 加速庫，性能強勁；②更低的功耗。 功耗只有5w 左右，比傳統(tǒng)的機器人或無人機計算機要低很多；③同時有多樣的I/O 接口。 擁有各種接口，包括高清晰度多媒體接口、USB3.0、千兆網口以及通用型輸入輸出接口；④易于使用。 支持JetPack SDK，可輕松安裝并驅動NVIDIA Jetson Nano，并提供開發(fā)者示例應用程序和工具；⑤適應多種應用場景。 由于其優(yōu)秀的性能和低功耗，適用于各種邊緣計算應用，如機器人、智能家居和嵌入式系統(tǒng)。見圖1。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 硬件設計

顯示屏模塊與JETSON NANO 主控板的串口3 相連；XR-Lidar S1 雷達與串口2 相連；同時電源板連接供電電池和主控板，GY-85°九軸陀螺儀插入主控板的插口，1080P 高清攝像頭連到主控板的串口1。 Nano 網卡插入Jetson Nano 主控板中。

2.1 Jetson Nano 主控板

圖2為主控板，其強大的性能包括：集成4 核Arm Cortex-A57 CPU 和128 核NVIDIA Maxwell GPU，支持CUDA-X AI 加速庫，性能強勁。 低功耗：功耗5 W 左右，比傳統(tǒng)的機器人或無人機計算機要低很多。 多樣的I/O接口：擁有各種接口，包括1 個USB TypeA 端口，支持USB2.0、USB3.0 信號，提供1A 輸出電流，1 個USB TypeA端口，僅支持USB2.0 信號，提供1A 輸出電流；1 個Micro USB 端口，支持USB host 和USB device 模式，提供1A 輸出電流。

圖2 主控板實物圖

2.2 GY-85 九軸陀螺儀

GY-85 是一款集成了加速度計、陀螺儀和磁場傳感器的九軸傳感器模塊（如圖3 所示）。 在三軸陀螺儀中，只有重力傳感器或者加速度傳感器，只有三軸；六軸陀螺儀中，除了重力傳感器還有加速度傳感器兩個傳感器，總共六軸；九軸陀螺儀中再加上磁力計，總共九軸。 GY-85九軸陀螺儀的特點包括高精度測量、多種通信協議支持、應用廣泛和價格實惠等。

圖3 機器人陀螺儀實物

2.3 Jetson Nano AC8265 網卡

Jetson Nano AC8265 網卡是目前市場上最小的一種網卡（如圖4 所示），其特點是：①小巧便攜。 Nano 網卡尺寸小，類似于USB 轉接頭，便于攜帶。 ②低功耗。 由于體積小，Nano 網卡的耗電量也低，這使得它適合在需要低功耗的設備上使用。 ③高速傳輸。 Nano 網卡支持的傳輸速度比較高，像USB3.0 的Nano 網卡能夠達到5Gbps 的傳輸速度。 ④兼容性好。 Nano 網卡一般采用USB 接口，能夠兼容絕大多數設備，比如臺式機、筆記本、路由器等。 ⑤安裝簡單。 Nano 網卡無需安裝驅動程序或配置參數，只需將網絡線插入網卡，即可使用。 總之，Nano 網卡是一種小巧、低功耗、高速傳輸、兼容性好、安裝簡單的網卡，適合在需要低功耗和便攜使用的場合。

圖4 Jetson Nano AC8265 網卡圖

2.4 攝像模塊

采用1080P 攝像模塊，使用該模塊采集地形信息，相比通用的720P 像素密度更高：1080P 的分辨率是720P 的2 倍，能夠提供更高像素，從而獲得更好的細節(jié)和清晰度。這意味著觀看1080P 視頻時可以看到更多的細節(jié)和更真實的圖像［3-4］。 更高的幀率：1080P 視頻具有更高的幀率，可以在快速移動時提供更平滑的畫面。 特別適用于看體育比賽或其他需要跟隨快速運動的視頻內容。 由于它具有更高的分辨率和幀率，1080P 視頻文件通常比相同長度的720P 視頻文件更大，需要更大的內存空間。

2.5 PWM 舵機模塊

本設計驅動部分采用的是脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）算法控制的驅動電機，調速性能較好，且性價比高（如圖5 所示）。 小車采用兩后輪全部舵機控制，整體用履帶式結構，最大的特點就是驅動能力強。 履帶式設計可在復雜環(huán)境下自由行走，保證機器人在運行過程中的穩(wěn)定性和精確性，PWM 調速舵機可返回當前小車的速度值，實時控制小車的行走速度和方向。 速度控制直接決定道路行駛效率。 首先利用編碼器采集兩個驅動輪實際轉速并檢測方向轉動方向。 其次將兩個驅動輪的速度取平均得到車模當前實際速度，將當前速度與上一次速度帶入計算公式中計算當前速度控制PWM。 最后將本次速度記錄為上次速度［5］。 由于電機死區(qū)特性的存在，所以再加上測量的電機死區(qū)值彌補速度控制環(huán)輸出舵機。

圖5 PWM 舵機

2.6 電源電路

電源采用8400 mH 的可充電鋰電池，續(xù)航更持久且方便充電、成本低，電源通過電源控制電路后再用針腳連接到主控板的電源插口，為主控板提供12 V 的穩(wěn)定電壓。線性穩(wěn)壓芯片在穩(wěn)壓電壓電路中是不可或缺的核心器件。穩(wěn)壓電路的存在不單單是給小車系統(tǒng)提供了多種的電壓，抗擾特性上穩(wěn)壓電路也體現出了不俗的能力（如圖6 所示）。

圖6 電源電路實物圖

3 軟件設計

項目研究內容主要分為以下3 個部分。

（1）機器人定位導航系統(tǒng)

定位導航系統(tǒng)主要解決機器人對于自身運行環(huán)境的建模，制圖、自主定位以及全局路徑規(guī)劃、局部路徑規(guī)劃（如圖7 所示）。 使機器人具有環(huán)境建模以及自主移動的能力。 本項目中采用同時定位與地圖構建（simultaneous localization and mapping，SLAM）技術以及實時動態(tài)定位技術（real time kinematic，RTK）的結合解決機器人在結構化環(huán)境以及非結構化環(huán)境的定位導航［6］。 SLAM 框架主要分為以下部分：傳感器、視覺里程計、后端、閉環(huán)檢測、建圖。 在視覺SLAM 中，傳感器和視覺里程計被納入前端。

圖7 技術路線圖

（2）機器人移動執(zhí)行機構

移動執(zhí)行機構主要解決機器人在復雜、多樣環(huán)境下的移動能力，如：室內、室外、草地、土地等環(huán)境的平穩(wěn)運動，以及消殺時的環(huán)境分析能力等。 本項目中采用履帶式底盤能夠適應大部分地形的運動。

（3）消殺環(huán)境的識別與分析能力

通過紅外、視覺識別系統(tǒng)和激光雷達識別系統(tǒng)對周圍環(huán)境、人與動物的識別，以對應不同的消殺策略。

機器人平臺采用ubuntu＋ROS 的軟件開發(fā)平臺，基于開源機器人操作系統(tǒng)ROS 平臺所有代碼都開源，為開發(fā)提供極大的便利，機器人提供了三維仿真模型，基于Gazebo 的三維仿真為客戶開發(fā)機器人提供了極大的便利。

全地形智能消殺機器人是適應各種防疫消殺作業(yè)環(huán)境的新一代無人自動操作機械，采用履帶式底盤結構，由機器人移動底盤、藥箱裝置、噴霧裝置及控制終端等模塊構成。 在整個項目開發(fā)過程中，第一，進行機器人軟硬件系統(tǒng)方案設計；第二，實現機器人在實驗室環(huán)境下的路徑規(guī)劃、避障、環(huán)境二維地圖構建、智能噴霧等基礎功能軟件算法優(yōu)化；第三，根據機器人軟硬件系統(tǒng)方案設計試制機器人系統(tǒng)；第四，對機器人在實驗室環(huán)境下的工作狀況進行分析，優(yōu)化其軟件算法和硬件系統(tǒng)；第五，在真實環(huán)境下對機器人進行測試。 最后根據測試結果對軟硬件進行優(yōu)化、試制和定型［7］。

4 實物展示

本項目總任務是在對ROS 系統(tǒng)機器人定位導航系統(tǒng)、機器人移動執(zhí)行機構、機器人消殺環(huán)境的識別與分析能力的基礎上，開發(fā)一種能夠在無人干涉的條件下在多種地形中自動執(zhí)行環(huán)境消殺的智能型機器人（如圖8 所示）。 該款機器人采用ROS 平臺、履帶式底盤結構，由機器人移動底盤、藥箱裝置、噴霧裝置及控制終端等模塊構成，具有操控距離遠、穩(wěn)定性高、消殺范圍廣、環(huán)境適應性強等技術特點。

圖8 機器人實物

5 結論

通過對全地形智能彌霧消殺機器人的功能及原理的分析，研究人員進行了相關的模型設計與組裝工作。 硬件平臺的搭建需要設計合適的機械部分和軟件部分。 選擇的機械部分主要包含智能小車底盤、云臺、攝像頭、主控板、鍵盤、電機驅動等。 軟件部分主要負責運行系統(tǒng)和代碼、小車的運動控制。 使用基于ROS 系統(tǒng)已經可以實現通過手機軟件進行WiFi 控制。 通過手機軟件控制對周邊環(huán)境的掃描以及簡單建模，對路徑的自動規(guī)劃及導航，可有效避開障礙物。 小車的舵機及其履帶均可正常行駛，在進行地圖采集時，雷達運行一切正常，攝像模組部分取樣清晰，小車可以根據固定的路線進行建模，后續(xù)研究人員將在小車的載重方面繼續(xù)不斷完善。