校園智能送餐機(jī)器人的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

許量為 李建勇

（西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院，陜西 西安 710124）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科技在很大程度上改善了人們的生活。在2020 年1 月初，瑞幸咖啡在美國的發(fā)布會上表示，今后將會推出智能售賣咖啡車，在給顧客提供方便的同時，還能提升自己的銷售額。2017 年，由餓了么未來物流團(tuán)隊打造的智能外賣機(jī)器人“萬小餓”已經(jīng)在上海虹橋萬科中心開始服務(wù)，但是它是專門針對城市和辦公寫字樓的送餐機(jī)器人。2019 年，美國喬治梅森大學(xué)已經(jīng)擁有了校園機(jī)器人送餐服務(wù)。目前，中國還沒有一款專門針對大學(xué)校園的送餐機(jī)器人?！叭f小餓”的智能化程度很高，但是其自身質(zhì)量很重且造價高昂。雖然續(xù)航時間長，但是每次只能送3 單外賣[1]，不適合在校園里配送1 次多單的訂單。與它相比，自主研發(fā)的校園送餐機(jī)器人性價比極高，本身就有很好的發(fā)展空間，除了在各大高校中應(yīng)用，它還可以在各種大型工業(yè)園區(qū)完成戶外送餐的任務(wù)，可以在10 min 之內(nèi)或者更短的時間內(nèi)完成送餐任務(wù)。校園智能送餐機(jī)器人項目的推出可以節(jié)省時間，提高學(xué)習(xí)和工作效率，在就餐高峰時期還可以減輕食堂的就餐壓力，為學(xué)生的宿舍和校園生活提供便利。

1 設(shè)計思路

1.1 設(shè)計初衷

本著以人為本的設(shè)計思路，旨在為學(xué)生的宿舍生活提供便利，該文設(shè)計了校園智能送餐機(jī)器人?，F(xiàn)在的大學(xué)校園面積較大，飯?zhí)?、教學(xué)樓和宿舍之間的距離都很遠(yuǎn)，因此很多同學(xué)會因距離而不去吃飯，智能送餐機(jī)器人就可以很好地解決上述問題。從另一個角度來說，智能機(jī)器人還可以節(jié)省時間、提高學(xué)習(xí)效率以及節(jié)省食堂送餐的人力、物力和財力，與此同時，還可以提高商家的營業(yè)額，真正做到讓學(xué)生足不出戶就能吃到食堂的美味，從而很好地為學(xué)生的宿舍和校園生活提供便利。從長遠(yuǎn)的角度來看，后期應(yīng)用到外部市場時，可以解放一定的人力，在節(jié)省成本的同時還可以提高銷售額。

目前，校園智能送餐機(jī)器人在各大高校都有一定的商業(yè)市場，可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用。除了大學(xué)食堂以外，還可以在后期技術(shù)成熟時，將其推廣到其他市場，例如戶外、商場、大型酒店以及大型工業(yè)園區(qū)等。該技術(shù)擁有巨大的市場潛力，在未來智能化的發(fā)展背景下，該技術(shù)的應(yīng)用場景會越來越大。

1.2 設(shè)計結(jié)構(gòu)

校園智能送餐機(jī)器人由智能車底盤和附加的外賣箱組成，智能車底盤以STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)為主控芯片，搭載TB6612FNG 電機(jī)驅(qū)動模塊、超聲波避障模塊、18650 可充電電源模塊以及紅外循跡模塊等模塊，可以實(shí)現(xiàn)循跡導(dǎo)航、自動避障、藍(lán)牙解鎖以及電機(jī)調(diào)速等功能。外賣箱部分則分為內(nèi)外2 層，外層采用EPP 保溫塑料，底部配有橡膠防滑墊，具有無毒無味、不易變色、表面光滑、容易清洗、保溫效果好、不怕摔碰以及可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)中很重要的一部分就是系統(tǒng)負(fù)反饋，通過程序判斷各項功能是否正常、循跡是否成功、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)加減速是否正常以及是否有障礙物。判斷結(jié)束后，如果存在問題，那么微型計算機(jī)會根據(jù)特定的算法進(jìn)行計算，并對其進(jìn)行調(diào)整修正，如果沒有問題就正常執(zhí)行任務(wù)。在該設(shè)計中，避障模塊采用的算法是局部避障動態(tài)窗口法（DWA）算法，該算法可以讓送餐機(jī)器人及時避讓障礙物；紅外循跡模塊采用比例積分微分（PID）位置算法來計算它是否偏移預(yù)定軌跡（偏移了多少），便于送餐機(jī)器人調(diào)整路線；電機(jī)驅(qū)動模塊則是通過MATLAB 仿真擬合出平滑的S 曲線，提出不同約束條件下的S 曲線平滑度控制指標(biāo)，通過將S 曲線離散化分為多個脈沖頻段來控制電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行以及加減速，使送餐機(jī)器人適當(dāng)?shù)販p速并順利完成轉(zhuǎn)彎動作。系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 智能送餐機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計圖

1.4 送餐流程

啟動系統(tǒng)，搜索并連接藍(lán)牙系統(tǒng)，連接成功后開始進(jìn)行循跡，否則重復(fù)連接藍(lán)牙步驟直到連接成功，循跡成功后繼續(xù)前進(jìn)，否則修正方向直到循跡成功。如果碰到障礙則原地等待，障礙被移除后繼續(xù)前進(jìn)直到指定位置，在指定位置停止并發(fā)送信號等待取餐，如圖2 所示。

圖2 送餐流程圖

2 硬件系統(tǒng)

2.1 循跡模塊

選擇紅外循跡模塊需要考慮2 個方面，循跡點(diǎn)個數(shù)的多少和周圍光線的變化程度。循跡點(diǎn)的個數(shù)越多循跡結(jié)果也越精確，因?yàn)橹車饩€的變化對循跡也有一定的影響，所以必須考慮周圍光線的影響，選擇受周圍環(huán)境變化影響較小的循跡模塊。該系統(tǒng)中的循跡部分由4 個紅外循跡模塊共同組成智能送餐機(jī)器人的“眼睛”，引導(dǎo)智能送餐機(jī)器人沿著軌道線行進(jìn)。紅外循跡模塊使用4 個發(fā)射管發(fā)射紅外光線，當(dāng)光線照射到黑色軌跡和周圍其他色系的環(huán)境上時，根據(jù)反射強(qiáng)度的不同，接收端接收到不同強(qiáng)度的反射光線，根據(jù)發(fā)出反射光線的強(qiáng)弱程度來判斷軌道的位置，通過系統(tǒng)負(fù)反饋，基于PID 位置算法能夠使智能送餐機(jī)器人及時回到正確的軌跡。如果光線到達(dá)指定位置時的顏色不是黑色，那么傳感器發(fā)射出去的紅外光大部分都會被反射回來[2]。模塊化的設(shè)計使安裝過程更加方便快捷，其電路圖如圖3 所示。紅外循跡模塊的價格低廉，體積小巧方便，工作環(huán)境也很廣泛，能夠在不同溫度范圍下使用，而且在不同的環(huán)境中都能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)，因此該設(shè)計選用紅外循跡模塊。

圖3 循跡模塊電路圖

2.2 灰度傳感器模塊

灰度傳感器包括1 個白色高亮發(fā)光二極管和1 個光敏電阻，發(fā)光二極管照射到灰度不同的地面上返回的光是不同的，根據(jù)光（光敏電阻接受到返回的光）的強(qiáng)度差異，光敏電阻的阻值也不同，可以對灰度值進(jìn)行測試，從而實(shí)現(xiàn)識別定位的功能。到達(dá)指定位置后，送餐機(jī)器人會停下來給藍(lán)牙通信模塊發(fā)送指令，然后通過藍(lán)牙向賣家發(fā)送提示信息并等候取餐。

2.3 超聲波避障模塊

校園智能送餐機(jī)器人中的避障模塊選用HC-SR04 模塊，該模塊擁有性能穩(wěn)定、測度距離精確、模塊高精度以及盲區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)。在運(yùn)送途中，送餐機(jī)器人很難一直保持自身的絕對平穩(wěn)和穩(wěn)定，探測系統(tǒng)也很難精準(zhǔn)地探測其真實(shí)的距離，1 個超聲波傳感器很難對整個面進(jìn)行測量，而且超聲波模塊具有擴(kuò)散性，并且超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度會變得更為穩(wěn)定[3]，考慮上述特性，該設(shè)計在避障方面選擇采用多個超聲波避障模塊協(xié)同運(yùn)作。

2.4 電機(jī)驅(qū)動模塊

該設(shè)計選擇TB6612FNG 直流電機(jī)作為驅(qū)動模塊，它不但可以同時驅(qū)動2 個電機(jī)，而且不需要外加散熱片，外圍電路設(shè)計也很簡單方便，只要外部接上電源濾波電容就能直接驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。直流電機(jī)的控制原理是根據(jù)定子的繞線來決定啟動（或者關(guān)閉）換流器中功率晶體管的先后順序，使電流依次流經(jīng)線圈產(chǎn)生的磁場并與轉(zhuǎn)子相互作用，使電機(jī)隨所產(chǎn)生磁場的方向來轉(zhuǎn)動，要使轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動，則需要關(guān)閉功率晶體管。要使電機(jī)轉(zhuǎn)子反向轉(zhuǎn)動，則需要調(diào)換功率晶體管的開啟順序。

2.5 藍(lán)牙通信模塊

該系統(tǒng)使用 HC-06 無線藍(lán)牙通信模塊，HC-06 藍(lán)牙模塊的優(yōu)點(diǎn)是配對以后默認(rèn)使用全雙工的串口模式，不需要了解藍(lán)牙協(xié)議，可以使用無奇偶校驗(yàn)的通信模式[4]。藍(lán)牙通信技術(shù)用無線的方式將各種數(shù)據(jù)和設(shè)備連到同一個微網(wǎng)下，可以在這些連接設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)快捷且方便的通信。能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)和送餐機(jī)器人之間的藍(lán)牙通信，主控芯片和各部分模塊接收到的指令都是通過藍(lán)牙傳輸?shù)模ㄟ^藍(lán)牙接口傳到接收端，通過A/D、D/A 之間的轉(zhuǎn)換成為各種模擬信號。接收信號時，將接收端開關(guān)設(shè)置為開啟狀態(tài)，天線端接收射頻信號后，經(jīng)過藍(lán)牙收發(fā)器將其傳輸給基帶信號處理器。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電機(jī)驅(qū)動控制設(shè)計

電機(jī)驅(qū)動軟件是設(shè)計該機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過手機(jī)軟件可以控制智能小車行進(jìn)的快慢和轉(zhuǎn)向，通過電壓反饋調(diào)整其脈沖寬度調(diào)制占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)和驅(qū)動智能送餐機(jī)器人。利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制，采用差動轉(zhuǎn)向來控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，差動轉(zhuǎn)向就是一個輪子的轉(zhuǎn)速比另外一個輪子快或者慢，使2 個輪子速度不一樣，從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來改變輸出電壓，通過改變周期來控制輸出頻率，通過改變PWM 波、脈沖寬度等方式來控制電機(jī)速度。

3.2 藍(lán)牙程序設(shè)計

藍(lán)牙程序一共有2 個部分：1） 主控芯片上的程序。需要對其進(jìn)行初始化串口，通過編程為其收到的指令設(shè)定對應(yīng)的動作邏輯，以方便控制機(jī)器人運(yùn)行。2） 手機(jī)、平板以及電腦等控制端的軟件程序。可以使用APICloud 開發(fā)平臺制作軟件，使用可視化工具快速構(gòu)建應(yīng)用程序，這樣就可以通過該軟件給藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)，然后通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而控制主控芯片運(yùn)行機(jī)器人。

4 運(yùn)行分析

4.1 運(yùn)行原理

該設(shè)計采用C 語言，通過Keil uVision5 編寫程序， 設(shè)計基于機(jī)智云和主控制器核心芯STM32F103C8T6 的智能送餐系統(tǒng)， 配備ESP8266-01 Wi-Fi 模塊、藍(lán)牙模塊、繼電器控制模塊、TB6612FNG 電機(jī)驅(qū)動模塊、HDF70-818 攝像模塊、光照傳感器模塊、AS608 識別模塊、RCC522 模塊、HC-SR04 超聲波模塊、LED 顯示模塊以及LED 顯示模塊，采用PCB 制板連接外圍電路。當(dāng)硬件部分連接并上電后， STM32F103C8T6最小系統(tǒng)開始工作， 因此在主程序設(shè)計部分，首先要對其各種功能進(jìn)行初始化。在初始化系統(tǒng)時鐘、GPIO 口、串口以及定時器后，再初始化各個傳感器I/O 口。當(dāng)傳感器觸發(fā)任務(wù)時， 將根據(jù)優(yōu)先級按（從高到低的順序）依次執(zhí)行任務(wù)。

4.2 運(yùn)行測試

選取一處封閉路段，設(shè)計黑色的運(yùn)行路線軌道，為了檢測機(jī)器人的減速和轉(zhuǎn)向功能，將軌道設(shè)計為橢圓型，并在行進(jìn)途中放置障礙物，以測試其避障功能。分別在不同的運(yùn)行狀態(tài)下檢測智能送餐機(jī)器人的運(yùn)行速度。測試結(jié)果見表1。

表1 送餐機(jī)器人運(yùn)行速度測試結(jié)果

5 結(jié)語

該文設(shè)計的校園智能送餐機(jī)器人采用STM32F103C8T6最小系統(tǒng)為控制核心，外加HC-SR04 超聲波模塊、紅外循跡模塊、藍(lán)牙模塊以及繼電器控制模塊等模塊，可以實(shí)現(xiàn)智能送餐車的自動循跡、自動避障、自動調(diào)速以及定位等功能。為餐廳節(jié)省了送餐的人力、物力和財力，與此同時，還擴(kuò)大了餐廳的營業(yè)額。真正做到讓學(xué)生足不出戶就能吃到食堂的美味。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，校園智能送餐機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能并且得到了商家的青睞。