基于視覺的公共區域管理與機器人服務系統

樊小凱 薛錦茹 馮婧媛 葉宏慶

（華北理工大學人工智能學院 河北省唐山市 063210）

基于視覺的公共區域管理與機器人服務系統是一款集監測、提醒、引導、送物等功能于一體的智能系統，它結合已經基本成熟的巡邏機器人技術，通過攝像頭識別場景中的對象和周圍情況，做出合理分析并為機器人提供相應指令。

1 設計思路

基于視覺的公共區域管理與機器人服務系統主要由三部分組成，分別是視覺識別定位系統、地面機器人和上位機。整體設計如圖1 所示。

視覺識別定位系統通過在應用場景架設工業相機，通過工業相機獲取圖像，識別當前場中人員，找出當前場地中需要提醒的目標，如未帶口罩人員和做出特殊手勢需要服務的人員。通過固定的工業相機、激光雷達、碼盤、陀螺儀等多種傳感器的數據估計機器人當前位置，通過路徑規劃算法規劃最優路線，為機器人發送具體的移動指令，控制機器人接近目標，向被提醒目標傳遞信息。

地面巡邏機器人搭配麥克納姆輪結構，能夠實現靈活的全向移動，并且保證在狹窄通道和凹凸地面的通過性[1]。搭載激光雷達，提前導入地圖智能規劃路線，并依據現場反饋微調路線，從而避免與建筑或其他障礙物發生碰撞。通訊方式采用Wi-Fi 的方式收發信息，適用范圍廣闊。配備遙控控制模式和小型載物臺，方便使用者控制移動和小物件的運輸。

上位機主要作為機器人和工業相機的上級單位控制，管理人員能夠從上位機獲得機器人或工業相機的狀態、視角以及控制權。如果機器人判斷自身出現了難以處理的問題則可以向上位機發送人工接管控制權的請求，由管理人員來處理。同時，機器人等下級設備的日常運行情況，程序運行狀況等都會實時的發送到上位機，由上位機記錄下來。

2 結構設計

基于視覺的公共區域管理與機器人服務系統整體結構設計如圖2 所示。

2.1 底盤結構

底盤整體采用鋁制結構，在保證強度的前提下避免重量過高，應用麥克納姆輪和懸掛系統，每顆麥輪由一顆3508 減速電機實時驅動，實現全向移動保證移動靈活，懸掛系統采用橋式獨立懸掛，可以在地磚路面、水泥路面等平穩行駛，懸掛零件采用cnc 工藝，保證了機器人的整體性、穩定性。底盤結構如圖3 所示。

2.2 口罩遞送結構

圖1：整體設計

圖2：整體結構設計

圖3：底盤機構

圖4：口罩遞送結構

圖5：識別目標

圖6：激光雷達建圖

圖7：路徑規劃

口罩遞送結構是由一枚2006 減速電機為動力，通過同步帶傳動，完成揮臂的動作。機械臂到達口罩盒處，按壓口罩盒里的口罩，同時壓力傳感器檢測按壓的力度，到達一定的壓力后，口罩會附著在機械臂上的無菌毛氈上，完成抓取。口罩遞送結構設計如圖4 所示。

3 程序設計

3.1 視覺識別算法

場景中的工業相機實時獲取場景中的畫面，通過神經網絡以及視覺算法選擇符合要求的目標（如未帶口罩，招手示意等），結合攝像頭的位置，通過坐標轉換計算出目標所在的位置，發送信息給機器人路徑規劃和導航的程序部分。識別人臉是否佩戴口罩、不同手勢的實際效果如圖5 所示[2]。

3.2 機器人定位算法

機器人獲得激光雷達和下位機提供的實時機器人運行速度等參數后通過AMCL(adaptive Monte Carlo Localization)自適應蒙特卡洛定位，擴展卡爾曼濾波定位，坐標轉換等算法結合預先載入的地圖估計出機器人當前的位置，為機器人的巡邏提供實時位置和路徑規劃提供準確的起點[3]。激光雷達建圖效果如圖6 所示。

3.3 機器人導航算法

接收視覺定位系統和機器人定位系統計算得到的坐標信息，如有多個目標則先通過算法為目標分配優先級，再結合超聲波雷達和激光雷達等傳感器通過規劃算法例如A*、D*、RRT、RPM 等算法獲得最優的路徑，計算速度控制信息并發送給運動控制單元[4]。路徑規劃效果展示圖如圖7 所示。

4 結束語

基于視覺的公共區域管理與機器人服務系統融合機械設計制造及其自動化、電子科學、圖像識別、SLAM、通信等技術，自動化和智能化程度較高，能夠實現監測、提醒、引導、送物等功能，有效的減輕了管理人員在監管工作中的壓力，同時降低了被感染的風險，具有很高的應用價值和前景。