基于神经网络模糊PID的人工智能环保卫士“机器人”的设计与研究

贾如春

摘 要：基于神经网络模糊PID的智能环保卫士“机器人”采用数字图像处理技术的智能垃圾识别系统，通过CMOS数字图像传感器识别垃圾；以太网通信技术同Internet联网，实现双向互通；设计了斩波恒流细分步进电机驱动方案，驱动机器人拾取和回收目标垃圾；软件上采取了模糊PID算法，实现灵活的机器人控制；设计了最优化的垃圾搜寻路线确定算法，使机器人高效快捷地寻找目标垃圾。运用模糊PID算法的舵机系统控制电机驱动部分，采用步进电机对目标垃圾进行拾取和回收，同时，根据服务性机器人的特点及需求，采用无线以太网接入Internet网，对机器人进行智能远程操控。

关键词：神经网络；模糊PID；智能环保；机器人

基于神经网络模糊PID的智能环保卫士“机器人”是一个能在特定场所，按高效的路径进行搜索，实现预定垃圾搜索识别，然后拾取目标垃圾的环保智能小，充分实现了智能机器人代替手动人力来对街道、公园等大中小型平面场所的垃圾的清洁环保工作，从内部系统实现上采取了模糊PID算法，设计最优化的垃圾搜寻路线确定算法，使机器人高效快捷地寻找目标垃圾，灵活的的可监控控制的机器人。

一、人工智能机器人国内外技术水平比较分析

根据WTEC评估结果，环保机器人室外导航、机器人体系结构（ 控制、机构和计算的集成）、以及部分服务和个人机器人领域等美国始终保持领先地位：日本和韩国在机器人移动技术、人形机器人和部分服务和个人机器人（包括娱乐）领域处于领先位置。欧洲在结构化环境的移动技术，包括城市交通领域保持领先。欧洲还在助老和家庭服务机器人领域资助了重大计划。澳大利亚在定位和导航的理论和应用方面具有优势。

我国学术界和企业界在863计划和国家自然科学基金等项目的支持下，先后针对上述技术进行攻关，并取得大量研究成果。但值得指出的是大多数研究成果都停留在理论研究层面，并没有将研究成果在产品技术上体现出来。从成果应用上看，我国的服务机器人主要以吸尘器机器人和教育平台为主。

二、人工智能环保机器人在我国发展趋势

纵观国内外服务机器人的发展，可以发现服务机器人在我国具有广阔的市场空间。首先是老龄化社会和残疾人服务对服务机器人的市场需求。目前我国60岁以上人口已超过总人口的10%，预计到2015年国老年人口总数将达到2亿人，人口的老龄化问题将成为中国面临的前所未有的新挑战；此外，我国残疾人占总人口比重位居全世界较高国家之列。可以预计，在不远的将来，老年人和残疾人的护理将成为社会的一个重要负担 需要一大批护理机器人提供诸如取物、喂饭、翻书等服务，帮助、照顾老年人和残疾人的日常生活，提高他们的生活质量，从而减少社会对护理人员的数量和要求。

三、基于神经网络模糊PID的智能环保卫士“机器人”设计原理

本系统采用图像传感器对图像信号进行采集，其图像传感器的原理是利用光电器件的光电转换功能，将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的“图像”电信号的一种功能器件。 图像传感器的两大主流是CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体元件）和CCD（ChargedCoupled Device电荷耦合元件），CMOS图像传感器的发展得益于CMOS集成电路工艺的成熟，相对于CCD图像传感器，它具有较低的电源功耗、较高的感光度以及更灵活的图像捕获能力等特点。随着芯片制造技术和信号处理技术的发展，CMOS图像传感器日益受到重视，其应用领域也越来越广，已成为固体图像传感器的研发热点。，CMOS图像传感器的总体由光敏像元阵列、行选通逻辑、列选通逻辑、定时和控制电路、片上模拟信号处理器（ASP）构成，数字式CMOS图像传感器还集成有片上模数（A/D）转换器。

人工智能环保机器人的图像采集系统采用了CMOS图像传感器OV6620的摄像头，OV6620的最大分辨率为352×288。OV662O是美国OmniVision公司生产的CMOS图像传感器，以其高性能、低功耗适合应用在嵌入式图像采集系统中，本系统图像数据的输入都是通过0V6620采集进来的。 OV6620集成在一个板卡上，有独立的17 MHz晶振。输出3个图像同步的时序信号：像素时钟PCLK、帧同步VSYNC和行同步HREF。同时，还可以通过8位或16位的数据总线输出RGB或YCrCb格式的图像数据。硬件设计上，有2个问题需要解决，一个是图像采集的严格时序同步，另一个就是双CPU 共享SRAM的总线仲裁。

四、基于神经网络模糊PID的智能环保卫士“机器人”工作过程

基于神经网络模糊PID的智能环保卫士“机器人”主要由HCS12X（图像采集及处理）核的程序及XGATE（电机控制及以太网通信）核的程序两部分。HCS12X（图像采集及处理）主要完成图像采集及处理，以提取目标位置，确定搜索路径等提供上层策略。XGATE（电机控制及以太网通信）主要完成电机控制以及以太网通信任务。系统开机上电后，进行自动初始化，然后紧接着环保车等待图像采集过程的结束，判断是否有垃圾的存在。如果存在特定的垃圾，且当垃圾距离远的时候，环保车就会调用跟踪程序，去跟踪目标，直到到达目标的周围，自动接近目标。当到达目标垃圾的一定范圍内后，环保车就会调用目标拾取程序，通过控制舵机系统，将目标拾取到车载箱中。当然如果图像采集完毕后目标垃圾的位置满足舵机的范围，系统就会直接控制舵机，拾取目标，然后记录当前的位置，最后规划搜索路径，重新开始图像采集。在系统中我们使用了大量的状态机制进行各种状态的判别和调用。打开图像采集数据库，提取图像的数据，然后进行边缘提取，计算封闭区域的面积及形状。如果满足设定范围值，那么记录位置和目标的大小，同时上传给主控器可以拾取的信号，然后开启其他状态操作；如果没有发现特定目标，上传给主控器搜索信号，开启搜索状态。