家庭環衛系統的設計

孫宇揚 陳舉旺 單志超

摘要：隨著生活質量的提高，機器人在百姓家的普及率越來越高。但傳統的機器人功能單一，泛用性不高，不同的生活需求需要數個機器人實現，對家庭空間和經濟狀況都有一定的負擔，這也成為了機器人推廣困難的一大重要原因。

針對上述情況，本文設計了一款多用途的家庭環衛機器人。機器人能夠同時滿足搬運重物、抓取物品、遠程監控的等不同方面的需求，并且有比較高的精度確定，能夠高效完成操作任務。并且采用人工智能，可以實現家庭清潔的功能。在實現家居智能化需求的同時也減少不必要資源浪費與家庭空間的占用。

關鍵詞：家庭環衛;節約高效;智能控制

1、緒論

1.1現狀

一提起機器人，很多人會認為它們距離我們的生活還很遙遠。其實，機器人時代已經拉開序幕。但是家用機器人的發展仍受到了許多技術的限制，另一方面，我們國內機器人產業雖然很熱，但85%的產品還是依賴進口，國內的機器人絕大部分處于中低端，僅能實現單一功能，想要實現多種功能就需要購買不同的機器人，對家庭空間和經濟狀況都有一定的負擔。

1.2存在的問題及對策

目前市面上的機器人功能模式相對單一，靈活性不高，行動遲緩，不能有效的監控家中情況，也不能快捷有效的傳遞信息。

家庭環衛機器人是面向家庭的服務機器人。機器人先利用兩個攝像頭和GPS全方位的觀測環境，然后利用匿名上位機的信息傳輸通信協議，讓用戶掌握機器人所屬環境，用戶可以利用上位機設置機器人的工作模式，目前有三種工作模式，全自動模式，半自動模式，遙控模式，同時攝像頭會把自己所拍攝到的景象進行保存，機器人處理垃圾時，CPU計算型云服務器能夠提供非常高速的圖像處理能力，在服務器的機器人程序中引用open CV圖像處理API，谷歌地圖接口，為機器人進行垃圾分類，提供圖像處理和路線規劃工作提供幫助，在機器人智能感知方面，同時，相較于普通的掃地機器人，家庭環衛機器人使用機械臂，可以對房間角落等進行高效的清潔，也可以進行端水抬重物等簡單操作，設計完整的機器人視覺感知系統，打造微傳感、高智能化的感控一體的芯片是十分重要的發展方向，其中也有諸多的工作要做。機器人除了智能感知和智能控制，還需要穩定有效的關節，機器人關節是其執行機構的關鍵部件。因此，機器人的打掃衛生使用六軸機械臂，機械手，機器人的前半身和后半身通過聯軸器連接，利用云臺給機械臂提供底座，配合機械臂完成動作。

2、系統整理方案設計

2.1設計出實際可行的智能環衛機器人遵循以下幾條原則：

（1）能夠準確無誤的完成好清掃功能。

（2）各項器件能夠正常運行。

（3）有快捷高效的信息傳輸能力。

（4）智能環衛機器人操作簡單易懂。

2.2系統結構

系統主要包括上位機、云服務器、GPS、攝像頭、聯軸器、云臺、機械手、機械臂、雷達傳感器等。

2.2.1信息采集與傳輸系統

利用攝像頭和GPS對機器人所處環境信息進行采集，利用上位機的信息傳輸通信協議將測得的數據上傳。

2.2.2上位機系統

遠程同步機器人群體的實時地圖位置分布情況及所處環境的雷達和攝像頭圖像。讓用戶能夠分別從第一和第三視角更加及時，全面的掌握機器人所處環境信息，實施遠程遙控。

2.2.3云服務器系統

選用GPU計算型云服務器對垃圾進行智能分類，同時為機器人規劃行動路線。

2.2.4儲存系統

儲存攝像頭原始數據，以便調用。

2.3模塊設計方案

2.3.1信息采集系統

機器人前后安裝兩個攝像頭可以360度旋轉，全方位地觀測周圍環境，提高工作效率。GPS是集成了RF射頻芯片、基帶芯片和核心CPU，并加上相關外圍電路而組成的一個集成電路。GPS和攝像頭信息采集三個方面，利用現有的雷達傳感器，GPS模塊和攝像頭模塊分別對機器人周圍環境的雷達信息，地圖位置信息以及圖像信息進行采集。

2.3.2信息傳遞系統

信息傳輸，考慮到我們的所要傳輸的信息量較大，存在信息的丟失風險（影響機器人系統的正常運行），我們決定借鑒匿名上位機的信息傳輸通信協議，協議如下：我們會將所要傳輸的數據以幀為單位分為幀頭，數據發送源，數據目的地，數據功能字，數據長度，數據還有SUM校驗對數據進行傳輸。

2.3.3上位機系統

實時地圖位置讓用戶能夠及時掌握機器人所處環境信息，進行網上遙控。上位機可以直接向計算機發出操控命令，可以通過上位機來設置機器人的工作模式。目前預定的工作模式有三種：

a）：全自動模式，在無人進行遠程操控時，可以設置該模式，機器人系統將自動為機器人分配清潔任務并自動進行路線規劃。

b）：半自動模式，用戶可通過上位機對機器人發布將要執行的任務指令，機器人再對任務指令進行解析并執行。

c）：遙控模式，用戶可以通過上位機對機器人的運動細節進行更見精密的掌控，以實現機器人的附加功能。

2.3.4云服務器系統

由于我們的機器人在運行時會執行大量的圖像處理工作（垃圾識別，垃圾分類等），所以我們決定選用GPU計算型云服務器，能夠為我們提供更快更強的圖像處理功能。我們會在服務器上的機器人服務程序中引入OpenCV圖像處理的API，Google地圖接口，為機器人提供圖像處理和路線規劃工作。

2.3.5儲存系統

首先，選用SD卡進行數據儲存備份，將原始數據儲存到SD卡中。通過移植FATFS文件系統，當SD卡 沒有剩余空間可以繼續寫入時，使用FLSEEK函數，對之前的數據進行循環覆蓋，即按照時間順序，將新數據寫入，將最早的數據進行覆蓋，循環如此，需要查看卡內數據時，則將原始數據取出，進行處理，得到視頻文件。

3結論

本項目的研究背景是根據市面上機器人的銷售情況和用戶的反饋情況，市面上廣泛流通的掃地機器人并不能夠完全滿足用戶的需求，如果購買幾個機器人來滿足自己日常的生活需求，這些機器人重復的功能還會造成資源浪費，不但占據家庭不小的空間，還會為家庭造成不必要的經濟負擔。

家庭環衛機器人不但高智能化，還有多種功能，滿足日常生活的所有基本需求，為家庭提供便利，還在最大程度上節約資源，減輕了家庭負擔。

參考文獻

[1]智能家庭服務機器人設計[J].李欣原，聶子杰.2021（02）

[2]賈寧.基于雙目視覺的家庭機器人的目標識別與檢測[J].現代電子技術，2017，40（23）

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃（項目號 202010201032）資助項