基于人工智能的实验室元件配送机设计

熊凤，罗谧，王雪，张满银，罗利升

（重庆化工职业学院,重庆，400020）

1 引言

随着互联网、大数据、云计算和物联网等技术不断发展，人工智能正引发可产生链式反应的科学突破、催生一批颠覆性技术，加速培育经济发展新动能、塑造新型产业体系，引领新一轮科技革命和产业变革。人工智能的迅速发展将深刻改变人类社会生活、改变世界。世界主要发达国家把发展人工智能作为提升国家竞争力、维护国家安全的重大战略，加紧出台规划和政策，围绕核心技术、顶尖人才、标准规范等强化部署，力图在新一轮国际科技竞争中掌握主导权。人工智能正在成为新一轮科技革命和产业变革核心技术，全球都在争先进行战略部署。本设计将人工智能技术应用于实验室自动配送元件柜。

2 方案论证与选择

2.1 系统控制器的选择

方案一：采用ATMEL公司的AT89C51，该单片机价格便宜，但是功能单一。方案二：采用ATMEGA328P单片机开发资源共享，周边I/O设备的Arduino编程，很多常用的I/O设备都已经带有库文件，利于编程，价格优廉，实用性强。缺点是最小系统不能随意地调试。方案三：采用ATMEGA2560单片机控制系统，该单片机除了具有ATMEGA328P单片机的优点外，I/O的数目比一般的单片机多。综合以上方案，配送机底部小车控制装置采用方案二，外围控制装置采用方案三。

2.2 传感器选择

方案一：采用红外线避障传感器，红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，因其在使用测量时不与被测物体直接接触，灵敏度高，因而不存在摩擦。缺点是受到光线的干扰比较大，密闭空间发挥作用不佳。方案二：采用超声波传感器，利用一端发送信号，一端接收信号，从而通过收发信号计算出障碍物的距离，比较稳定，受温度的影响小。缺点是单片机运行超声波传感器比较慢，不能大量的使用。方案三：采用红外线避障传感器与超声波传感器相结合，超声波传感器检测前方挡板的距离，结合红外线避障的辅助，使配送机底部小车控制装置正常配送元件。综合以上考虑，采用方案二、三相结合。

2.3 时钟功能选择

方案一：采用单片机内置时钟振荡电路及定时器构建时间平台。可直接利用单片机的内置定时器，通过定时器的中断和简单运算能实现时钟功能。缺点是内置定时器精确度不是很高，易出现偏差。方案二：采用专用时钟芯片DS1302，其优势是可以单独使用，直接连接单片机外围，有自己独立的时钟晶振，精度较高，单片机通过串行接口读取和写入当前时钟值，时钟芯片运行受单片机死机的影响少。其缺点是增加了时钟芯片及其外围电路的开支，成本高。[1]综合以上定时方案，采用方案二。

2.4 通讯方式的选择

方案一：采用RS-232通信方式，支路控制电路到单元控制电路只需一对线缆，速率可调，还可采用差错编码，有效保证通信可靠性。但是传输距离有限、速率低，传输容易产生共模干扰。方案二：采用蓝牙通讯方式，可双向传播、抗干扰性强、传输距离远（短距离无线技术范围）、外围控制电路到小车控制电路不需要任何的线缆，使得本系统线路简单化。方案三：采用WIFI通信。短程无线传输，能够在数百米范围内支持互联网接入的无线电信号。通信安全性好，在有效范围可越过障碍物进行连接，没有特别的通讯视角和方向要求。但是功耗高、组网专业性强。综合以上的方案，采用方案二。

2.5 系统基本组成

系统主要分为外围控制装置和电动配送柜底部小车控制装置两部分：外围控制器是整个系统的控制核心，主要是对红外遥控信号的接收、判断、分析及控制下传至配送柜底部小车控制器的命令；外围控制装置包括控制器、显示、通信、遥控模块、电源模块等；配送柜底部小车控制装置包括控制器、红外避障模块、碰撞检测、超声波定位、通信、电机驱动、声光报警等组成。配送柜底部小车控制器是执行端[2]，小车行驶到指定座位主要由蓝牙接收外围控制器的指令，经红外线传感器和超声波传感器的避障原理共同实现。

3 理论分析及计算

3.1 基于人工智能的实验室元件配送机原理分析

为了避免电动元件配送机底部小车在行驶中发生碰撞现象，采用了超声波电路和红外控制电路，控制电路采用闭环控制，超声波电路不断的向前方发出信号，元件配送机在途中碰到障碍物就立即返回，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，通过时间差计算法计算距离，让电动元件配送机底部小车在碰到障碍物之间做出控制，同时在电动元件配送机底部小车前端还增加了红外避障装置，使得基于人工智能的实验室元件配送机在送元件过程中运行更加稳定。

3.2 碰撞检测实现

若元件配送机底部小车在配送元件过程中碰撞障碍物，需检测并实时显示碰撞的次数。本系统采用敲击传感器，当元件配送机底部小车接触到指定座位挡板会产生一个振动，利用振动触发敲击电路，控制端通过传感器的信号反馈，直接控制液晶显示屏显示[3]。

3.3 元件配送机底部小车的设计

元件配送机底部小车采用双电池稳压供电，为四轮驱动小车提供稳定的电压，为了让小车能精确行驶到指定座位，在配送柜体上安装了超声波传感器和红外线避障传感器，能更加精确的驶入指定座位；外围控制装置与小车控制装置之间采用蓝牙通讯，当外围控制器设定一个固定位置，经蓝牙传输到小车控制装置小车驶入的固定位置，小车控制器控制小车驶入固定位置。

4 电路与程序设计

4.1 配送元件系统硬件电路设计

该系统有两个控制电路：外围控制电路和小车控制电路，两控制电路由蓝牙模块连接。外围控制装置由时钟计时电路、声光指示电路、显示屏电路、红外线感器构成；配送柜底部小车控制装置由超声波传感器和红外线传感器组合避障，双电池稳压输出为配送柜底部小车提供稳定的电压。

4.2 程序设计

当红外传感器检测到元件配送柜底部小车驶入指定座位时，将该信号送入控制器，开始计时，同时根据超声波传感器检测到的距离值来确定小车直行或者转弯。

5 测试结果

本系统通过多次测试，元件配送柜底部小车驶入指定座位避障功能比较突出，能正常的配送元件到指定位置，测试结果比较稳定。停止配送期间的声光指示的测试显示，无线遥控装置遥控对每个指定位置设定一次，本系统声光指示电路性能比较好，稳定性较高。

6 结论

大数据驱动的视觉分析、自然语言理解和语音识别等人工智能能力迅速提高，商业智能对话和推荐、自动驾驶、智能穿戴设备、语言翻译、自动导航、新经济预测等正快速进入实用阶段，人工智能技术正在渗透并重构生产、分配、交换、消费等经济活动环节。本设计将基于人工智能思想结合单片机用于创新应用，在核心算法和数据、硬件基础上，提升推理能力、智能分析能力、自主运动体执行能力、人机交互能力。