智能臥式雙筒噴霧機器人

陳祥，李傳龍，劉昊，曹蘇群

（淮陰工學院，江蘇淮安 223000）

0 引言

在目前的消毒工作中，采用人工消毒的方式最為普遍。但有些消毒試劑對人體有著很大的危害，例如華興消毒液多是二氧化氯消毒劑，氯劑消毒產品主要是有一定的皮膚黏膜刺激性，揮發物質可能含有氯離子，刺激呼吸道。長期吸入會造成呼吸道慢性刺激、慢性炎癥等癥狀。對于人體長期處在這種環境中，防護設備不能做到完全防護，不利于人體健康。

室內空氣消毒的目的在于消除或殺滅存在于空氣中的各種微生物，如能使人患上流感的流感病毒、患上結核病的結核桿菌等，以預防由于空氣的媒介作用引起的各種呼吸道傳染病。由于新冠疫情的爆發，室內消毒更是尤為必要。

公共場所人員密集且流動性大，各種傳染性病源更加集中，給室內室外消毒對防止病毒傳播的抑制顯得尤其重要，對消毒的范圍和程度也需要進行嚴格的把控[1]。因此研究噴灑技術來解決上述問題會成為未來趨勢。

1 需求分析與功能設計

1.1 需求分析

要求智能噴霧機器人能夠實現對室內環境各個地方的消毒滅菌，極大地提高了工作人員的便利及安全程度，通過遠程操控機器人，既避免了工作人員與病毒之間的接觸，也避免了消毒液體對人體的傷害，而且對噴霧的智能化大大提高了噴霧的徹底性，也減少了試劑的浪費。因此智能噴霧機器人滿足當代的使用需求。

1.2 功能設計

為了實現智能噴霧機器人的功能，本設計方案采用基于雙目測距的噴霧設備的設計方式。利用攝像裝置代替工作人員的眼睛，對室內的情況進行監控，從而進行操作。為了讓機器人更好地行動，底座加了萬向輪以更好地控制方向。采用紅外遙控的方式來控制機器的行走。

2 硬件組成

2.1 噴霧設備

該機器人的噴霧設備采用的是兩個炮筒式噴霧機，安裝在底座的固定支柱上，炮筒式噴霧機的外側固定有外殼，和底部固定連接有二維萬向節，二維萬向節的底部與固定支柱的頂部采用螺栓連接固定，在固定支柱的中間固定安裝有一個雙目攝像頭，如圖1所示。二維萬向節可以實現噴筒的多角度調節，實現噴筒上下120°、左右360°的調節，能夠適應各種不同的室內環境。

圖1 噴霧設備

噴霧風機是根據風送原理，先將水通過高壓泵加壓，然后通過微細霧化噴嘴將水霧化，再利用風機將霧化后的水霧送到較遠距離，使得水霧到達較遠距離同時能覆蓋更大的面積，水霧與粉塵凝結后降落，霧化后的消毒劑對空氣中的細菌起到消殺作用。很多工作場所過去的治理方法是用水霧噴淋，但是覆蓋面積小、用水量大等問題導致水霧噴淋的治理效果不盡如人意。本噴霧設備可以通過雙目測距控制距離和噴霧的力度大小，噴霧距離可以達到2～5 m，能夠很好地適應普通房間或者高樓層的會客廳之類的房間，可達到理想的消毒效果。

2.2 核心技術

本機器人核心技術是采用雙目測距控制噴霧距離，噴霧機器人在噴霧的過程中可以實時輸出距離參數從而控制噴霧力度的大小[2-5]。傳統的雙目測距還需要手動選擇被測物體的測距點得到對應的距離，所以傳統的方法需要進行改進，左右攝像頭可以合作完成測距，雙目測距在左攝像頭功能的基礎上完成。

2.3 底座部分

機器人底座的兩側設置有滾輪，位于電氣箱與底座之間固定安裝有兩個電動機，如圖2所示。電動機的兩個驅動模塊分別與PLC控制模塊連接，PLC控制模塊采用iMX6ull，通過各通道PWM信號與信號接收模塊連接。底座上安裝有水泵，水泵的個數與噴霧設備的個數相對應；多個水泵采用并聯設計，水泵的出水管分別與各個噴霧設備的進水口連接，如圖3所示。

圖2 驅動部分

圖3 底座部分

2.4 控制設備

該機器人通過2.4G遙控器控制霧化器、風機的運轉和機器人的前進后退及轉向。遙控器上總共有3個控制按鈕，如圖4所示，頂部的開關是控制噴霧機里的霧化器及風機的運轉，左搖桿調整機器人的轉向，右搖桿調整機器人的前進后退，機器人的轉向則是由兩電動機差速來調整的，當調節轉向搖桿向右轉向時，左輪電動機輸出電壓增高，右輪輸出電壓減小，這樣就會形成左輪速度對比右輪速度更快，機器人實現右轉。

圖4 遙控器

3 智能噴霧控制方法

3.1 工作原理

智能臥式雙筒噴霧機器人能夠滿足工作人員對區域環境的消毒需求。智能噴霧機器人主要分為2個部分。第一部分是機體，主要由2.4G遙控器控制機器人的運行及工作，按下機器人電源開關，遙控器傳輸信號給PLC控制模塊，PLC控制模塊接收到信號后啟動水泵、霧化器及驅動模塊，機器人開始工作。第二部分是智能噴霧控制，主要通過雙目攝像頭測得機體與目標點之間的距離，得到噴霧風機與測得距離之間的邏輯關系來智能調節噴霧距離。當噴霧工作完畢后，通過2.4G遙控器發送信號停止機器人的運行及噴霧，關閉機器人電源即可。系統框架圖如圖5所示。

圖5 系統框架圖

3.2 操作步驟

基于該噴霧控制方法，具體操作步驟如下：

步驟一：安裝雙目相機和系統，并將系統初始化，建立雙目標定系統。

步驟二：對雙目相機拍攝的圖片進行采集，再采用匹配算法進行立體匹配；得到匹配點的三維信息。

步驟三：根據計算得到的三維信息，控制噴霧機器人中霧化器的噴灑距離和出水強度。

3.3 實現方法

對于步驟一所述的雙目系統，首先通過反復實驗獲得出水口噴水距離與控制電壓、電流或壓力的關系，擬合為線性關系的表達式為

式中：y為控制電壓、電流或壓力；x為噴水距離；k和b為線性參數。

采集雙目系統視野范圍內的棋盤格圖像，采用的圖像不小于3幅；使用標定軟件分別提取角點、計算左右攝像機的內、外參數；根據對應圖像的內、外參數，計算攝像機坐標系的外參數；測量出水口與相機之間的三維距離為（x0,y0,z0），則攝像機坐標系與出水口坐標系由于平行安裝，旋轉矩陣為E，平移向量為t0。

兩個攝像機標定出的雙目系統的內參數為：

兩個攝像機標定出的雙目系統的的外參數為R、t，其中R為兩個攝相機坐標系間的旋轉矩陣，t為兩個攝相機間的平移向量，若兩相機平行放置，則R=E=[1,0,0;0,1,0;0,0,1]。

對于步驟二所述的采用匹配算法對采集的圖像進行立體匹配，首先采用基于Harris特征的匹配算法進行立體匹配：首先提取Harris角點，在提取完特征后，對特征點進行描述，得到視差圖像對中待匹配的特征點集；在參考圖中選擇特征點P(x,y)，作為待匹配特征點，以此為中心點，選擇（2n+1）×（2m+1）的窗口，根據匹配規則在待匹配圖中搜索n個候選匹配點P1（x+dx,y+dy）；計算特征點P與待匹配點P1間的相似度，相似度最高的點匹配成功，重復完成整幅圖像特征點的匹配；匹配完成后，根據雙目系統內、外參數，計算匹配點的三維坐標；通過平移向量t0，將圖像坐標系的三維坐標轉換至出水口坐標系[6-9]。

對于步驟三所述的三維信息控制噴霧機器人中霧化器的噴灑距離和出水強度，首先對噴霧機器人中的噴灑口采用4×4控制點陣；其次將采集的圖片之間所重疊的區域，均勻劃分為4×4區域，并將圖形區域與控制點陣對應；計算各區域中相對于出水口坐標系的深度平均值，記為zi,i=1,2,…,16；水口噴水距離與控制電壓、控制電流或壓力的關系，將圖像矩陣中的距離zi代入，獲得每個噴水控制點的控制電壓或控制電流yi；從而實現控制噴霧機器人中霧化器的噴灑距離和出水強度。

3.4 可操作性分析

智能臥式雙筒噴霧機器人能夠多炮筒式多角度噴霧，可以實現更大范圍、更加全面的消毒；能夠代替人工實現室內室外的消毒操作，節約勞動力并且對工作人員起到保護作用[10]。

4 結語

針對公共場所需要消毒問題，本文設計了一種智能臥式雙筒噴霧機器人。用于解決保護勞動力安全等問題。在設備的運行過程中具有良好的穩定性，而且結構簡單、易操作。本文對已有技術分析的前提下，研究出新的解決方案以滿足功能需求，達到室內消毒、室外噴霧的要求。