智能助餐機(jī)器人的設(shè)計(jì)

孫海欣,曹志強(qiáng),2

(1.長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022; 2.杭州迪普科技股份有限公司，杭州 310000)

智能助餐機(jī)器人的設(shè)計(jì)

孫海欣1,曹志強(qiáng)1,2

(1.長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022; 2.杭州迪普科技股份有限公司，杭州 310000)

以KL26Z256ZLL4單片機(jī)為控制核心，結(jié)合紅外對(duì)管、超聲波模塊、干簧管、ISD1820語音模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及迪文串口屏，設(shè)計(jì)一款智能助餐機(jī)器人。該系統(tǒng)可自主完成路徑識(shí)別，障礙識(shí)別減速及提醒處理，點(diǎn)餐和送餐的功能。通過使用紅外對(duì)管進(jìn)行路徑檢測(cè)，保證路徑識(shí)別的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；通過超聲波模塊、語音模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的配合，完成對(duì)前方道路的行人進(jìn)行障礙識(shí)別及語音提醒。

助餐機(jī)器人；點(diǎn)餐；送餐；避障

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)及餐飲行業(yè)的快速發(fā)展，人們的餐飲消費(fèi)能力不斷提高，各種新興的餐飲形式不斷涌現(xiàn)。高昂的人工成本、餐飲市場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致沒有特色沒有品牌的經(jīng)營(yíng)往往瀕臨倒閉，整個(gè)餐飲市場(chǎng)可以說是盈虧參半。據(jù)國(guó)內(nèi)貿(mào)易部服務(wù)消費(fèi)司統(tǒng)計(jì)，餐飲行業(yè)盈利的只有40%，保本或微利的占30%，剩下的30%就面臨虧損。因此，減小餐飲行業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本迫在眉睫。

近年來，服務(wù)型機(jī)器人已走入廣大研究者的視野，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)或者是高校實(shí)驗(yàn)室都開始對(duì)其進(jìn)行研究[1-3]。如今，由于相關(guān)技術(shù)的成熟和服務(wù)型機(jī)器人廣闊的發(fā)展前景，服務(wù)型機(jī)器人已逐漸從研究所和高校走出，并且越來越受到商業(yè)界和企業(yè)的注意。在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開發(fā)出一些商業(yè)化的服務(wù)機(jī)器人產(chǎn)品。根據(jù)餐飲行業(yè)對(duì)服務(wù)型機(jī)器人的要求，本文設(shè)計(jì)一款餐廳智能助餐機(jī)器人[4-7]，該機(jī)器人可自主完成路徑識(shí)別、障礙識(shí)別減速及提醒處理，點(diǎn)餐和送餐的功能。不僅節(jié)約人力成本，還滿足人們對(duì)生活智能化的需求。

1 總體設(shè)計(jì)方案

圖1 整體系統(tǒng)框架

本文設(shè)計(jì)的智能助餐機(jī)器人系統(tǒng)由控制模塊、信息采集模塊、點(diǎn)餐送餐模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、語音模塊五部分構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，控制模塊使用恩智浦公司的KL26Z256ZLL4芯片作為控制核心，它接收系統(tǒng)各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及相應(yīng)控制。信息采集模塊使用紅外傳感器，HC-SR04超聲波傳感器和干簧管來采集道路信息。點(diǎn)餐送餐系統(tǒng)通過串口觸摸屏實(shí)現(xiàn)，型號(hào)為迪文科技有限公司的DWT48270M50-06WT，通過串口觸摸屏，用戶可以實(shí)時(shí)選擇座位號(hào)點(diǎn)菜等交互。此外，通過藍(lán)牙模塊將點(diǎn)餐的菜單傳送到PC端，PC端接收相應(yīng)信息。信息采集模塊主要檢測(cè)道路信息，通過控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后通過驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)差速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人循跡行駛[8-10]。語音模塊在特定場(chǎng)景下由控制芯片控制播放語音。例如，提醒用戶點(diǎn)餐、提醒用戶用餐、在行駛過程中檢測(cè)到障礙后提醒讓路等[11-12]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要采用KL26系列的100腳MKL26Z256VLL4芯片作為核心控制芯片。芯片引腳包括了電源引腳、調(diào)試/編程接口、晶振接口、復(fù)位引腳、通用I/O引腳和復(fù)用引腳。由于該芯片內(nèi)部集成的功能較多，因此在芯片設(shè)計(jì)時(shí)，內(nèi)核內(nèi)部把多個(gè)功能復(fù)用到相同的引腳上，從而減少引腳數(shù)。可通過修改復(fù)用寄存器來修改相應(yīng)引腳的功能。本設(shè)計(jì)主要使用引腳的GPIO功能，UART功能和TMP功能。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖

2.2 電源電路

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用兩種電壓，分別為3.3V電壓和5V電壓。其中，3.3V電壓標(biāo)準(zhǔn)主要給單片機(jī)供電，5V電壓標(biāo)準(zhǔn)主要給外圍電路供電。本文采用電池作為系統(tǒng)輸入電壓，提供7.2V電壓。通過LM2940將7.2V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V電壓，再通過穩(wěn)壓芯片ASM1117將5V輸入轉(zhuǎn)換成3.3V輸出，以給單片機(jī)供電。

2.3 信息采集電路

信息采集電路主要使用紅外循跡電路，HC-SR04超聲波傳感器和干簧管來采集道路信息。紅外傳感器用于餐廳助餐機(jī)器人的道路循跡，要求機(jī)器人能準(zhǔn)確快速分辨出餐廳內(nèi)部的道路，從而讓機(jī)器人按規(guī)定的軌跡行駛。紅外循跡電路如圖3所示。

圖3 紅外循跡電路

超聲波模塊主要檢測(cè)車體前方障礙。模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，若有信號(hào)返回，IO口輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，距離計(jì)算公式為：

距離=(高電平時(shí)間*聲速)/2

(1)

一旦發(fā)現(xiàn)前方障礙，就會(huì)觸發(fā)單片機(jī)中斷。本系統(tǒng)使用的HC-SR04超聲波模塊能準(zhǔn)確檢測(cè)到1米內(nèi)的障礙，其精度能達(dá)到0.5cm。

干簧管主要用于檢測(cè)道路節(jié)點(diǎn)處的強(qiáng)磁鐵。通往每張餐桌的巡航線的節(jié)點(diǎn)處設(shè)有強(qiáng)磁鐵，通過檢測(cè)強(qiáng)磁鐵觸發(fā)干簧管的次數(shù)來區(qū)分不同的餐桌。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有三個(gè)功能：為電機(jī)提供提供驅(qū)動(dòng)電流；改變電機(jī)極性及實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)變化；實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速(需要軟件配合，即單片機(jī)產(chǎn)生PWM波)。本設(shè)計(jì)通過使用L298N芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)原理如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 顯示屏界面及通信設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用DGUS Tool進(jìn)行顯示界面的設(shè)計(jì)，DGUS Tool為迪文公司為其顯示屏設(shè)計(jì)的圖形界面開發(fā)軟件。在該軟件環(huán)境中，開發(fā)者能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)界面人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。顯示屏部分界面如圖5所示。顯示屏與單片機(jī)使用串口通信，在界面設(shè)計(jì)時(shí)需要規(guī)劃好通信協(xié)議，一條完整的串口數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 串口通信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

圖5 程序流程圖

單片機(jī)程序設(shè)計(jì)是在IAR Systems環(huán)境下，使用C語言對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)功能進(jìn)行軟件開發(fā)。首先，依據(jù)硬件電路和各模塊技術(shù)手冊(cè)，對(duì)各模塊進(jìn)行編程，在單獨(dú)測(cè)試后，進(jìn)行整體聯(lián)調(diào)、分析系統(tǒng)程序，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試、修正，最終形成穩(wěn)定成熟的軟件系統(tǒng)。程序流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)工作流程為：當(dāng)有顧客需要點(diǎn)餐時(shí)，服務(wù)員在觸屏的座位號(hào)選擇界面選擇相應(yīng)座位，選擇完成后助餐機(jī)器人沿巡航線移動(dòng)，行進(jìn)過程中時(shí)刻判斷道路節(jié)點(diǎn)和是否有障礙物，若有障礙，則停止，等待，同時(shí)語音提示“您好，請(qǐng)讓路”；若檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)，則進(jìn)入對(duì)應(yīng)子程序，進(jìn)行停車或者轉(zhuǎn)彎；到達(dá)終點(diǎn)后語音提示“歡迎光臨，請(qǐng)點(diǎn)餐”并等待。顧客完成點(diǎn)餐后，發(fā)送點(diǎn)餐數(shù)據(jù)到PC端，助餐機(jī)器人沿原路返回。

當(dāng)需要機(jī)器人送餐時(shí)，服務(wù)員在觸屏的座位號(hào)選擇界面選擇相應(yīng)座位，選擇完成后機(jī)器人沿巡航線移動(dòng)，行進(jìn)過程中時(shí)刻判斷道路節(jié)點(diǎn)和是否有障礙物。若有障礙，則停止，等待同時(shí)語音提示“您好，請(qǐng)讓路”；若檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)，則進(jìn)入對(duì)應(yīng)子程序，進(jìn)行停車或者轉(zhuǎn)彎，到達(dá)終點(diǎn)后語音提示“歡迎光臨，請(qǐng)取餐”并等待?？腿巳⊥瓴秃?，點(diǎn)擊返回，機(jī)器人沿原路返回。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的助餐機(jī)器人應(yīng)用于餐廳場(chǎng)景，可循跡駛向指定餐桌，并搭載點(diǎn)餐觸摸屏，實(shí)現(xiàn)餐廳智能點(diǎn)餐和送餐。本設(shè)計(jì)在理論分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)總體方案確定系統(tǒng)的組成。對(duì)系統(tǒng)的每一個(gè)模塊進(jìn)行元件的選型和電路設(shè)計(jì)，在完成硬件電路設(shè)計(jì)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的搭建后，進(jìn)行程序流程的規(guī)劃，完成程序流程圖，然后進(jìn)行單片機(jī)軟件和觸摸屏的操作界面的編寫，最終完成本設(shè)計(jì)。系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了智能點(diǎn)餐和送餐、障礙檢測(cè)、路徑識(shí)別及語音提醒等功能。可以預(yù)見，本文設(shè)計(jì)的餐廳智能助餐機(jī)器人具有廣闊的市場(chǎng)前景和重要的研究意義，符合當(dāng)今人們對(duì)生活智能化的要求，可節(jié)省餐廳的人力成本。

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責(zé)任編輯：程艷艷

Design of Intelligent Meal-assisted Robot

SUN Haixin1, CAO Zhiqiang1,2

(1. College of Electronic Information Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China;2. Hangzhou DP Tech Co., Ltd, Hangzhou 310000, China)

This paper, combining with infrared emitting diode and photodiode, ultrasonic module, tongue tube, ISD1820 voice module, motor driving module and Devin serial screen, designs an intelligent meal-assisted robot which uses KL26Z256ZLL4 microcontroller as the control core. The system can accomplish the path recognition, obstacles identification slowdown and reminding processings, as well as meal ordering and meal delivery functions. The path detection is realized by infrared emitting diode and photodiode to ensure the accuracy and stability of the path identification. The obstacle recognition and voice reminding are completed by the combination of the ultrasonic module, voice module and motor driving module.

meal-assisted robots; meal ordering; meal delivery; obstacle avoidance

2017-07-20

孫海欣(1983-)，女，黑龍江依蘭人，講師，博士， 主要從事腦電信號(hào)處理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方面研究。

TP242.6

A

1009-3907(2017)08-0018-04