基于高精度的校園送餐機器人的設計

劉睿

摘要：隨著物質生活的提高，人們越來越依賴足不出戶的生活方式。就快遞行業(yè)來說，存在配送難、配送慢、配送人力高的痛點問題。高校學生因排隊難，導致放棄吃飯直接去課堂的情況屢見不鮮，嚴重影響學習效率和身心健康。因此，研發(fā)一個能上樓能定位教室的送餐機器人刻不容緩。

關鍵詞：校園;送餐;機器人;設計

基金項目：貴州省教育廳質量提升工程項目-數(shù)智交通協(xié)同創(chuàng)新中心。

一、概述

當今社會，市場對各行各業(yè)的要求越來越高，每個行業(yè)的每個崗位的分工也越來越精細化。物質生活水平的提高，逐漸暴露出人性的懶惰，人們不斷嘗試用所謂的“模擬人”去完成那些單調、枯燥或是危險的事情、而借助機器人來替代我們工作是恰逢其時。

二、市場現(xiàn)狀

學生飲食現(xiàn)狀。大學校園各種新鮮的手機應用充斥著我們的學習和娛樂。大學生常常會有晚睡早起、空腹上課、飲食不規(guī)律的情況。大多數(shù)學生因晚起而沒有足夠的時間吃早餐，課程嚴格考勤，學生通常匆匆趕去課堂，四節(jié)課后早餐和中餐合在一起吃;也有學生因飲食不規(guī)律到正常飯點而不吃飯，隨后饑餓發(fā)生在課堂，嚴重影響學習效率;也有學生不愿意排長隊，每天這只吃一餐，暴飲暴食容易患消化道疾病，會影響大腦發(fā)育及反應遲鈍。

人工智能現(xiàn)狀。中國人工智能發(fā)展十分迅速，2017年中國的市場規(guī)模約70億美元，前五年的年均增長率達到28%。據(jù)統(tǒng)計，工業(yè)智能機器人連續(xù)五年占據(jù)全球行業(yè)的交易頭牌，在快遞及餐廳服務行業(yè)，國內外的快遞機器人和餐廳機器人都有商業(yè)應用場景落地。例如：普渡科技的“歡樂頌”送餐機器人、大陸科技的“大陸”送餐機器人、愛沙尼亞星艦科技“星艦”快遞機器人、餓了么“萬小餓”快遞機器人。

市場需求。機器人送餐充滿科技感和時代感，同時也存在著巨大的市場需求。智能機器人可以節(jié)約等候時間提供便捷的優(yōu)質送餐服務，幫助食堂商家自我宣傳及拓寬銷路，帶動企業(yè)利潤最大化，最終達到三方共贏。

三、總體設計

校園送餐機器人采用STM32主控芯片，前面兩輪安裝飛機輪、后面兩輪安裝單向輪，既平穩(wěn)結實又方便轉彎。硬件由電機驅動組件群、傳感器組件群、通信組件群構成;軟件設計采用QT框架和cocos2d-x框架及C++語言。[1]

四、技術難題

目前，全球智能機器人在商業(yè)上已落地，循跡、避障、調速等技術環(huán)節(jié)基本實現(xiàn)應用需求，理論研究上正在探究數(shù)據(jù)處理響應速度、過程處理平穩(wěn)程度、電子羅盤抗干擾能力。但在解決樓層空間高度定位和教室平面GPS的精準度上仍沒有可靠的解決辦法。[2]

平面精度。國內，通常使用美國GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和中國BDS北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，前者衛(wèi)星覆蓋廣、數(shù)據(jù)分析模型完善、信號穩(wěn)定性強;后者安全性高、國內定位精度準、使用成本低。盡管近幾年來GPS據(jù)有全球視野、算法不斷優(yōu)化、北斗的衛(wèi)星數(shù)量增多，國內精確理論值達到2.34米，但兩者都受基于空間冗余數(shù)據(jù)的分析的最小二乘和基于時間冗余數(shù)據(jù)的分析的卡爾曼濾波算法的影響，在不同經(jīng)度和維度表現(xiàn)出來定位誤差波動很大。

空間高度。高程是指某沿鉛垂線方向到絕對基面的距離，簡單來說就是空間高度，各地區(qū)對高程的測量方式不一樣。高程的精度會隨著維度的增加逐步減少，在南北緯45°間的地區(qū)GPS和BDS的精度較高，均在5-10米范圍浮動;在45°以上中高緯地區(qū)，水平方向的定位精度低于高程方向，DBS的精度低于GPS精度，這是由衛(wèi)星數(shù)量和監(jiān)控站數(shù)量決定。[3]

五、設計特色

1、平面技術特色

問題概述：考慮到教室外走廊和教室內課桌復雜的平面結構，傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)是無法找到教室大門再找到學生的具體座位，將外賣精確送貨到桌。在所有的走廊鋪設磁條路徑成本過高，采用紅外反射技術也會受到光線強度或地面顏色的影響;采用基于欄格法的環(huán)境地圖建模也不適用在平面尺寸不統(tǒng)一的建筑物中，試錯成本較高，容易出現(xiàn)碰撞機器人的情形。[4]

解決方案：機器人的循跡主要依托2D激光雷達SLAM同步定位與地圖構建，配合GPS和BDS雙系統(tǒng)算法上進行誤差矯正和精度優(yōu)化，找到教室門口此時機器人停止等待指令。增加RFID技術，在機器人頂部和底部安裝RFID讀寫器，讀取地板及天花板的隱形二維碼，規(guī)劃路線教室里課桌的位置來循跡及避障，最終送貨到桌。送餐過程平穩(wěn)，減少人送餐出現(xiàn)的視覺影響，提升了科技信息化的帶入感。[5]

2、空間技術特色

問題概述：在教室等建筑物中，框架結構復雜及建筑材料厚度，無論是那種定位系統(tǒng)都不能檢測出具體高程距離，這也給送餐機器人判斷樓層產(chǎn)生瓶頸;傳統(tǒng)的藍牙或wifi技術，組網(wǎng)也會受到阻隔而信號衰減;采用爬樓機器人，保溫箱托盤里的食物有顛簸的風險，這也不是首選辦法。

解決方案：送餐機器人不與電梯直接接觸，避免機械故障破壞電梯美觀，而是與電梯進行不接觸信息交互。當機器人來到電梯前，電梯RFID讀卡器接收到機器人前面自帶的RFID電子標簽信息，升降梯立即響應來到此層開門，機器人通過底部灰度傳感器判斷電梯是否安全，以免出現(xiàn)開門后沒地板踩空墜落引起二次事故發(fā)生，進門后機器人通過上方和下方的紅外傳感器向電梯發(fā)送指令選擇樓層。

參考文獻

[1]成俊，謝存.基于Turtlebot的送餐機器人控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]湖北理工學院學報，2019，35（4）：29-32

[2] 陳新欣.基于STM32的示教型送餐機器人的設計[J]科學創(chuàng)新導報，2019（15）：13-15

[3] 杜玉軍等.北斗系統(tǒng)在遠洋及南極地區(qū)的定位性能分析[J]極地研究，2015，27（1）：91-97

[4] 嚴文娟、費樹岷.列車用送餐機器人路徑規(guī)劃研究及軟件設計[J]軟件導刊，2019，18（9）：27-29

[5] 張博等.淺談基于ROS的送餐服務機器人[J]科學與信息化， 2020（18）：176-177