基於室內導航的消毒防疫機器人

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基於室內導航的消毒防疫機器人新冠肺炎疫情席捲全球，目前形勢依然很嚴峻，現仍處於新冠疫情特殊時期，採用人工方式消毒具有更高的感染風險，醫護人員作為社會重要的人才儲備需要得到恰當的保護。在此背景下，消毒機器人代替人力進行防控巡檢的方法成為一種需求。

目錄

簡介

不同於室內人工消毒方式存在耗費勞動力、有死角、存在二次污染、濃度不能控制、成本高等缺陷，消毒防疫機器人是以搭載有導航定位系統的運動底盤為載體，在該運動底盤上安裝霧化消毒系統，實現對消毒液體的霧化噴灑，驅除殺死環境內的有害細菌與微生物。並且具有自主避障、路徑規劃、自動回充等功能，按照最優路徑消毒的同時，能夠避開遇到的障礙物，當電壓低於一定值能夠返航到視日軌跡跟蹤供電系統所在坐標。消毒機器人可以減輕醫護人員的工作強度，有效減少由人員交叉接觸導致的感染風險，提升防控能力，且工作效率高，非常適合需要高頻反覆消毒的公共場所。

二．技術方案

本作品的內容是設計一款基於室內導航的消毒防疫機器人，上位機是阿里雲物聯網設備管理系統，下位機由導航定位系統、視日軌跡跟蹤供電系統、霧化消毒系統共同組成。

阿里雲物聯網設備管理系統界面，阿里雲物聯網平台接收由STM32和WIFI模組ESP8266通過MQTT協議傳輸的數據，進行Web可視化開發。

導航定位系統分為底層控制模塊與上層控制模塊。底層控制部分採用STM32F407ZGT6為MCU，搭載IMU傳感器，鋰電池供電電路，並且能夠提供多個接口連接外部傳感器。底層控制器主要負責驅動MPU6050、增量式編碼器等傳感器，對獲取的數據進行變換、濾波。系統通過串口通信，建立底層控制器與上層控制的數據通信。上層控制部分採用樹莓派，配置有Ubuntu操作系統，基於Ubuntu部署了ROS機器人操作系統框架。ROS負責處理底層控制器上傳的機器人狀態，姿態，位移等數據，並且運行實現目標功能所需的算法程序，以實現建圖定位，多點巡航，路徑規劃等功能。

導航定位系統採用兩輪差分模型，搭載了里程計，IMU光雷達等傳感器，處理器採用Raspberry Pi 3B，微控制器採用STM32F407ZGT6。其中Raspberry Pi 3B負責運行建圖定位，路徑規劃等算法，STM32F407ZGT6負責驅動傳感器採集數據，並且對數據進行融合與轉換，兩者通過串口通訊實現數據的傳輸。

視日軌跡跟蹤供電系統是通過北斗模塊與時鐘芯片獲取設備所在位置的經緯度與當前時間，根據視日軌跡跟蹤理論計算出設備所在位置的太陽高度角和方位角，將太陽位置與設備自身姿態進行對比並且調整，實現全天候太陽能板自動正朝太陽，並且通過電路設置LT3652芯片自帶的MPPT算法提高太陽能電池板的電能轉化效率，對設備進行供電儲備。圖5是視日軌跡追蹤軟件實現流程。

視日軌跡跟蹤模塊以二自由度雲台為機械基礎，驅動北斗定位傳感器，應用視日軌跡跟蹤算法實現太陽自動跟蹤。模塊主體為二自由度雲台是通過使用SOLIDWORK進行三維建模結合3D打印技術設計製作，SolidWork建圖如圖5所示。執行部分由兩個閉環步進電機組成，分別對應高度角與方位角，如圖7所示，能夠實現航向與俯仰兩個範圍內的跟蹤運動。

霧化消毒系統使用具有壓電效應的微孔超聲波霧化片，高頻電壓可以使其發生反覆快速形變，達到振動的效果，實現對消毒液體的霧化噴灑，實現霧化消毒功能。

三．創新設計

基於室內導航的消毒防疫機器人採用ROS機器人操作系統組織底層驅動里程計、IMU、激光雷達等傳感器獲取的運動數據，進行數據融合與算法應用實現建圖定位，路徑規劃等功能，可以在在污染區和隔離區工作，解放人力，保障防疫工作者安全且節約醫療防護物資。

消毒機器人視日軌跡跟蹤供電系統將太陽能轉化為電能儲備，用於為處於電量不足狀態，能夠自動回充的導航運動底盤提供電能來源，採用恆定電壓MPPT算法提高太陽能電池板的電能轉化效率。

消毒防疫機器人的霧化消毒系統滿足多種消毒需求，可裝載不同消毒劑均勻噴灑，減少消毒用品的浪費，且消毒防疫機器人體型較小，易存放移動，供電系統與自動回充功能確保在特殊情況時機器人應急性強。

消毒防疫機器人結合物聯網技術，便於掌握消毒進程及消毒機器人的各項指標情況。