家庭环卫系统的设计

孙宇扬 陈举旺 单志超

摘要：随着生活质量的提高，机器人在百姓家的普及率越来越高。但传统的机器人功能单一，泛用性不高，不同的生活需求需要数个机器人实现，对家庭空间和经济状况都有一定的负担，这也成为了机器人推广困难的一大重要原因。

针对上述情况，本文设计了一款多用途的家庭环卫机器人。机器人能够同时满足搬运重物、抓取物品、远程监控的等不同方面的需求，并且有比较高的精度确定，能够高效完成操作任务。并且采用人工智能，可以实现家庭清洁的功能。在实现家居智能化需求的同时也减少不必要资源浪费与家庭空间的占用。

关键词：家庭环卫;节约高效;智能控制

1、绪论

1.1现状

一提起机器人，很多人会认为它们距离我们的生活还很遥远。其实，机器人时代已经拉开序幕。但是家用机器人的发展仍受到了许多技术的限制，另一方面，我们国内机器人产业虽然很热，但85%的产品还是依赖进口，国内的机器人绝大部分处于中低端，仅能实现单一功能，想要实现多种功能就需要购买不同的机器人，对家庭空间和经济状况都有一定的负担。

1.2存在的问题及对策

目前市面上的机器人功能模式相对单一，灵活性不高，行动迟缓，不能有效的监控家中情况，也不能快捷有效的传递信息。

家庭环卫机器人是面向家庭的服务机器人。机器人先利用两个摄像头和GPS全方位的观测环境，然后利用匿名上位机的信息传输通信协议，让用户掌握机器人所属环境，用户可以利用上位机设置机器人的工作模式，目前有三种工作模式，全自动模式，半自动模式，遥控模式，同时摄像头会把自己所拍摄到的景象进行保存，机器人处理垃圾时，CPU计算型云服务器能够提供非常高速的图像处理能力，在服务器的机器人程序中引用open CV图像处理API，谷歌地图接口，为机器人进行垃圾分类，提供图像处理和路线规划工作提供帮助，在机器人智能感知方面，同时，相较于普通的扫地机器人，家庭环卫机器人使用机械臂，可以对房间角落等进行高效的清洁，也可以进行端水抬重物等简单操作，设计完整的机器人视觉感知系统，打造微传感、高智能化的感控一体的芯片是十分重要的发展方向，其中也有诸多的工作要做。机器人除了智能感知和智能控制，还需要稳定有效的关节，机器人关节是其执行机构的关键部件。因此，机器人的打扫卫生使用六轴机械臂，机械手，机器人的前半身和后半身通过联轴器连接，利用云台给机械臂提供底座，配合机械臂完成动作。

2、系统整理方案设计

2.1设计出实际可行的智能环卫机器人遵循以下几条原则：

（1）能够准确无误的完成好清扫功能。

（2）各项器件能够正常运行。

（3）有快捷高效的信息传输能力。

（4）智能环卫机器人操作简单易懂。

2.2系统结构

系统主要包括上位机、云服务器、GPS、摄像头、联轴器、云台、机械手、机械臂、雷达传感器等。

2.2.1信息采集与传输系统

利用摄像头和GPS对机器人所处环境信息进行采集，利用上位机的信息传输通信协议将测得的数据上传。

2.2.2上位机系统

远程同步机器人群体的实时地图位置分布情况及所处环境的雷达和摄像头图像。让用户能够分别从第一和第三视角更加及时，全面的掌握机器人所处环境信息，实施远程遥控。

2.2.3云服务器系统

选用GPU计算型云服务器对垃圾进行智能分类，同时为机器人规划行动路线。

2.2.4储存系统

储存摄像头原始数据，以便调用。

2.3模块设计方案

2.3.1信息采集系统

机器人前后安装两个摄像头可以360度旋转，全方位地观测周围环境，提高工作效率。GPS是集成了RF射频芯片、基带芯片和核心CPU，并加上相关外围电路而组成的一个集成电路。GPS和摄像头信息采集三个方面，利用现有的雷达传感器，GPS模块和摄像头模块分别对机器人周围环境的雷达信息，地图位置信息以及图像信息进行采集。

2.3.2信息传递系统

信息传输，考虑到我们的所要传输的信息量较大，存在信息的丢失风险（影响机器人系统的正常运行），我们决定借鉴匿名上位机的信息传输通信协议，协议如下：我们会将所要传输的数据以帧为单位分为帧头，数据发送源，数据目的地，数据功能字，数据长度，数据还有SUM校验对数据进行传输。

2.3.3上位机系统

实时地图位置让用户能够及时掌握机器人所处环境信息，进行网上遥控。上位机可以直接向计算机发出操控命令，可以通过上位机来设置机器人的工作模式。目前预定的工作模式有三种：

a）：全自动模式，在无人进行远程操控时，可以设置该模式，机器人系统将自动为机器人分配清洁任务并自动进行路线规划。

b）：半自动模式，用户可通过上位机对机器人发布将要执行的任务指令，机器人再对任务指令进行解析并执行。

c）：遥控模式，用户可以通过上位机对机器人的运动细节进行更见精密的掌控，以实现机器人的附加功能。

2.3.4云服务器系统

由于我们的机器人在运行时会执行大量的图像处理工作（垃圾识别，垃圾分类等），所以我们决定选用GPU计算型云服务器，能够为我们提供更快更强的图像处理功能。我们会在服务器上的机器人服务程序中引入OpenCV图像处理的API，Google地图接口，为机器人提供图像处理和路线规划工作。

2.3.5储存系统

首先，选用SD卡进行数据储存備份，将原始数据储存到SD卡中。通过移植FATFS文件系统，当SD卡 没有剩余空间可以继续写入时，使用FLSEEK函数，对之前的数据进行循环覆盖，即按照时间顺序，将新数据写入，将最早的数据进行覆盖，循环如此，需要查看卡内数据时，则将原始数据取出，进行处理，得到视频文件。

3结论

本项目的研究背景是根据市面上机器人的销售情况和用户的反馈情况，市面上广泛流通的扫地机器人并不能够完全满足用户的需求，如果购买几个机器人来满足自己日常的生活需求，这些机器人重复的功能还会造成资源浪费，不但占据家庭不小的空间，还会为家庭造成不必要的经济负担。

家庭环卫机器人不但高智能化，还有多种功能，满足日常生活的所有基本需求，为家庭提供便利，还在最大程度上节约资源，减轻了家庭负担。

参考文献

[1]智能家庭服务机器人设计[J].李欣原，聂子杰.2021（02）

[2]贾宁.基于双目视觉的家庭机器人的目标识别与检测[J].现代电子技术，2017，40（23）

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划（项目号 202010201032）资助项