基于智能检测算法的机器人控制系统设计

摘要：随着人口结构的变化和用工成本不断上涨，无人驾驶智慧清洁机器人的需求蒸蒸日上。本团队产品主要为无人驾驶智慧清洁机器人，具备精准的智能垃圾识别能力，可实现自主全环境识别，并实现全自动、全工况、精细化、高效率的清洁作业。本文将围绕三大能力的底层支持模块，机器人控制的子系统，以及为保证准确的轨迹跟踪的设计进行介绍。

一、国内外研究现状

目前，清洁行业大力得到国家政策的支持，已经拥有完善的行业标准体系，健全的财政税收政策，以及国家层面更加重视。无人驾驶智慧清洁机器人的垃圾检测和识别技术是目前清洁行业中最为关键的技术。

三大能力的底层支持模块分别有：专业清洁机械结构、准车规级无人驾驶底盘、电控系统、SLAM导航系统、云平台与操控管理软件系统等模块。目前市面上的厂商基本都具备以上关键性的模块，但仍存在很多产品痛点和难点。

目前行业存在的现状和待解决的问题有

一：目前大部分厂商的智能环境感知模块主要用于SLAM导航系统，通过智能感知算法引导，指挥清洁作业的效果十分薄弱。

二：覆盖式清洁作业、清扫速度慢的问题。

三：适应能力弱的问题。在雨雾环境，可见度较低，使得清洁机器人识别和检测垃圾的能力急剧下降。

为解决上述问题并为了保证准确的轨迹跟踪，需要进行机器人移动平台的横向运动控制，智慧清洁机器人硬件系统设计和模块选型是否合理直接影响到机器人移动平台的运动稳定性和清扫工作装置的工作效率。本设计根据智慧清洁机器人实际作业任务需求确定设计要求和方案，将硬件系统分为不同的功能模块，分别进行选型和搭建。

未来将在产品形态，功能，应用场景多元化发展，为面对更加复杂的应用场景，履带式，攀爬式，行走式等机器人有望出现。

二、设计目标与方案实现

（一）设计目标。

本文的设计目标是为了实现设备在智能清洁路面的同时，能够更加精准地识别和检测垃圾，从而降低清洁结构损坏率，并能够实现主动目标识别和清扫功能和在恶劣天气条件下清洁工作，使得清洁机器人更加智能、快速、高效地清洁垃圾。该机器人的主要功能有扫地、洗地、消毒杀菌、降尘一体，除此之外，该机器人在支持语音交互的同时，也具备支持5G技术的能力和自主规划路径功能，而且该清洁机器人的垃圾识别功能强，能够识别特殊形状的垃圾，如玻璃、扎带、薄膜等，使得清洁更加智能化。

（二）实现方案

为了保证准确的轨迹跟踪，需要进行机器人移动平台的横向运动控制，现有的横向运动控制算法主要有四种，分别是 PID 控制、滑模控制、模糊控制和模型预测控制。控制器一般通过求解前轮转角及后轮速度等输出量完成控制，建立精确的系统模型是控制系统设计的关键。对于难以建立详细完整模型的系统，模型预测控制往往能够在兼顾系统约束条件的前提下求解。其包含了预测模型、滚动优化和反馈校正三个环节。

三、控制系统设计

（一）控制系统设计

智慧清洁机器人控制系统设计和模块选型是否合理直接影响到机器人移动平台的运动稳定性和清扫工作装置的工作效率。本设计实际作业任务需求确定设计要求和方案，将控制系统分为不同的功能模块，分别进行选型和搭建。

智慧清洁机器人包含任务决策、环境感知、路径规划和运动控制四个子系统。当作业任务分配到单台智慧清洁机器人后，机器人根据作业任务的信息特点，自身设备及环境信息进行任务决策和规划。智慧清洁机器人需要主动获得实时环境信息，获取渠道可以分为两种：通过机器人搭载的各种传感器获取不同形式的环境信息数据，感知系统再对其进行融合加工，形成周边环境情况的完整信息;利用网络的互联互通特性，及时对外部环境信息形成反馈。

路径规划系统是为了使智慧清洁机器人在具有障碍物（如机械设备和行人）的复杂环境中，按照任务制定的评价标准，制定出可行性路线。同时，针对智慧清洁机器人，运动控制系统还包括对清扫装置的控制。智慧清洁机器人的硬件系统主要包括：运动控制模块、传感器模块和供电模块。传感器模块负责环境感知和智慧清洁机器人状态信息采集，包括激光雷达、超声波传感器、等传感器。各种传感器的数据如激光数据、IMU数据通过算法融合，可以建立效果更好、精度更高的全局和局部地图，能够有效解决传感器累积误差导致的建图偏差。

建立精确的系统模型是控制系统设计的关键，为该机器人设计的模型预测控制往往能够在兼顾系统约束条件的前提下求解，其包含了预测模型、滚动优化和反馈校正三个环节。设计采用泰勒级数对非线性系统近似线性化从而得到线性时变系统，该方法计算求解较为便利，适用于模型预测控制。通过参考目标函数：

，设计采用目标函数时用了软约束进行控制约束，引入松弛因子ε避免求解时找不到可行解，ρ代表权重系数，Nc和Np分别表示预测和控制时域。

（二）设计优势

本团队的无人驾驶智慧清洁机器人可实现自主全环境识别，并实现全自动、全工况、精细化、高效率的清洁作业、可以运用于工业厂区、市政街道、酒店、商场、住宅小区、物流园区、公园、学校等场景。自主设计的控制系统与算法搭建使机器人具备精准的智能垃圾识别能力，且在智慧清洁机器人的轨迹跟踪过程中，预测模型、滚动优化和反馈校正每时每刻都在进行，效率得以保证。

四、总结

控制系统是由机器人和作业对象及环境共同构成的整体，其中包括机械系统，驱动系统，控制系统和感知系统四大部分。智慧清洁机器人控制系统设计和模块选型是否合理直接影响到机器人移动平台的运动稳定性和清扫工作装置的工作效率。本文通过对智能清洁机器人的控制系统的设计论述了清洁器人控制系统的选形及搭建。

参考文献：

【1】基于FANUC机器人控制系统的机器人螺杆泵涂胶系统的设计【J】葛藤，何嘉龙，周汐睿 《装备制造技术》2021（02）

【2】RoboCup实物救援机器人研究——自主机器人控制系统设计与实现【D】蒋春霞，东南大学，2010

【3】基于ST89C52单片机的智能搬运机器人设计【J】彭飞，王会良，谷青峰，彭兰新《科学技术创新》2019（10）