譚等泰
(甘肅政法學院公安技術學院,甘肅 蘭州 730070)
智能餐廳服務機器人系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)*
譚等泰
(甘肅政法學院公安技術學院,甘肅 蘭州 730070)
隨著科學技術的高速發(fā)展,機器人正逐步走進人們的生活。分析了現(xiàn)有餐廳服務機器人的優(yōu)缺點后,設計了一種多功能智能化的餐廳服務機器人,采用STM32作為機器人的核心控制器,完成機器人的循跡、語音播報和紅外避障等控制功能,同時決策多個機器人的運動位置和路徑,達到機器人送餐的快速性和準確性。經(jīng)模型測試,該餐廳服務機器人具有操作簡單、穩(wěn)定、成本低、實用性強等特點,具有廣闊的發(fā)展空間。
餐廳服務;循跡;語音播報;紅外避障
隨著機器人技術的發(fā)展,機器人已經(jīng)廣泛應用在生活的各個方面,目前常見的機器人有家庭服務機器人、助老助殘機器人、農(nóng)業(yè)機器人、工業(yè)機器人和安防機器人等。但是絕大多數(shù)服務機器人技術水平尚未成熟,與實際應用有一定距離。國內(nèi)在服務機器人研究領域起步較晚,與日本、美國等發(fā)達國家存在較大差距,由于服務機器人產(chǎn)業(yè)潛在的價值,我國也加強了在服務機器人領域的研究。餐廳服務機器人屬于服務機器人的一個種類,它主要是為現(xiàn)代化的餐廳提供送餐、點餐等功能[1]。
當下我國機器人的應用十分廣泛并且種類繁多,形式多樣,而應用于餐飲行業(yè)的機器人相對較少[2]。由于勞動力成本的提高,餐廳服務人員的人力成本支出越來越高,如在日本、香港,普通服務員的工資和產(chǎn)業(yè)工人的工資已經(jīng)不相上下。如果使用機器人代替部分服務員為顧客服務,如點菜、送餐,不但能提高服務效率,減少服務人員的數(shù)量,更能建立餐廳特色,打造餐廳品牌,進而降低勞動力成本[3]。餐廳服務機器人作為一類特殊的公共服務機器人,是一套具有自主性、適應性和交互性的綜合系統(tǒng),集成了移動機器人技術、多任務集成、人機交互、多模態(tài)分析、路徑規(guī)劃等技術。因此,研究和開發(fā)餐廳服務機器人系統(tǒng),具有十分重要的意義和推廣應用價值[4]。
本文設計了餐廳服務機器人的運動控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng),模擬完成人類服務員的各項工作流程,并且對多個機器人的運動狀態(tài)進行控制,完成路徑規(guī)劃,實現(xiàn)機器人送餐路徑最短,多機器人的相互協(xié)作,達到送餐的快速性和準確性。
餐廳服務機器人的總體設計框圖如圖1所示。采用模塊化的設計原則,將該服務機器人分為五個模塊:STM32控制器、傳感器模塊、語音模塊、運動控制模塊、電源模塊。其中傳感器模塊包括紅外避障模塊、灰度傳感器模塊、壓力傳感器模塊。系統(tǒng)采用STM32單片機作為核心控制器,采用灰度傳感器循跡,紅外避障傳感器檢測行人,語音模塊播報日常用語,步進電機及驅(qū)動模塊作為動力,同時實現(xiàn)對智能機器人的速度、位置、運行狀況的實時控制。系統(tǒng)設計了一個電源開關、一個模式開關、一個返
回鍵、垃圾回收桶和送餐托盤等,壓力傳感器安裝在托盤上。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1 循跡傳感器的設計
循跡傳感器設計中,灰度傳感器原理圖如圖2所示。
圖2 灰度傳感器原理圖
灰度傳感器是一種模擬傳感器,由一只發(fā)光二極管、一只光敏三極管、一只限流電阻和一直可調(diào)滑動變阻器構(gòu)成,如圖2(A)所示。由于檢測面對光的反射強度不同,通過光線控制光敏三極管基極的截止和導通,就可以檢測此光線的強度并將其轉(zhuǎn)換為電平信號。如果地面上貼有白色引導線,在白色引導線和檢測面上的返回值差別比較大,在白線上應輸出應接近0V,在檢測面上應接近5V,由于在復雜的環(huán)境下光線容易受外界的干擾,電平在引導線和檢測面上會變化比較大,無法達到理論要求,為此引入電壓比較器,如圖2(B)所示,調(diào)節(jié)基準電壓來穩(wěn)定的區(qū)分輸入的電平信號,相當于模擬信號數(shù)字化。基準電壓如1式所示。
灰度傳感器循跡時,采用一字型布局的分布方式。一字型布局又分為同一直線上非均勻分布和均勻分布兩種方式[5]。均勻排布型設計簡單但不利于對彎道信息的采集。而非均勻排布恰好克服了這一缺點,非均勻排布采用等角原則,即在傳感器垂直平分線上方處某點引射線與傳感器相交,射線之間夾角相等,交點為傳感器的分布點。如圖3所示。
由于餐廳服務機器人的路徑是自行設計的,經(jīng)過測試兩種設計方案的循跡效果差別很小。所以本設計將7個灰度傳感器并聯(lián)構(gòu)成一排循跡,在機器人的前面和后面分別安裝一組,分別用于前進循跡和后退循跡。
圖3 非對稱分布型傳感器
2.2 紅外避障傳感器的選擇
避障傳感器的基本原理是利用物體的反射性質(zhì)。即發(fā)出一束紅外光,如果沒有障礙物遮擋,紅外線隨著傳播距離的增加而衰減,而傳播過程中遇到障礙物,紅外線將被反射回避障傳感器的的接受頭,根據(jù)這個信號確定障礙物的距離。本設計選擇E18-D80NK紅外避障傳感器主要是該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點。如圖4所示為E18-D80NK紅外避障傳感器的管腳連接圖,有三個引腳依次為電源(紅)、地線(黑)和信號線(黃)。
圖4 避障傳感器連接圖
2.3 壓力傳感器的選擇
壓力傳感器選用單片機稱重AD模塊HX711,采用24位高精度的A/D轉(zhuǎn)換器芯片hx711,具有兩路模擬通道輸入,內(nèi)部集成128倍增益可編程放大器,是一款理想的高精度、低成本采樣前端模塊[6]。本設計將輸入電路配置為提供橋壓的電橋模式。壓力傳感器的電路圖如圖5所示。
圖5 壓力傳感器原理圖
2.4 語音模塊的選擇
語音播報模塊選用MXH040芯片。它可播放語音時間長,最長可達80s,存放語音文件數(shù)量大,支持播放不同采樣率的語音文件[7],具有多種可選擇的控制模式等。在本設計中主要采用按鍵控制模式,并通過STM32單片機的P2口來觸發(fā)語音播報。當機器人送餐過程中遇到障礙物時語音播報芯片提示“請您讓一下路,謝謝”。 當機器人到達指定餐桌時,語音模塊播報“您的餐已送到,請您用餐,謝謝”。當壓力傳感器檢測到壓力為零之后,語音模塊播報“請您收拾一下餐桌上的空盤,拜拜,謝謝”,這時機器人自主按原路返回,完成一次送餐。硬件電路如圖6所示。
圖6 語音模塊原理圖
測試過程中餐桌位置及循跡線如圖7所示,送餐機器人沿著設定的路線循跡,設定好餐桌號后機器人會選擇相應的位置送餐。
系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示,啟動后,當服務員放好餐后,設置目的地餐桌號,首先判斷奇數(shù)餐桌號還是偶數(shù)餐桌號,若檢測到奇數(shù)餐桌號,則左側(cè)傳感器(1號傳感器)檢測路口并使COUNT1計數(shù)器加一,判斷COUNT1是否等于餐桌號,若相等轉(zhuǎn)彎并循跡,當1號和7號傳感器同時檢測到白線時,停止并送餐;若檢測到偶數(shù)餐桌號,則右側(cè)傳感器(7號傳感器)檢測路口并使COUNT2計數(shù)器加一,判斷COUNT2是否等于餐桌號,若相等轉(zhuǎn)彎并循跡,當1號和7號傳感器同時檢測到白線時,停止并送餐。
圖7 餐桌布置示意圖
圖8 系統(tǒng)軟件流程圖
經(jīng)過模型測試,餐廳智能服務機器人實現(xiàn)了預期的功能,能夠穩(wěn)定的沿著設定的白線循跡,當遇到前方有人通過時,機器人會自動語音提示,同時能夠準確的檢測到設定的餐桌號,到達目的地后,自動提示顧客取餐,當壓力傳感器檢測到為0時,會自動按原返回。餐廳服務機器人模擬完成人類服務員的各項工作流程,實現(xiàn)多個機器人協(xié)作之間不發(fā)生碰撞,做到了送餐的快速性和準確性。
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TP242.3
甘肅政法學院科研資助項(編號GZF2014XQNLW03)。