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2022广东省大学生电子设计竞赛-省一等奖作品报告 全自动多功能核酸检测系统(智慧医疗)
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2022广东省大学生电子设计竞赛-省一等奖作品报告 全自动多功能核酸检测系统(智慧医疗)
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2022 年广东省大学生电子设计竞赛
全自动多功能核酸检测系统(智慧医疗)
Automatic multifunctional nucleic acid
detection system (intelligent medical treatment)
2022 年 8 月 17 日
I
摘 要
在新型冠状病毒肆虐全球的背景下,为了有效降低医护人员在给病人进行核酸检测时
被感染的风险、提升咽拭子核酸检测采样的规范性,减轻医护人员的工作压力,提供时间
上更为灵活的采样模式,为核酸采样者提供更为安全的检测模式。该核酸检测系统包括:
总控制台核酸检测模式设置(单检/混检),扫码器扫码并上传数据,机械臂咽拭子采样,
智能小车对区域环境和人员消毒的功能,真正的实现了全自动化,全无人化的核酸采样点
的全部功能,为今后的核酸采样工作提供了极大地便利。
关键词:全自动化核酸采样;智慧医疗;ROS 机器人;SLAM 建图;K210 机器视
觉;机械臂;室内无人驾驶导航避障;AI 人工智能;云服务器;核酸检测机器
人;咽拭子检测;FOC 无刷电机控制
II
目 录
一、系统方案 ................................................................. 1
1、总控台的论证与选择 ......................................................................................................... 1
2、扫码系统的论证与选择 ..................................................................................................... 1
3、空间消毒智能车的论证与选择 ......................................................................................... 1
4、核酸咽拭子采样机械臂的论证与选择 ............................................................................. 2
5、通信模块的论证与选择 ..................................................................................................... 2
二、系统理论分析 ............................................................. 3
1、基于 K210 总控台及扫码系统的分析 .............................................................................. 3
(1)ov2640 摄像头模块(图 1) ................................................................................. 3
(2)功放部分(图 2) .................................................................................................. 3
(2)基于 JDY-41 的无线通信(图 3) ........................................................................ 4
2、基于 ESP32 中控台的分析。 ............................................................................................ 4
(1)基于 JDY-41 的无线通信模块 ............................................................................... 4
(2)ESP32 的网络服务器功能 ..................................................................................... 4
(3)LCD 显示屏(图 4) ............................................................................................. 5
2、基于 ROS 核酸采样系统的分析 ....................................................................................... 5
(1)基于树莓派的核酸检测机械臂 ............................................................................. 5
(2)机械臂消毒系统 ................................................................................................... 14
(3)检测点状态指示灯系统 ....................................................................................... 14
4)基于 FOC 磁场矢量控制无刷电机的转盘部分 ..................................................... 14
3、基于 ROS 自动驾驶空间消毒智能车的分析 ................................................................. 21
(1)STM32 底板智能车底盘驱动系统 ...................................................................... 21
(2)基于 ROS1 的导航避障系统 ............................................................................... 23
(3)消毒液喷洒和语音播报系统 ............................................................................... 31
三、电路与程序设计 .......................................................... 32
1、电路的设计 ....................................................................................................................... 32
(1)系统总体框图 ....................................................................................................... 32
(1) 基于 K210 扫码子系统框图与电路原理图 .................................................. 32
(2) 基于 ESP32 总控台电路原理图 .................................................................... 33
(3)基于 ROS 核酸采样子系统框图与电路原理图 ................................................. 34
(4)基于 ROS 自动驾驶空间消毒智能车系统电路原理图 ..................................... 36
2、程序的设计 ....................................................................................................................... 38
(1)程序功能描述与设计思路 ................................................................................... 38
(2)程序流程图 ........................................................................................................... 38
四、测试方案与测试结果 ...................................................... 41
1、测试方案 ........................................................................................................................... 41
2、测试条件 ........................................................................................................................... 41
3、测试结果及分析 ............................................................................................................... 41
(1)测试结果(数据) .................................................................................................... 41
III
(2)测试分析与结论 ................................................................................................... 41
五、结论与心得 .............................................................. 41
六、参考文献 ................................................................ 42
附录 1 源程序 ................................................................ 43
1
全自动多功能核酸检测系统
一、系统方案
本系统主要由核酸检测总控制台模块、K210 二维码扫描模块、机械臂核酸采样模
块、空间消毒智能车模块,通信模块组成下面分别论证这几个模块的选择。
1、总控台的论证与选择
方案一:总控台采用以树莓派等能运行完整 linux 环境的 soc 搭建,能运行服务器与显
示界面,具有较强的数据处理能力。
优点:人机交互较为方便,服务器功能多。
缺点:价格昂贵,开发周期长,且中控台不涉及大量的数据处理,运算能力冗余。
方案二:总控台采用低功耗嵌入式芯片 ESP32,其具备网络能力,可以搭建简单的网络
服务器,其自带的 freertos 操作系统也能满足主控的多线程需要。
综合以上两种方案,选择方案二。
2、扫码系统的论证与选择
方案一:扫码系统采用全志 R329 等具备边缘计算能力的可运行完整 linux 系统的
soc,在其上运行 OpenCV,实现强大的机器视觉功能。
优点:计算速度块,可拓展性强。
缺点:价格昂贵
方案二:使用 k210 嵌入式芯片,刷入 microPython 固件后使用 Python 语言编程,
可实现简单的机器视觉功能。
优点:价格便宜,功耗低,无需固定电源,可长时间运行。
缺点:功能较为单一,运算能力较弱。
综合以上两种方案,选择方案二
3、空间消毒智能车的论证与选择
方案一:采用成本较低的传统小车设计方案,使用编码器测算小车目前位置。使用超声
波或红外检测模块进行人体检测实现避障功能。
优点:成本低廉,实现简单。
缺点:实现效果较差,避障功能不够智能,在不同场地复制较难,定位易出现偏差
方案二:采用 ROS 机器人操作系统融和单线激光雷达实现对环境地图的构建以及小车
定位与避障。
优点:使用激光雷达建立地图,结合编码器,陀螺仪,单线激光雷达进行融合定位,定
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