無(wú)軌服務(wù)型機(jī)器人的設(shè)計(jì)

鄧怡辰 李宇潔 張亞南 宋強(qiáng)

摘要：隨著科技的飛速發(fā)展，機(jī)器人開(kāi)始走上為人類服務(wù)的舞臺(tái)，服務(wù)型機(jī)器人具有廣闊的市場(chǎng)前景和巨大的實(shí)用性，他們?cè)诓痪玫膶?lái)將代替或部分代替服務(wù)行業(yè)的從業(yè)人員。但是當(dāng)前商用的機(jī)器人，其中以餐廳服務(wù)機(jī)器人為代表，大多都是有軌機(jī)器人，靈活性欠缺。為了解決這一現(xiàn)狀，在綜合比較了國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，提出了實(shí)用性好、性能優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品的餐廳無(wú)軌服務(wù)型機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案。餐廳無(wú)軌服務(wù)型機(jī)器人的路徑規(guī)劃采用了簡(jiǎn)化的Dijkstra算法，利用Cortex-M3實(shí)現(xiàn)對(duì)餐廳無(wú)軌服務(wù)型機(jī)器人的控制，使用DSP機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別使得機(jī)器人能精確定位。最終設(shè)計(jì)出來(lái)的餐廳無(wú)軌型服務(wù)機(jī)器人將能合理規(guī)劃行駛路線，精確定位。

關(guān)鍵詞： Cortex-M3； DSP機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別； Dijkstra算法

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）33-0175-03

Abstract：With the development of science and technology， the robot began to stage for human services. Restaurant service robots which have broad market prospects， and enormous practicality. They will be replaced in the near future or partly replace the restaurant staff， It is represented by restaurant service robot， but the current commercial robots， It is represented by restaurant service robot， are rail-mounted robot， lack of flexibility. Innovative ideas in my mind. In order to solve this problem， in comparing similar products at home and abroad on the basis of the proposed practical high performance superior to existing products of overall design of service robot. Restaurant service robot path planning using simplified Dijkstra algorithm， restaurant service robots using Cortex-M3 ARM micro-controller control using DSP robotic vision recognition so that robots can accurately position. Eventually， the design trackless service robot in restaurant will be able to plan routes， precise positioning， enabling customers to want to use something.

Key words：Cortex-M3 ARM micro-controller； DSP for machine vision systems； Dijkstra algorithm；

無(wú)軌服務(wù)型機(jī)器人是為了減輕人類勞動(dòng)量而設(shè)計(jì)出的服務(wù)型人工智能機(jī)器人，是機(jī)器人中一個(gè)重要的功能型機(jī)器人。近些年世界各地紛紛開(kāi)始生產(chǎn)各種類型的機(jī)器人，機(jī)器人快速發(fā)現(xiàn)已初具規(guī)模，為各行各業(yè)提供了大量的勞動(dòng)力，但工作于餐飲方面的機(jī)器人數(shù)量頗少，本文以餐廳無(wú)軌型服務(wù)機(jī)器人為例。餐廳無(wú)軌型服務(wù)機(jī)器人包括兩個(gè)部分：機(jī)器人部分和實(shí)現(xiàn)盛菜功能的部分。本文的主要研究部分是機(jī)器人部分，包括整體方案的設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和底層軟件設(shè)計(jì)。機(jī)器人按照功能劃分主要有個(gè)3部分：主控部分、電機(jī)部分和圖像采集部分。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

我們將餐廳地圖以“01矩陣”形式存入機(jī)器人的主控芯片中（“1”代表可通行，“0”代表不可通行），機(jī)器人遇到障礙物后會(huì)將前方位置更新為“0”（不通）。

餐廳無(wú)軌型服務(wù)機(jī)器人具有自主行駛功能，并且能夠自主避讓顧客。在接收到顧客的呼叫后通過(guò)Cortex-M3連接驅(qū)動(dòng)，計(jì)算出最佳路徑。利用脈寬調(diào)速（PWM波）控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在每個(gè)直流電機(jī)的輸出軸尾端安裝一個(gè)光耦模塊，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的行走速度。機(jī)器人通過(guò)超聲波測(cè)距傳感器來(lái)檢測(cè)自己與前方障礙物的距離，并通過(guò)Cortex-M3的算法進(jìn)行避障和路徑規(guī)劃。使餐廳無(wú)軌型服務(wù)機(jī)器人按規(guī)劃的路徑行駛，并根據(jù)當(dāng)前路況實(shí)時(shí)更新最短送餐路徑駛向顧客所在的餐桌。

在行駛的過(guò)程中，通過(guò)Cortex-M3的I/O接口連接的紅外傳感和接超聲波測(cè)距傳感器模塊不斷監(jiān)測(cè)小車(chē)周?chē)沫h(huán)境。并通過(guò)攝像頭識(shí)別餐桌上特定的色標(biāo)，經(jīng)DSP處理，使餐廳無(wú)軌型服務(wù)機(jī)器人定位自己在餐廳中的位置。

經(jīng)過(guò)t分鐘后，餐廳地圖恢復(fù)初始值（注：t值由實(shí)驗(yàn)得出）。

2 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1） 主控部分

主控芯片選用的是Cortex-M3。這是一個(gè)32位處理器內(nèi)核芯片，允許單片機(jī)高平率運(yùn)行，理論速度在100MHz以上。內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是32位的，寄存器是32位的，存儲(chǔ)器接口也是32位的。擁有3種低功耗模式：休眠，停止，待機(jī)模式。為RTC和備份寄存器供電的VBAT。

2） 電機(jī)部分

由于該機(jī)器人設(shè)計(jì)目標(biāo)是：體積小，重心低，度快，所以選擇電機(jī)時(shí)要符合這樣的要求，同時(shí)兼顧成本因素。步進(jìn)電機(jī)雖然體積較小，但是如果想得到較高的轉(zhuǎn)速，將難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)在體積重量方面也沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，能源利用率不高。另外步進(jìn)電機(jī)雖然可以使用閉環(huán)控制，但是需要增加反饋裝置，這將增加運(yùn)動(dòng)控制模塊的體積和空間。綜上，最后選用的是型號(hào)為25GA98-280的直流電機(jī)。

但直流電機(jī)只能正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，想讓機(jī)器人靈活自如地行進(jìn)，需要在整體設(shè)計(jì)中加入大功率的舵機(jī)與直流電機(jī)配合，利用直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向控制。在機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中，前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、避障，考慮到路面與機(jī)器人輪胎間的摩擦力處于一個(gè)范圍內(nèi)，直流電機(jī)面對(duì)不同的路況所反饋出的電流大小也是不同的，為了避免直流電機(jī)的電流直接反饋到Cortex-M3的芯片上并導(dǎo)致芯片的燒毀。本文選取L6203芯片直流電機(jī)控制板來(lái)穩(wěn)定直流電機(jī)的反饋電流。

3） 圖像采集部分

下圖為基于TMS320DM642的數(shù)字視頻處理系統(tǒng)。

圖像處理算法是系統(tǒng)軟件的重要組成部分。使用TMS320DM642芯片，實(shí)現(xiàn)了DSP對(duì)圖像穩(wěn)定的采集、處理及傳輸?shù)炔僮?，系統(tǒng)的DSP軟件部分采用了C語(yǔ)言自頂向下的編程方法，并在TI公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS下使用EMCV庫(kù) ，最終生成DSP的可執(zhí)行程序。

圖像采集模塊由 CCD攝像頭和TVP5150組成 ，可將實(shí)時(shí)采集的外部視頻圖像經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后 ，輸入到圖像預(yù)處理模塊。圖像預(yù)處理模塊的功能包括改善圖像、抑制變形和增強(qiáng)特征等。在數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中，通常有3種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：雙口 RAM結(jié)構(gòu)、FIFO結(jié)構(gòu)和乒乓緩存結(jié)構(gòu)。基于 DSP的視頻圖像處理系統(tǒng)軟件部分主要包括DSP軟件和PC軟件。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

1） 機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)

攝像頭作為輸入視頻傳感器是系統(tǒng)的信息來(lái)源，它輸出的模擬視頻信號(hào)不能直接被DSP處理，因此需要利用視頻解碼芯片完成圖像的數(shù)字化過(guò)程。

視頻輸入采用了視頻解碼器TVP5150來(lái)實(shí)現(xiàn)。復(fù)合模擬視頻信號(hào)傳入TVP5150芯片后，先由芯片中的自動(dòng)檢測(cè)模塊確認(rèn)輸入的模擬視頻的制式，然后通過(guò)內(nèi)部鉗位、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換后形成亮度和色度信號(hào)；亮度和色度信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理模塊轉(zhuǎn)換成Y、Cb、Cr數(shù)字信號(hào)；Y、Cb、Cr數(shù)字信號(hào)在輸出控制模塊的作用下形成YCbCr視頻數(shù)據(jù)流。

利用TVP5150芯片完成圖像的數(shù)字化過(guò)程之后，將視頻接口輸入引腳上的視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到視頻接口內(nèi)的FIFO中。當(dāng)FIFO的數(shù)據(jù)量達(dá)到預(yù)定閾值時(shí)，EDMA將把數(shù)據(jù)從FIFO中送入到DSP的內(nèi)存里，這樣DSP就可以完成圖像處理和視頻處理。

2） 測(cè)距及避障系統(tǒng)

餐廳地圖可以看成是一個(gè)N*N的平面場(chǎng)景圖，它只能在該平面場(chǎng)景中活動(dòng)。

在N*N的平面場(chǎng)景圖中，指定一點(diǎn)為機(jī)器人要到達(dá)的終點(diǎn)，經(jīng)過(guò)Cortex-M3的計(jì)算后規(guī)劃出一條時(shí)間最短送餐路徑，機(jī)器人在送餐路上通過(guò)車(chē)頭的超聲波測(cè)距模塊掃描前方障礙物，如果前方存在障礙物則舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)超聲波測(cè)距模塊，測(cè)量左右兩側(cè)是否有障礙物，若沒(méi)有則選擇一個(gè)最接近原始路徑的路口，調(diào)用視覺(jué)系統(tǒng)定位自己在電子地圖中的位置，并更新電子地圖——將剛剛檢測(cè)有障礙物的地方設(shè)置為無(wú)法通行，同時(shí)依照機(jī)器人此時(shí)位置Cortex-M3重新規(guī)劃最短時(shí)間路徑，若都有障礙物則調(diào)用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，選擇動(dòng)態(tài)障礙物較少的路口，并語(yǔ)音提示讓路，待障礙物消失后繼續(xù)前進(jìn)。

3 機(jī)器人防腐設(shè)計(jì)

由于本文設(shè)計(jì)無(wú)軌服務(wù)型機(jī)器人所處的環(huán)境不可控，僅僅只考慮其功能的實(shí)現(xiàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為了更好地避免不可控的外在環(huán)境對(duì)電路造成的影響，需要對(duì)所設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化內(nèi)容如下：

1）在機(jī)器人外殼外部套用防油污的材料，做成一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)的箱子，使外殼便于清理油污。

2）后期將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)為減震防滑的系統(tǒng)，保證了服務(wù)機(jī)器人工作壽命。

3）整體構(gòu)造中機(jī)器人頭部選擇流線型半橢圓的形狀，這樣可以減小發(fā)生碰撞時(shí)墻壁對(duì)機(jī)器人的沖擊，另外輪子的外沿不能超出車(chē)體的邊緣，否則發(fā)生碰撞時(shí)外界對(duì)輪子產(chǎn)生沖擊，對(duì)控制精度有很大影響。

4 系統(tǒng)調(diào)試

首先測(cè)試Cortex-M3所控制的電機(jī)電路，用J-link下載程序后，打開(kāi)機(jī)器人電源開(kāi)關(guān)，收到指令電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。使用邏輯分析儀分析輸出的一組PWM波的波形和車(chē)輪轉(zhuǎn)速，得到的波形如圖6所示?？梢詸z測(cè)到由車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起的穩(wěn)定脈沖，將其與PWM波進(jìn)行計(jì)數(shù)對(duì)比可以判斷車(chē)輪運(yùn)動(dòng)情況。

其次，測(cè)試視頻圖像處理系統(tǒng)。TMS320DM642處理器通過(guò)編程所給路徑，把圖片讀入內(nèi)存中，通過(guò)算法標(biāo)記出想要的顏色。由圖7可以看出，視覺(jué)系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了顏色辨別功能，但是選取框中也包含了其他顏色，算法仍然需要改進(jìn)。

因?yàn)闄C(jī)器人要進(jìn)行避障，當(dāng)其遇到障礙物的時(shí)候會(huì)進(jìn)行判斷下一步的路徑，但很多時(shí)候因?yàn)閼T性的原因而沒(méi)有及時(shí)停下。因此應(yīng)該降低行駛時(shí)PWM波的占空比，并把檢測(cè)障礙物的范圍增大。檢測(cè)到障礙時(shí)，機(jī)器人就會(huì)減速，并在確定障礙物時(shí)可以立即停下來(lái)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款功能完善、行進(jìn)穩(wěn)健，動(dòng)作準(zhǔn)確的餐廳無(wú)軌服務(wù)型機(jī)器人。餐廳無(wú)軌服務(wù)型機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分構(gòu)成，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成的同時(shí)做了相應(yīng)的調(diào)試與測(cè)試，保證了設(shè)備穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

無(wú)軌服務(wù)型機(jī)器人仍然處于一個(gè)不斷研究探索的過(guò)程，需要不斷地完善其功能，才能更好地適應(yīng)社會(huì)未來(lái)的發(fā)展要求。將來(lái)的無(wú)軌服務(wù)型機(jī)器人將集成更多的功能，更加人性化的去服務(wù)于顧客。并且隨著機(jī)器人的普及，需求量的增大，生產(chǎn)成本將大幅降低，我們將享受到高科技帶來(lái)的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】