基于北斗導航的疫情環境下的無接觸社區消毒機器人

柳明遠 陳安琪 彭莎莎 陳代祝

摘要：如今，全球疫情持續緊張，人類需要做好與病毒長期共存的準備。其中，社區環境消毒將是長期面對病毒時不可忽視的重點。然而傳統的人工消毒方法具有很多缺陷，在產生巨大的工作量的同時還不能夠保證全方位的消毒，這對于重大疫情的防控很是不利。本文將介紹一種以北斗導航技術為支撐，以機器視覺進行環境識別的無接觸社區殺毒機器人。該機器人通過北斗導航實現路徑優化以及自動巡航功能，并且利用攝像頭和超聲波精確識別需消毒區域，通過機械臂來對目標區域進行精準消毒，在實現無人接觸社區消毒的同時，滿足了重大災情下對于病毒防控的高指標要求。

關鍵詞：北斗導航，機器人，消毒，環境識別

1.緒論

隨著國內新冠疫情的逐步穩定，人與人間的社交趨于常態化，如何保證社交和生活環境的安全，以及如何繼續穩定疫情、防止反彈，已成為中國社會的新問題。對普通人工作、生活環境進行消毒無疑是保證生活環境安全極有效的方法之一，但工作生活環境又存在著面積大、死角多的難點，給消毒工作帶來很多麻煩。

對疫區環境進行消毒是醫護工作者重要工作之一，每天都需要重復，每天都有極大的工作量;并且醫護工作者在消毒過程中，也存在著被病毒感染、被消毒液腐蝕的風險。

自疫情爆發以來，新技術在公共醫療中的應用空間得到很大的提升。針對上述所提及的傳統人工消毒的缺陷，許多專家學者開始改革創新，許多新技術在這一方面開始應用。如何在醫務人員的手中接手消毒工作，同時最大程度地減少人的感染風險，實現對消毒過程和消毒結果的準確控制，已經成為人們思考的重要課題，消毒機器人將是一個關鍵的研究方向。

2.主要方案

消毒機器人以北斗導航技術為支撐，以機器視覺進行環境識別，通過多種方法以達到精準、科學消毒的目的。本項目采用以北斗導航為主要定位方式，加之信標定位、航跡推算定位等機器人常用的定位方法構成的多方面、高精度的綜合定位系統。通過攝像頭和安裝在舵機上的超聲波傳感器進行動態的避障識別，通過舵機的旋轉增加超聲波傳感器的探測范圍。采用履帶這一運動方式，更好地適應不同路況。通過采用機械臂等機械結構，獲得更大消毒范圍的同時獲得更精準的消毒效果。

3.關鍵技術

機器人的精準定位。以北斗導航定位為主，獲得機器人的經緯度位置信息。以航跡推算為輔，利用角加速度、運動速度等信息，通過航跡推算來輔助機器人定位。兩種定位方式相結合，綜合定位機器人在每個時間下的位置和姿態。

運動環境的識別。即便實現了精準定位，在機器人自主路徑巡航和尋找消毒地點的過程中，容易受到周圍環境的干擾。通過安裝在舵機上的超聲波傳感器進行動態的避障識別，通過舵機的旋轉增加超聲波傳感器的探測范圍，可以實現有效的障礙識別。使用攝像頭OV7725采集周圍環境圖像，使用機器視覺識別算法，將圖像進行處理后，可以識別路況與環境。

消毒區域的判斷。通過OpenMV采集環境信息，判斷是否需要進行消毒。對于固定的消毒區域，可采用識別AprilTag的方式，特定區域采用特定的AprilTag碼，達到更快更準確的識別判斷效果。

機器人的機械系統分為機械臂三軸移動平臺、底座運動機構以及消毒劑噴賽結構，這三者均由電機驅動模塊驅動。

工作流程概述：消毒機器人在接收到消毒任務后，通過導航定位分析出最優路線，并找到大致地點，途中對路況進行分析，遇到障礙自動避讓，到達指定地點對留下的信標進行識別，進行準確環境定位，攝像頭采集到的信息可實時上傳到相關人員的顯示終端，相關人員對地形是否具有操作困難，以及對當地區人流量等數據進行綜合分析選擇消毒模式，并判斷是否采取進一步行動。

4.方案實現

4.1實時定位

本項目采用組合導航的定位方法，也就是將相對定位和絕對定位兩種方法相結合。相對定位就是航跡推斷定位，是一種使用最廣泛的定為手段。使用編碼器測出輪子轉速，積分后獲得位移;通過陀螺儀測出車體轉向的角加速度，積分后可以獲得與航向與角速度的變化。

一般將移動機器人在地球表面的運動近似為在地平面上的二維運動，建立了以經度方向為X，緯度方向為Y的地理坐標系。航位推算移動機器人的工作原理是在機器人的起始位置加入位移矢量，隨時獲取機器人的位置和姿態。

北斗導航模塊對機器人自主巡航的控制邏輯：通過北斗定位獲得機器人運動過程中實時的經緯度坐標，與已知設定好的目標點坐標比對，計算出下一步運動應走的方向和粗略的路程。并且當實時坐標與規劃路徑產生偏差時，能夠及時糾正路徑偏差，實現機器人按照規定路線自主巡航至消毒目標進行消毒。

4.2環境識別

超聲波模塊與總鉆風攝像頭進行路況判斷。

超聲波避障：超聲波測距是利用超聲波的指向性強，傳播距離遠的特點，利用計時器記錄的時間和聲音在空氣中傳播的速度（340m/s）計算障礙物的距離。為了更好的識別周圍障礙，將超聲波固定在舵機上，使它可進行多角度檢測。舵機利用PWM波進行控制，以調節占空比進而控制舵機的角度。

總鉆風攝像頭圖傳判斷路況：圖像處理是將圖片投影到一個新的視平面，也稱作投影映射。通用的變換公式為：

u，v是原始圖片像素點對應的坐標，進行透視變換后的圖片坐標為X，Y，因為這里不涉及到z軸上的變化，整理可得公式：

采用OpenMV判斷與識別消毒環境。本項目采用可靠性高、適用環境廣泛的信標定位方法實現對消毒環境的定位。將AprilTag碼作為信標，可用于包括識別，定位和姿態校準等多種任務。AprilTag的基準設計和編碼系統基于近乎最佳的字典編碼系統，并且檢測軟件對照明條件和視角具有魯棒性。所以說使用AprilTag可以精確并穩定地定位消毒環境，且通過使用openmv攝像頭識別AprilTag以實現快速識別和調整機器人姿態的功能。

4.3運動平臺

考慮到面對各種環境都能有很好的適應與運動能力，本系統采用履帶運動的形式。

履帶速度控制利用PID控制器，使之在遇到突發狀況，需要改變速度時可以更穩定，更快速，更準確。由于增量式PID計算量少，控制增量的確定僅與最近3次的輸入量有關，增量式對電機的控制有一定的優勢，因此采用增量式PID。

轉向時，可通過控制兩側履帶的的牽引力，當用較大半徑轉向時，控制一側電機減小轉速，使這一側履帶牽引力減小，而另一側履帶牽引力相應增加，此時履帶的線速度如圖2箭頭所示，底盤就繞某回轉中心O轉向。轉彎半徑較小時，控制一側電機停車制動，使該側軌道速度為零，底盤繞內側履帶中心O1轉彎，其轉彎半徑等于軌道中心距離b，如圖2所示。

4.4消毒結構

考慮到噴灑殺毒劑的實際情況，噴灑量與噴灑精度都需要得到項目人員的準確控制。因此，本項目采用了一款臂長80cm的機械臂來達到效果。通過對調試過程中，舵機的扭力、臂長等參數的分析，本項目決定選用了MA86H步進電機驅動器搭配86BYG250H步進電機來控制該機械臂。在實際使用過程中，為了防止機械臂在運動到特定姿態時所需的電機轉矩過大，本項目采用了行星減速箱對步進電機進行減速控制。

5.應用前景

在醫療消毒方面，機器人有著非常廣闊的前景，并且在未來消毒機器人會隨著深度學習、運動控制、大數據技術，北斗導航等先進技術的應用，在功能和應用場景上將會進一步的提升和完善。快速部署和多方法復合消毒;根據不同區域實現定點分類消毒;優化消毒方式和移動路徑，減少消毒產品的浪費;實時監控產品流量，提高消毒效果;具有人體檢測功能，防止人身傷害;實現環境樣品回收，收集消毒區樣品，協助檢測人員快速判斷消毒結果;提高產品自身防護等級，可進入高輻射、高溫、高病菌場所開展作業;擴展產品著陸場景，并通過更換備件，在農田，果園和種田等生產場所實現藥物和水體的噴涂。

參考文獻

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