基于樹莓派的引導式機器人設計*

劉繼軍，張旭峰，趙澤宇，王瑞豪，馬毓乾

(太原工業學院,山西 太原 030013)

0 引言

隨著時代進步,人民生活水平不斷提升,流動人口總量持續增長。面對來自四面八方、需求各不相同的人群,服務人員的精力有限,一時之間難以滿足人群的各種需求。

現階段,我國大多數醫院都沒有真正站在患者的角度對門診服務進行研究,存在就診流程繁瑣、等待時間長、服務態度差等問題。這不僅影響醫療服務質量和效率,更影響患者的就醫效率。張川、賈小溪(2021)認為實施門診改善服務,建立以病人需求為導向的門診服務模式,通過強化信息技術支撐作用,助力智慧門診服務建設,如建立AI智能客服平臺,提供患者智能咨詢服務,對門診處方、化驗單、檢查單進行解讀,能夠更好地服務門診患者[1]。

如能開發具有引導功能的機器人,既可幫助群眾通曉辦事流程,又能減少服務人員不必要的重復勞動,從而節約人力成本,降低因初次到訪服務區域而不知所措的群眾數量。

1 整體設計

機器人通過GPS獲取機體位置、姿態角、距離等,通過HC-SR04超聲波模塊檢測障礙,由樹莓派控制電機行為,按照預先規定的路徑及范圍行動。通過ssh功能遠程對樹莓派進行控制及調整,通過藍牙RSSI進行測距以避免與使用者分離。

2 硬件設備

2.1 樹莓派

樹莓派又稱卡片式電腦,是一款基于ARM的微型電腦主板,以SD/MicroSD卡為內存硬盤,具備所有PC的基本功能。樹莓派通過GPIO庫對外設進行操作,具有很強大的可開發性[2]。

2.2 HC-SR04超聲波模塊

采用超聲波發射接收一體的超聲波測距模塊HC-SR04,該傳感器體積小,功耗低,并提供2 cm ～400 cm(約1英寸至13英尺)之間出色的非接觸范圍檢測,精度為3 mm。如果發射的脈沖沒有被反射回來,則回波信號將在38 ms后標記超時并返回低電平。因此,38 ms的脈沖即表示在傳感器測距范圍內沒有障礙物存在。

2.3 GPS定位模塊

GPS是全球定位系統的簡稱,源于 1958年美國軍方的一個項目,直到1994年已完成24顆GPS衛星的布設,其全球覆蓋率高達98%。GPS技術發展到現在,在一定的技術權限和精度要求的范圍內,美國軍方向全球民用需求開放GPS提供免費支持。GPS技術反應迅速,運作實時,具有高精度、全天候、使用廣泛等特點,是目前最為成功的衛星定位系統。

2.4 移動方式

機器人依照其移動機構可分為輪式、履帶式、腿式、蛇行式、跳躍式和復合式。其中輪式移動機器人按照車輪數目又可分為單輪滾動機器人、雙輪移動機器人、四輪移動機器人、多輪 (復六輪和八輪) 移動機器人[3]。相比于其他各式機器人,輪式移動機器人機構簡單,運行速度快,驅動、控制較為簡易和方便。所以輪式機器人被大量應用于工業、農業、服務業等各個領域。

對于平整地面而言,單輪、雙輪機器人天然具有不穩定的特征,強行配置務必將消耗一定的運算使機器人保持穩定。如無特殊要求,選擇三輪或四輪機器人更為合適。此處選擇后輪驅動前輪轉向的四輪機器人。

轉向機構采用了汽車常用的阿克曼轉向機構,以此解決機器人轉向時左、右轉向輪的轉向半徑不同所造成的轉向輪轉角不同的問題。

3 關鍵技術

3.1 超聲波測距

渡越時間探測法指的是超聲波發生器往某個方向發射超聲波,計時開始于發射的時間點,此后超聲波沿直線傳播,當超聲波撞擊到物體時就被反射回來,當超聲波接收器接收到返回來的回波時計時停止[4]。

超聲波測距通過超聲波脈沖發射與接收的時間差進行計算。

其中,t為發射與接收的時間間隔;v為超聲波在空氣中傳播速度;x為探頭與被測物體間距離。

其中,T為環境攝氏溫度。

3.2 自主定位導航

根據離線地圖構建區劃和路線?；诂F有地圖將服務區域中眾多目的地,依照其位置劃分為各個小區域。預先記錄關鍵轉折點位的位置信息。編譯程序使機器人根據目的地自主判斷所要到達的小區域,并依照預先錄制的路線運行。

3.3 障礙物規避

小車共連接有三個HC-SR04超聲波模塊。小車運行過程中將不間斷嘗試獲取前方距離,當距離小于預設值時停止前進,根據當前情況做出反應,越過障礙物后,控制小車回轉方向并重新獲取位置信息以判斷當前位置,具體流程如圖2所示。

圖1 避障程序設計

圖2 心電信號采集電路結構框圖

圖2 藍牙連接程序設計

圖3 心電信號采集系統總體設計方案框圖

圖4 人體實測連接圖

3.4 微信小程序掃描二維碼啟動藍牙連接設備(如圖2所示)

3.4.1 初始化藍牙設備(檢測藍牙是否開啟)

如果手機上的藍牙沒有打開,可以提醒用戶“手機藍牙未打開”。初始化成功后,搜索周邊藍牙設備。

3.4.2 獲取藍牙設備信息

采用wx.getBluetoothDevices方式,獲取在藍牙模塊生效期間所有已發現的藍牙設備。包括已經和本機處于連接狀態的設備。

3.4.3 判斷里面是否有想要的藍牙設備

找到指定藍牙后,通過設備ID進行藍牙連接,連接藍牙成功之后關閉藍牙搜索。未找到指定藍牙則提醒使用者靠近一點重試。

3.5 通過RSSI測距實現跟隨判定

隨著無線傳感網絡(WSN)快速發展,基于WSN的定位技術也逐漸成為研究熱門。但此類定位技術相較于GPS,往往依賴于外置信號源如WiFi、藍牙、超寬帶等或天然信號源,如地磁場實現定位,其具有許多缺點,常應用于室內。

此處僅需實現低精度的室外短距離測距,故采用藍牙定位技術,通過藍牙RISS值實現低精度測距。但是該技術容易受到外部噪聲信號的干擾,信號穩定性較差,通信范圍較小[5]。同時室外環境復雜多變,信號強度的測量值往往與理想中的強度存在差異。實際測量時會發現RSSI測量值會在中心值輕微波動的同時伴有個別粗大異常值。而且隨著測量距離的增大,RSSI測量值的波動范圍也會變大[6]。因此需要對測量的RSSI值進行預處理。

經研究,可以通過肖維勒法剔除測量時出現的個別粗大異常值[6],即確定一個以正態分布的均值為中心的數據范圍,對不符合該限度的值作異常值進行剔除。此時即可將數據導入計算發射端和接收端之間的距離。

通過3.4所述將使用者智能設備與機器人進行藍牙連接。

通過藍牙信號估算距離,測距算法公式:

其中,d為計算所得距離;RSSI為接收信號強度;A為發射端和接收端相距一米時的信號強度;n為環境衰減因子。

采集兩組不同的d值與RSSI值,分別為(d1,RSSI1)、 (d2,RSSI2),根據距離與信號強度計算n值公式:

根據距離與信號強度計算A值公式:

當n值確定后計算A值公式:

A=abs(RSSI)-10×n×log10d.

因n值及d值均確定,故實際A值只與RSSI值相關

通過計算得到d值后,如使用者與機器人之間的距離過大,則控制機器人停止前進、閃爍指示燈等待使用者靠近。

3.6 電機驅動

采用ZM-6510M模塊實現驅動,該模塊可采用PWM占空比控制或者通過485串口控制。此處采用PWM占空比控制方式進行控制。將無刷電機接入ZM-6510M模塊,使用24 V電源供電,即可通過PWM控制電機工作。模塊PU端口即為PWM脈沖波輸入口,可以通過輸入不同空占比的PWM脈沖波控制電機的轉動速度[7]。DIR端口可選擇電機的正反轉。BREAK端口和EN端口分別控制電機的停止和啟動。另外,該模塊還可以輸出一些運行中的警告信息和電機的轉速信息且具有欠壓、過壓、堵轉、過熱保護。

4 結語

本文所設計的輪式機器人,以樹莓派4b為控制核心,通過人為確定路徑范圍實現了一定區域內的引導服務。機器人可自主完成避障行動,使用者可通過微信小程序與其進行溝通操作,管理者可通過ssh功能對機器人進行調整。RSSI測距可以使機器人保持在使用者一定范圍內進行活動。但是通過人為確定路徑范圍較為繁瑣復雜,不利于機器人的廣泛應用。后期可以接入如百度地圖開放平臺等地圖導航系統應用于更加廣闊的室外,或者可以搭配精細的RSSI定位模塊應用于室內。該機器人總體而言具有較強的擴展性和可兼容性。