基于北斗导航的疫情环境下的无接触社区消毒机器人

柳明远 陈安琪 彭莎莎 陈代祝

摘要：如今，全球疫情持续紧张，人类需要做好与病毒长期共存的准备。其中，社区环境消毒将是长期面对病毒时不可忽视的重点。然而传统的人工消毒方法具有很多缺陷，在产生巨大的工作量的同时还不能够保证全方位的消毒，这对于重大疫情的防控很是不利。本文将介绍一种以北斗导航技术为支撑，以机器视觉进行环境识别的无接触社区杀毒机器人。该机器人通过北斗导航实现路径优化以及自动巡航功能，并且利用摄像头和超声波精确识别需消毒区域，通过机械臂来对目标区域进行精准消毒，在实现无人接触社区消毒的同时，满足了重大灾情下对于病毒防控的高指标要求。

关键词：北斗导航，机器人，消毒，环境识别

1.绪论

随着国内新冠疫情的逐步稳定，人与人间的社交趋于常态化，如何保证社交和生活环境的安全，以及如何继续稳定疫情、防止反弹，已成为中国社会的新问题。对普通人工作、生活环境进行消毒无疑是保证生活环境安全极有效的方法之一，但工作生活环境又存在着面积大、死角多的难点，给消毒工作带来很多麻烦。

对疫区环境进行消毒是医护工作者重要工作之一，每天都需要重复，每天都有极大的工作量;并且医护工作者在消毒过程中，也存在着被病毒感染、被消毒液腐蚀的风险。

自疫情爆发以来，新技术在公共医疗中的应用空间得到很大的提升。针对上述所提及的传统人工消毒的缺陷，许多专家学者开始改革创新，许多新技术在这一方面开始应用。如何在医务人员的手中接手消毒工作，同时最大程度地减少人的感染风险，实现对消毒过程和消毒结果的准确控制，已经成为人们思考的重要课题，消毒机器人将是一个关键的研究方向。

2.主要方案

消毒机器人以北斗导航技术为支撑，以机器视觉进行环境识别，通过多种方法以达到精准、科学消毒的目的。本项目采用以北斗导航为主要定位方式，加之信标定位、航迹推算定位等机器人常用的定位方法构成的多方面、高精度的综合定位系统。通过摄像头和安装在舵机上的超声波传感器进行动态的避障识别，通过舵机的旋转增加超声波传感器的探测范围。采用履带这一运动方式，更好地适应不同路况。通过采用机械臂等机械结构，获得更大消毒范围的同时获得更精准的消毒效果。

3.关键技术

机器人的精准定位。以北斗导航定位为主，获得机器人的经纬度位置信息。以航迹推算为辅，利用角加速度、运动速度等信息，通过航迹推算来辅助机器人定位。两种定位方式相结合，综合定位机器人在每个时间下的位置和姿态。

运动环境的识别。即便实现了精准定位，在机器人自主路径巡航和寻找消毒地点的过程中，容易受到周围环境的干扰。通过安装在舵机上的超声波传感器进行动态的避障识别，通过舵机的旋转增加超声波传感器的探测范围，可以实现有效的障碍识别。使用摄像头OV7725采集周围环境图像，使用机器视觉识别算法，将图像进行处理后，可以识别路况与环境。

消毒区域的判断。通过OpenMV采集环境信息，判断是否需要进行消毒。对于固定的消毒区域，可采用识别AprilTag的方式，特定区域采用特定的AprilTag码，达到更快更准确的识别判断效果。

机器人的机械系统分为机械臂三轴移动平台、底座运动机构以及消毒剂喷赛结构，这三者均由电机驱动模块驱动。

工作流程概述：消毒机器人在接收到消毒任务后，通过导航定位分析出最优路线，并找到大致地点，途中对路况进行分析，遇到障碍自动避让，到达指定地点对留下的信标进行识别，进行准确环境定位，摄像头采集到的信息可实时上传到相关人员的显示终端，相关人员对地形是否具有操作困难，以及对当地区人流量等数据进行综合分析选择消毒模式，并判断是否采取进一步行动。

4.方案实现

4.1实时定位

本项目采用组合导航的定位方法，也就是将相对定位和绝对定位两种方法相结合。相对定位就是航迹推断定位，是一种使用最广泛的定为手段。使用编码器测出轮子转速，积分后获得位移;通过陀螺仪测出车体转向的角加速度，积分后可以获得与航向与角速度的变化。

一般將移动机器人在地球表面的运动近似为在地平面上的二维运动，建立了以经度方向为X，纬度方向为Y的地理坐标系。航位推算移动机器人的工作原理是在机器人的起始位置加入位移矢量，随时获取机器人的位置和姿态。

北斗导航模块对机器人自主巡航的控制逻辑：通过北斗定位获得机器人运动过程中实时的经纬度坐标，与已知设定好的目标点坐标比对，计算出下一步运动应走的方向和粗略的路程。并且当实时坐标与规划路径产生偏差时，能够及时纠正路径偏差，实现机器人按照规定路线自主巡航至消毒目标进行消毒。

4.2环境识别

超声波模块与总钻风摄像头进行路况判断。

超声波避障：超声波测距是利用超声波的指向性强，传播距离远的特点，利用计时器记录的时间和声音在空气中传播的速度（340m/s）计算障碍物的距离。为了更好的识别周围障碍，将超声波固定在舵机上，使它可进行多角度检测。舵机利用PWM波进行控制，以调节占空比进而控制舵机的角度。

总钻风摄像头图传判断路况：图像处理是将图片投影到一个新的视平面，也称作投影映射。通用的变换公式为：

u，v是原始图片像素点对应的坐标，进行透视变换后的图片坐标为X，Y，因为这里不涉及到z轴上的变化，整理可得公式：

采用OpenMV判断与识别消毒环境。本项目采用可靠性高、适用环境广泛的信标定位方法实现对消毒环境的定位。将AprilTag码作为信标，可用于包括识别，定位和姿态校准等多种任务。AprilTag的基准设计和编码系统基于近乎最佳的字典编码系统，并且检测软件对照明条件和视角具有鲁棒性。所以说使用AprilTag可以精确并稳定地定位消毒环境，且通过使用openmv摄像头识别AprilTag以实现快速识别和调整机器人姿态的功能。

4.3运动平台

考虑到面对各种环境都能有很好的适应与运动能力，本系统采用履带运动的形式。

履带速度控制利用PID控制器，使之在遇到突发状况，需要改变速度时可以更稳定，更快速，更准确。由于增量式PID计算量少，控制增量的确定仅与最近3次的输入量有关，增量式对电机的控制有一定的优势，因此采用增量式PID。

转向时，可通过控制两侧履带的的牵引力，当用较大半径转向时，控制一侧电机减小转速，使这一侧履带牵引力减小，而另一侧履带牵引力相应增加，此时履带的线速度如图2箭头所示，底盘就绕某回转中心O转向。转弯半径较小时，控制一侧电机停车制动，使该侧轨道速度为零，底盘绕内侧履带中心O1转弯，其转弯半径等于轨道中心距离b，如图2所示。

4.4消毒结构

考虑到喷洒杀毒剂的实际情况，喷洒量与喷洒精度都需要得到项目人员的准确控制。因此，本项目采用了一款臂长80cm的机械臂来达到效果。通过对调试过程中，舵机的扭力、臂长等参数的分析，本项目决定选用了MA86H步进电机驱动器搭配86BYG250H步进电机来控制该机械臂。在实际使用过程中，为了防止机械臂在运动到特定姿态时所需的电机转矩过大，本项目采用了行星减速箱对步进电机进行减速控制。

5.应用前景

在医疗消毒方面，机器人有着非常广阔的前景，并且在未来消毒机器人会随着深度学习、运动控制、大数据技术，北斗导航等先进技术的应用，在功能和应用场景上将会进一步的提升和完善。快速部署和多方法复合消毒;根据不同区域实现定点分类消毒;优化消毒方式和移动路径，减少消毒产品的浪费;实时监控产品流量，提高消毒效果;具有人体检测功能，防止人身伤害;实现环境样品回收，收集消毒区样品，协助检测人员快速判断消毒结果;提高产品自身防护等级，可进入高辐射、高温、高病菌场所开展作业;扩展产品着陆场景，并通过更换备件，在农田，果园和种田等生产场所实现药物和水體的喷涂。

参考文献

[1]王洪涛. 基于北斗卫星导航系统的移动机器人定位技术及应用[D].哈尔滨工程大学.2014

[2]邸韬. 六自由度机械手机械结构设计[D].兰州职业技术学院.2018

[3]姜丽军. 超声波测距仪的设计[J]. 消费电子.2014（10）：67-68

[4]陈威望. 整经机经轴上落运输机器人机械结构设计研究[D]. 2018

[5]陈威望. 整经机经轴上落运输机器人机械结构设计研究[D]. 2018

[6]陶敏，陈新，孙振平.移动机器人定位技术Positioning Techniques of Mobile Robot[J]. 火力与指挥控制. 2010，035（007）：169-172