智能消毒機(jī)器人小車的設(shè)計與研究

張國棟　孫釗　繆也　曹夢琪　孫奧奇

關(guān)鍵詞：消毒防疫；智能消毒機(jī)器人；STM32；避障模塊

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）10-0032-03

0 引言

疫情防控是打贏新冠疫情重要堡壘，隨著疫情防控進(jìn)入常態(tài)化形勢，疫情防控的推進(jìn)[1]，現(xiàn)有人員在對各個地方的疫情防控工作十分重視，但疫情防控是持久戰(zhàn)，亟須防疫機(jī)器人的輔助。而防控消毒尤為重要，國內(nèi)疫情消毒方式主要采用人工消毒，工作的過程中還可能會發(fā)生感染并且進(jìn)行病毒傳播的可能性。國內(nèi)外在疫情期間高度重視消毒機(jī)器人研發(fā)[2]，目前，此行業(yè)對提升智能消毒機(jī)器人消毒效率及質(zhì)量投入大量人力和資金。針對疫情防控期間消毒工作情況，本課題小組設(shè)計一款智能消毒機(jī)器人小車，通過上位機(jī)操作控制可以高效精準(zhǔn)地執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)定的路徑和任務(wù)，自主進(jìn)行消毒防疫工作。各個模塊共同作用實現(xiàn)無人化、智能測溫、智能遠(yuǎn)程操作的智能消毒機(jī)器人小車，從而緩解防疫人員的工作壓力，提高人力資源的利用，有效地阻止了病毒的傳播，降低交叉感染的風(fēng)險，保障了人民的日常生活[3]。

1 軟件系統(tǒng)設(shè)計

以STM32F103C8T6 單片機(jī)為核心通過遠(yuǎn)程操作進(jìn)行智能無人車的控制，并且通過視覺識別機(jī)構(gòu)收集智能車周圍的環(huán)境信息[4]，并用上位機(jī)進(jìn)行下一步操作，智能車根據(jù)操作者發(fā)出指令進(jìn)行命令執(zhí)行，從而實現(xiàn)智能無人化控制。

1.1 系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)模塊主要包括電源模塊、驅(qū)動模塊、紫外線消毒液消毒模塊、傳感器模塊、路線規(guī)劃模塊、超聲紅外避障模塊、控制器模塊等來實現(xiàn)智能小車的組成。如圖1所示。

1.2 電源模塊

如智能消毒機(jī)器人小車系統(tǒng)框圖所示，為滿足智能消毒機(jī)器人小車在不同場所進(jìn)行正常工作，供電方式采用可便攜拆裝的磷酸鐵鋰電池，這種新能源電池的特點是擁有長時間的巡航能力而且不會對環(huán)境造成污染的綠色電池。

1.3 超聲波避障功能模塊

根據(jù)超聲波測距原理，只需知道發(fā)射器發(fā)射和接收器接收之間的時間差，便可以得出障礙物實際距離是速度乘以二者時間差的一半[5]。

根據(jù)上述原理進(jìn)行程序設(shè)定，每接收五次回響信號進(jìn)行平均值計算，得出的數(shù)值為測試距離，往復(fù)循環(huán)。得到的測試距離與預(yù)設(shè)距離進(jìn)行對比，預(yù)設(shè)距離不得超過0.25米。根據(jù)指令小車會執(zhí)行相應(yīng)命令。

避障流程代碼說明如下：

if（distanceqian1<25）//如果左前方超聲波判斷距離小于25

{

if（distancezuo

{

youhou（）;

delay（750）; //向右后方行駛750毫秒

youxuan（）;

delay（300）; //右旋300毫秒

}

else if（distancezuo>distanceyou）//2 若左側(cè)距離比右側(cè)距離空曠

{

zuohou（）;

delay（750）;//向左后方行駛750毫秒

zuoxuan（）;

delay（300）;//左旋300毫秒

}

else if（distancezuo==distanceyou）//3若左右距離相等（左右兩邊在傳感器識別范圍內(nèi)都無障礙物）

{

if（distanceqian1>distanceqian2）//4若左前方距離大于右前方距離

{

daoche（）;

delay（500）;//后退500毫秒

youxuan（）;

delay（300）;//右旋300毫秒

}

1.4 紅外線避障功能模塊

紅外線避障主要利用三角測距的原理、時間差法測距原理[6]，采用EDA技術(shù)匯總A/D轉(zhuǎn)換電路、電源輸入電路、復(fù)位電路、蜂鳴器等設(shè)計組成。見下圖。

2 智能消毒機(jī)器人小車機(jī)械設(shè)計

智能消毒機(jī)器人小車是由驅(qū)動機(jī)構(gòu)、噴霧機(jī)構(gòu)、消毒液定量輸送機(jī)構(gòu)和噴霧器機(jī)構(gòu)組成。噴霧機(jī)構(gòu)包括過濾器、水管、渦輪、電動機(jī)、噴霧器。過濾器除去水中的雜質(zhì)，渦輪旋轉(zhuǎn)吸水，再將水通過水管傳送到噴霧器，水經(jīng)過噴霧器，霧化灑落到小車周圍。消毒液定量輸送機(jī)構(gòu)由電動機(jī)、水管、儲藥管、電動機(jī)、控制開關(guān)構(gòu)成；控制開關(guān)包括正轉(zhuǎn)按鈕、旋轉(zhuǎn)按鈕、反轉(zhuǎn)按鈕、和停止按鈕。該機(jī)構(gòu)與噴霧機(jī)構(gòu)結(jié)合，水與消毒液在渦輪的旋轉(zhuǎn)下充分均勻混合后再到達(dá)噴霧器處。

2.1 視覺識別機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

視覺識別機(jī)構(gòu)是由攝像機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)組成，攝像機(jī)構(gòu)由紅外線測距儀、超聲波測距儀、第一轉(zhuǎn)軸、第二轉(zhuǎn)軸、節(jié)能燈和揚(yáng)聲器組成。第一轉(zhuǎn)軸25的兩端通過軸承24分別設(shè)置在兩個預(yù)留的孔洞上，負(fù)責(zé)視覺識別機(jī)構(gòu)豎直方向的旋轉(zhuǎn)工作，第二轉(zhuǎn)軸26與小車支撐柱18柱內(nèi)裝置結(jié)合，負(fù)責(zé)視覺識別機(jī)構(gòu)水平方向的旋轉(zhuǎn)工作。工作人員可以通過控制器屏幕觀察到視覺識別機(jī)構(gòu)捕捉到的畫面從而可以進(jìn)行下一步的遠(yuǎn)程控制工作。

2.2 工作原理

操作人員可根據(jù)消毒區(qū)域路況通過遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行移動，達(dá)到指定位置后，根據(jù)需要設(shè)定一定濃度的消毒液放到儲藥罐5里，然后調(diào)整旋轉(zhuǎn)輸出按鈕，在顯示屏上按下電動機(jī)13開關(guān)和正反轉(zhuǎn)電動機(jī)3開關(guān)的正轉(zhuǎn)按鈕，這時，儲水罐17里的水通過渦輪12旋轉(zhuǎn)的作用，經(jīng)過過濾器到達(dá)儲藥罐5上水管，同時消毒液通過輸出水管到達(dá)上水管處。消毒液和水混合同時到達(dá)渦輪12，在渦輪旋轉(zhuǎn)的作用下，消毒液與水更加充分均勻的混合，通過渦輪的水管10到達(dá)噴霧器7，水和消毒液的混合物經(jīng)過噴霧器霧化噴出，從而噴落到車前方以及車兩側(cè)。紫外線消毒裝置嵌入式的方式安裝在智能車兩側(cè)進(jìn)行消毒作業(yè)。

3 結(jié)束語

綜上所述，智能消毒機(jī)器人小車使用STM32為主控制器，通過各智能模塊共同作用能有效地在醫(yī)院、商場、社區(qū)、車站、機(jī)場等復(fù)雜場所以及人員密集的公共場所進(jìn)行消毒作業(yè)。系統(tǒng)設(shè)計目前還在完善，各個模塊也在不斷改進(jìn)。智能機(jī)器人的發(fā)展不斷進(jìn)步，各種消毒機(jī)器人不斷創(chuàng)新與改進(jìn)，相信不久后智能消毒機(jī)器人會逐步亮相并服務(wù)于各行各業(yè)中去[7]。