基于模糊算法的双轮机器人垃圾分类设计_王文韬.pdf

北大中文核心期刊国外电子测量技术 ：基于模糊算法的双轮机器人垃圾分类设计王文韬胡立夫苏安琪姬晓飞吴宏刚（沈阳航空航天大学自动化学院 沈阳 ）摘要：随着科技进步，人们的生活越来越便利方便，但垃圾分类工作在居民区等前端地区仍存在处理不方便、效率不高等问题。为了解决此类问题，研究并设计了一种基于模糊算法的两轮底盘垃圾分类机器人，其采用模糊算法实现两轮直立底盘的自平衡和灵活移动，结合 实时目标检测技术，来实现跟踪并分类垃圾的功能。实验结果表明，机器人能够承受较大干扰并在复杂环境下快速响应，完成垃圾的自动拾捡工作，避障成功率和垃圾回收率可达 和 以上，该机器人具有广阔的应用价值。关键词：垃圾分类；两轮平衡机器人；模糊控制；深度学习；目标检测中图分类号：文献标识码：国家标准学科分类代码：（，）：，：；收稿日期：基金项目：辽宁省自然科学基金（）项目资助引言作为世界上人口最多的发展中国家，我国每年都有大量的生活垃圾产生。如何有效处理好垃圾，实现可持续发展变得日益重要。垃圾分类是垃圾处理过程中最为基础的一个步骤，也是一个前中后端相结合的过程，我国垃圾分类偏重于后端分类，尽管这几年我国一直引导居民正确分类和投放，但前端分类尚存在分类准确度较低，且规范化管理还不完善，尤其在人口密度大、垃圾数量多且分散的地方实行垃圾分类处理更为困难。近几年计算机视觉和人工智能技术的发展，垃圾智能回收箱、垃圾分类处理机器人等可助力垃圾分类，围绕垃圾分类处理机器人这一主题变得越来越受到关注，但目前的垃圾处理分类机器人技术尚不成熟。早在 年，一家来自芬兰的公司就推出了垃圾分拣机器人 ，结合了近红外检测、金 属 检 测、颜色检测等多种传感器实现垃圾分类检测，并使用机械臂对垃圾分类流水线上的垃圾以进行快速准确分拣，随后在 年推出使用计算机视觉的改进型 。美国也推出了 等 垃圾分拣机器人，但这类体积庞大的机器人只能工作在垃圾工厂，还需其余配套 设备，成本 昂 贵。年，宁 凯国外电子测量技术北大中文核心期刊等提出将扫地机器人结合计算机视觉实现垃圾检测分类功能，达到准确检测和减少机器人盲目性，但是应用环境限于室内家庭，自主性差，仅限于清扫特定目标。吕汝金等提出一种智能垃圾桶，居民通过语音交互将垃圾信息传递给垃圾桶后，垃圾桶会使用回收机构自动进行分类，但使用效果受限于居民垃圾分类的先验知识。陆逸适等提出了一种基于视觉和轮式里程计导航的无人清扫车，但是清扫车体积过于庞大，成本高，只 能 应用到道路上，且没有垃圾分类处理功能。等设计了结合深度摄像头和激光雷达的一款能够应用在室外的垃圾收集机器人，但是该机器人体积较大，使用四轮底盘移动不够灵活，且成本较为昂贵。而能 够 真正应用到室外进行自主垃圾处理分类的机器人研究和应用仍然尚少。本文设计基于模糊控制算法的两轮垃圾分类机器人，该机器人采用两轮底盘进行移动，采用较传统比例微分积分（，）控制算法相比鲁棒性更好的模糊 平衡控制算法，使其能在复杂的运动场景保持稳定的行进，此外机器人使用摄像头结合 的实时目标检测分类算法，可以使机器人在运动过程中快速并较准确的识别垃圾，实现垃圾分类并回收。机器人能够在景区等前端场景进行垃圾分类并进行后期回收处理，其安装的垃圾拾取装置将拾取到的垃圾放到指定回收处，同时记录运行时所拍摄的垃圾图片和实时视频等数据，方便后台技术人员进行垃圾分类数据分析。与本领域几种机器人相比，该机器人体积小，成本较低，且移动灵活，能实现在室外除了道路外的景区地面等场景完成垃圾分类任务，提高了垃圾分类机器人在室外场景的处理能力，降低了垃圾处理分类机器人的使用成本。机器人总体设计考虑到垃圾分类机器人往往运行在一些景区和居民社区，存在路况狭窄复杂等情况下，因此该机器人采用两轮底盘。当发生需要拐小弯等情况时移动灵活性要更强，可在更宽泛的场景来使用，且与传统的四轮底盘和三轮底盘相比，两轮底盘仅需要两个轮子就能行走移动，能够节约空间具有更小的体积和成本。垃圾分类机器人的主要功能是在指定区域内进行巡视，搜寻附近地面上的物体，当摄像头发现类似物体后进行物体的识别和分类，识别成功后使用抓取装置对物体进行抓取，投放到指定垃圾回收处。摄像头拍摄到的数据还会通过无线网络传输到云端后台，便于进行后台工作人员数据分析。垃圾分类机器人具有两种工作方式，自动按设定路线巡视和通过后台进行远程控制。机器人搭载了激光测距、惯性测量单元（，）、全球定位系统（，）模块等多种传感器辅助机器人进行定位，依照设定进行路径的规划 。机器人总体设计框图如图所示。图机器人硬件设计总体框图机器人硬件设计 核心控制部分本文以 单片机为机器人底盘的移动控制核心，完成接收传感器信息、控制机器人动态平衡和抓取功能，而树莓派 作为处理器核心，主要完成对目标垃圾的识别分类任务、机器人运动决策与命令下发任务、路径规划计算任务等。树莓派 通过串口与 单片机进行通信，单片机再根据接收到的命令去控制机器人执行对应的动作姿态。北斗定位模块 是高性能 全球定位模块，尺寸较小。该模块跟踪灵敏度可达 、定位精度可达 、首次定位时间为。优点是灵敏度高，功耗低，成本低，适合车载导航、手持定位、可穿戴设备。定位原理是根据模块能搜索到天空中卫星的瞬间位置作为参考点，根据卫星信号到定位模块的传播时间来解算位置信息，理论上颗卫星就可以精确确定一点的位置，机器人通过串口通信接收模块以 格式发送过来的定位信息。激光测距模块机器人定位避障功能采用高精度激光测距仪，其测量频率可调范围为 ，测量范围最远可达，支持 的输出信号。单片机可通过串口通信协议获得激光测距仪返回的距离数据，可以通过搭载多个测距模块在巡航过程中完成定位避障功能。摄像头模块相机视觉模块选用小型通用串行总线 广角型摄像头。该摄像头的分辨率为 ，焦距可调，无需驱动，直接插在树莓派上即可使用，利用 编程，能高效地实现核心的机器视觉算法，实现 模块的机器视觉功能。机器人软件设计机器人拥有按照设定固定路线自主导航行进和远程控制两种模式，任务开始时机器人会在指定垃圾回收处等北大中文核心期刊国外电子测量技术待，由工作人员下发命令。机器人收到对应命令后可辅助环卫工作人员或者自主完成特定垃圾分类任务。机器人路径规划策略机器人目前使用扫地机器人普遍流行的弓字形规划清扫进行改进，机器会实现设定弓字形每段目标长度，从起点出发，到达下一目标长度路径终点，当摄像头在途中检测到附近最近的垃圾时会从当前位置直接到达垃圾目标点，并根据环境进行设定下一路径长度，继续行走，同时动态进行避障，一边拾取垃圾，一边利用里程计记录地图。受限于室外环境复杂，机器人受到视线干扰和路况等因素影响自主行驶时仍需要相关人员先进行辅助调试，机器人会在摄像头看到特定区域搜寻垃圾，当达到设定路径总长度或者电池电量不足时，最后按照里程计记录的数据进行广度优先遍历，寻求路径返回至出发处，实现自主工作。使用 进行绘制机器人路线，室外运动路径规划策略如图所示。图机器人路径规划策略 两轮底盘机器人建模两轮底盘垃圾分类机器人平衡的原理与倒立摆类似，也类似于日常生活中通过人眼观测木棍倒向趋势进行调整保持手指上木棍立起来不倒。系统采用牛顿力学方法进行动力学模型建立，与倒立摆模型类似。平衡底盘模型如图所示。初始状态，给平衡车一个扰动，平衡车为了保持平衡需要沿轴方向做加速运动，设车身速度沿和轴的速度为和，加速度为和，车轮的线速度为。对车轮进行运动分析，线速度为：（）车轮位移为：（）对车身进行运动分析，沿轴方向速度为：（）对车轮进行受力分析，为沿轴方向车身对车轮图平衡车底盘模型作用力，为车轮所受摩擦力，则车轮沿轴受力方向有：（）设为设车轮受到地面的支持力，为车身对车轮轴方向作用力，则车轮沿轴受力方向有：（）设和分别为车轮对车身轴和轴方向作用力，为车轮位移，得到平衡车车身运动方程：（）对车轮轴心和车身质心进行力矩分析：（）（）设为车轮电机输出转矩，为车轮受到阻力转矩，对车轮有：（）当车前倾时，对车轮与地面接触点有：（）由式（）、（）、（）联立解得：（）又因为：（）联立上式可得：（）对式（）进行拉普拉斯变换，得到输入（）为角速国外电子测量技术北大中文核心期刊度，输出（）为角度的系统传递函数为：（）（）（）底盘模型参数如表所示。表底盘模型参数定义符号含义参数数值车身重心距车轴距离 车轮半径 重力加速度（）车身质量 车轮质量 车身转动惯量（）车轮转动惯量（）代入表参数获得车底盘传递函数为：（）（）基于模糊控制算法的直立平衡设计由于垃圾分类机器人需要适应复杂环境和完成执行抓取任务，控制难度大为增加。传统 算法虽然方便快捷，但在抗干扰等性能上已经很难满足机器人的移动控制要求，故采用模糊 算法控制机器人移动，进行模糊自调整，使机器人实现动态平衡。本文采用设定模糊规则，输入参数为角度偏差和角度偏差变化量，进行模糊化和模糊推理。输出对应模糊规则表如表所示。表倾角控制模糊规则表误差速率误差 经测试，两轮直立自平衡底盘倾角误差输入的非线性更强，因此当角度误差和误差的微分较大时适当调整对应隶属度。得到对应隶属度如表所示为对应规则，和同理。对此进行解模糊后获得 三个增量值，这里只用两个参数分别为比例和微分，设角度偏差为偏差变化量为。解模糊计算得到和，于是有：（）（）（）计算得到输出控制量 。机器人定位算法设计机器人使用航迹推算法进行定位，需要先计算里程计。里程计的计算是指以机器人上电时为世界坐标系的起点（机器人的航向角为世界坐标系正向），开始对世界坐标系下任意时刻机器人的位置进行累计计算。系统对机器人两轮编码器进行测速，并在一个极短的时刻内将机器人看作匀速运动，先分别获取左右轮的速度和，并对速度值通过航向角进行积分推算，获得世界坐标系下、轴的增量，将增量进行累加处理得到里程计，再通过航迹推算法换算到全局坐标。模拟不同时刻机器人的位置如图所示。图机器人位移坐标系图综上可以得到，移动机器人的前进速度与左右轮速度的平均值相等。（）由于机器人轮子打滑等因素会造成角度计算误差，直接使用 模块的角度值来计算角速度。（）通过航迹推算，将机器人极短时间内的位移投影到世界坐标系下的、轴进行累加得到机器人当前位置。（）单独使用里程计进行坐标定位可能会存在轮子打滑的现象造成累计误差，机器人的 定位模块可以进行适当矫正，保证准确获得当前位置信息和设定行走路径和目标位置。机器人垃圾分类识别算法设计目前比较流行的有两种目标检测法，目标检测是其中一种，代表算法是 ，通过在整张图片上生成若干选取框，接着对预选框中的内容进行目标识别。另一种是 目标检测，代表算法为基于区域的卷积神 经 网 络（，）。目标检测的过程是通过得到当前物品的候选区，再对候选区域中生成的选取框，完成对框的大北大中文核心期刊国外电子测量技术小和位置的预测生成预测框。本项目采用 目标检测算法，这种算法具有对实时目标检测速度快、准确度较高等优点。由于树莓派性能有限，垃圾分类的模型需要在性能更强的电脑或者谷歌的云服务端完成训练。训练完成后将训练好的模型导入树莓派即可进行调用。树莓派通过读取 摄像头模块传回的 大小的图像进行垃圾目标检测并且做出分类，可获得垃圾识别的种类，准确度，以及垃圾在视野中的位置等。如图所示，识别出的信息在对应垃圾上被显示出来，同时主控核心得到这些信息后会控制机器人通过拾取装置进行拾取并投放 。图垃圾检测分类图图机器人上位机端测试结果分析当按下电源开关后，机器人摄像头以及其他传感器启动，机器人开始运行。初始需要设定机器人运行模式为自动或者手动，工作人员可以根据机器人上显示屏和按键进行设置，也可以通过上位机端进行远程设置。本文测试使用自动模式让机器人自主完成任务，通过配置工作范围、工作模式等参数后，点击启动按键开始运行。图所示为上位机界面，通过观察测试机器人能够按照改进的弓形策略进行路径规划，能够按照设定路径进行行走，同时避障行进，根据多次实验遇到障碍物次数以及避障成功次数，机器人避障成功率能达到 以上，机器人使用容量为 的电池作为电源，在正常情况下平均续航为 左右，在操场大小的区域内使用能够满足续航要求，接下来主要