基于深度學(xué)習(xí)算法的智能視覺(jué)環(huán)衛(wèi)小車(chē)設(shè)計(jì)

黃麗娟，劉小紅，唐啟濤，和振鵬，游喜濤，袁 練

（湖南信息學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410151)

1 設(shè)計(jì)總體模塊分析

設(shè)計(jì)一款智能環(huán)衛(wèi)小車(chē)，機(jī)器人按工作需要布設(shè)在城市樓宇的各個(gè)站點(diǎn)，于北斗導(dǎo)航下在規(guī)劃路線(xiàn)進(jìn)行巡回式和用戶(hù)呼叫式（手機(jī)APP）工作，并通過(guò)SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)控管理，通過(guò)紅外光幕與機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行辨識(shí)目標(biāo)和動(dòng)作。其所需要的主要技術(shù)分析如下。

機(jī)器的控制系統(tǒng)（CS）：控制機(jī)器人的動(dòng)力、吸盤(pán)機(jī)械爪動(dòng)作、LED，本設(shè)計(jì)采用B&R X90嵌入式移動(dòng)控制器，可滿(mǎn)足性能要求。

機(jī)器導(dǎo)航指引系統(tǒng)：本設(shè)計(jì)采用北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)為整個(gè)機(jī)器提供實(shí)時(shí)位置信息和導(dǎo)航路線(xiàn)規(guī)劃，依托北斗定位精準(zhǔn)、全球組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的實(shí)時(shí)導(dǎo)航規(guī)劃與實(shí)時(shí)追蹤。

機(jī)器的視覺(jué)系統(tǒng)：其要實(shí)現(xiàn)的是辨別物體發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并與工作圖像數(shù)據(jù)庫(kù)較比，確認(rèn)發(fā)現(xiàn)信號(hào)給CS，CS驅(qū)動(dòng)方向盤(pán)控制或動(dòng)力機(jī)及吸盤(pán)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行。此技術(shù)也在逐漸成熟，而本應(yīng)用方案已經(jīng)和行深智能進(jìn)行了校內(nèi)小車(chē)試驗(yàn)運(yùn)行。

工作執(zhí)行系統(tǒng)：本機(jī)器要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)區(qū)域衛(wèi)生的護(hù)潔，本設(shè)計(jì)采取吸盤(pán)與機(jī)械爪輔以動(dòng)刷，從重量、體積、面積三大維度全方位進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行，采用氣壓驅(qū)動(dòng)，氣壓機(jī)構(gòu)便捷、清潔、簡(jiǎn)單、高效非常適合作為該機(jī)器臂的驅(qū)動(dòng)。

集中在線(xiàn)管理：此模塊是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在本項(xiàng)目具體應(yīng)用，具體實(shí)現(xiàn)是通過(guò)SCADA人機(jī)界面軟件、網(wǎng)關(guān)、DHCP服務(wù)實(shí)現(xiàn)，本功能已通過(guò)測(cè)試論證。

能源系統(tǒng)：采用DC 45V分別作為動(dòng)力電機(jī)、氣壓泵、指示燈等設(shè)備供電，此方案已在電動(dòng)車(chē)上得到廣泛應(yīng)用[1]。

2 機(jī)器功能要求及整體介紹

機(jī)器要求能夠自我決策或接受指令進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)、目標(biāo)捕捉兩大主模功能；而采取的布放模式是定點(diǎn)布放，即以一駐留點(diǎn)作為機(jī)器人的停放充能維護(hù)基站，機(jī)器人以此基站為基礎(chǔ)，為限定工作區(qū)域提供服務(wù)，工作時(shí)間結(jié)束后，機(jī)器人返回駐點(diǎn)[2]。而空間運(yùn)動(dòng)指的是機(jī)器人能夠自動(dòng)地從基站到服務(wù)區(qū)以及服務(wù)區(qū)之間的移動(dòng)，而目標(biāo)捕捉指的是機(jī)器人對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別并通過(guò)收攏裝置將目標(biāo)垃圾回收。而要實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)就要有定位導(dǎo)航、路徑規(guī)劃、障礙躲避、動(dòng)力輸出等模塊，而要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)捕捉則需要目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)抓取、目標(biāo)壓縮封箱等模塊。而機(jī)器人實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)北斗定位導(dǎo)航、紅外掃描AI視覺(jué)等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡、地址導(dǎo)航、通信傳輸、目標(biāo)判斷、自動(dòng)辨別、準(zhǔn)確規(guī)避障礙和防危險(xiǎn)跌落等功能。最終實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)自動(dòng)清掃地面垃圾，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行規(guī)避，并借助機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行智能檢測(cè)分析目標(biāo)。

3 主要功能實(shí)現(xiàn)和分析

電機(jī)動(dòng)作系統(tǒng)根據(jù)小車(chē)要達(dá)到的運(yùn)動(dòng)控制功能，可知系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、吸盤(pán)、方向控制、氣壓泵、伸縮氣和抓手氣壓閥。傳感檢測(cè)將采取AI集成視覺(jué)，通過(guò)采取多核處理器和集成的FPGA圖像預(yù)處理實(shí)現(xiàn)多功能的智能對(duì)比校核識(shí)別。對(duì)前進(jìn)路線(xiàn)障礙與目標(biāo)識(shí)取采用紅外光幕+AI機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)，智能傳感通過(guò)紅外光幕獲取目標(biāo)通過(guò)智能視覺(jué)對(duì)比對(duì)象并與機(jī)器庫(kù)中的歷史對(duì)象對(duì)比，判斷目標(biāo)是否為清掃對(duì)象。吸盤(pán)與機(jī)器爪驅(qū)動(dòng)收攏采取吸盤(pán)、機(jī)械爪二元制拾取垃圾，即輕小垃圾通過(guò)吸盤(pán)吸取，同時(shí)吸盤(pán)頂部裝取三爪機(jī)器手對(duì)較大較重的垃圾進(jìn)行抓取收攏。正常狀態(tài)機(jī)器是被布置在設(shè)定區(qū)域，采取根據(jù)定義規(guī)劃區(qū)域巡回運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)追蹤定位，實(shí)時(shí)檢測(cè)與反饋機(jī)體運(yùn)行狀態(tài)信息。設(shè)計(jì)機(jī)器系統(tǒng)采取人機(jī)界面（HMI）/數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程集中在線(xiàn)管理，即通過(guò)SCADA系統(tǒng)集中監(jiān)控管理區(qū)域的各個(gè)工作機(jī)器的工作狀態(tài)、運(yùn)行狀況、機(jī)身各部的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各工作機(jī)器的實(shí)時(shí)跟蹤管理、實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢故運(yùn)維、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)規(guī)劃和診斷。5G高速網(wǎng)絡(luò)正是構(gòu)建智能運(yùn)動(dòng)設(shè)備生態(tài)圈的肥沃土壤，有了5G的加持，智能小車(chē)等設(shè)備在中央大腦的指揮調(diào)度下進(jìn)行智能人機(jī)協(xié)作，完成工作任務(wù)，創(chuàng)造綠色智慧時(shí)代[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

5G、AI、物聯(lián)網(wǎng)等各種技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步必將促進(jìn)新一輪產(chǎn)業(yè)升級(jí)，將機(jī)器人、5G、AI視覺(jué)等智能技術(shù)相結(jié)合，能為社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步賦能。將數(shù)字產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，正是工業(yè)自動(dòng)化向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需要，工業(yè)4.0的兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)別技術(shù)模式就是智能和物聯(lián)，即使工業(yè)更加的智能和高效，同時(shí)充分調(diào)動(dòng)分布于各地統(tǒng)一的資源的交換和運(yùn)用。而中國(guó)2025的核心正是智能制造，亦生產(chǎn)控制逐步走向智能化、數(shù)字化。5G等新興技術(shù)正為這些需要提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，通過(guò)5G的實(shí)時(shí)響應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程異地?cái)?shù)據(jù)信息資源的共享和管理。