智能送貨機(jī)器人

覃柳潔 鐘晴 黎燦昌 莫曉連 孫希茜

摘 要：人工智能時(shí)代來臨，智慧機(jī)器人的運(yùn)用已形成新的技術(shù)潮流。人工成本持續(xù)攀升和無接觸餐飲新行業(yè)的蓬勃發(fā)展，導(dǎo)致餐廳、賓館、醫(yī)院等服務(wù)行業(yè)急需智慧機(jī)器人取代物流人員進(jìn)行輸送服務(wù)。尤其在疫情的影響下，為了減少病毒的傳播風(fēng)險(xiǎn)，無接觸式物流配送的需求量將大幅提升。而智能送貨機(jī)器人則從貨物配送效率，以及無接觸式物流配送的立意出發(fā)，利用STM32、ARM、RFID技術(shù)和人工智能的基礎(chǔ)等方面研究成果，充分運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)來完成機(jī)器人和服務(wù)行業(yè)之間的銜接。在中國當(dāng)前國情經(jīng)濟(jì)，人民利益，人民安全等方面，有更低的傳送成本，滿足時(shí)代投遞業(yè)務(wù)需求。

關(guān)鍵詞：送貨機(jī)器人;智能;自動(dòng)

一、項(xiàng)目背景及國內(nèi)外對(duì)送貨機(jī)器人研究現(xiàn)狀

近年來，由于信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理的迅速發(fā)展，自動(dòng)化和智能化已成為發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)服務(wù)業(yè)發(fā)展也有了無限的可能。在快節(jié)奏的社會(huì)背景之下，送件快、送餐快、送藥快等已經(jīng)成為人們潛意識(shí)中的普遍要求。尤其在疫情的影響下，不論是為了減少特殊情況下的交叉感染，為推動(dòng)現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展、解決人民群眾對(duì)投遞服務(wù)的巨大需要，都是十分必要

而傳統(tǒng)配送服務(wù)以人工配送為主，例如餐館中的服務(wù)員送餐，醫(yī)院中的護(hù)士送藥，酒店客房配送服務(wù)等，在一定程度上，雖提高了我國人口就業(yè)率，但由于配送業(yè)務(wù)量、人均收入長期保持快速增長態(tài)勢(shì)以及我國勞動(dòng)人口數(shù)量下降，人口紅利將逐漸消失，人力成本不斷提高。傳統(tǒng)配送服務(wù)已經(jīng)無法滿足客戶對(duì)物流服務(wù)更高速準(zhǔn)確的需求。在當(dāng)前情況下，智能送貨機(jī)器人就可以很好地解決這些諸多問題。用智能送貨機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工方式，可以提高服務(wù)的效率、降低傳送的成本，實(shí)現(xiàn)投遞業(yè)務(wù)的時(shí)間準(zhǔn)確、配送地點(diǎn)無誤，高效率低失誤低成本地完成等量任務(wù)。

（1）國內(nèi)現(xiàn)狀

近年來，送貨機(jī)器人的研究與應(yīng)用仍以各大電子商務(wù)企業(yè)居多，如京東物流、菜鳥配送中心等電子商務(wù)企業(yè)，所研發(fā)的配送機(jī)器人均或已投入試驗(yàn)中，但距離實(shí)際投入使用仍有一定距離。但離投入使用仍有一定距離。國內(nèi)最早設(shè)計(jì)并實(shí)際生產(chǎn)送貨車的京東物流，2017年6月18日在中國人民大學(xué)首次亮相京東送貨車，并現(xiàn)場(chǎng)展示如何完成快遞配送任務(wù)，這也意味著國內(nèi)智能配送機(jī)器人的研究邁出了第一步。京東大型送件機(jī)器，高為1.5米，最多能一次成功配送幾十個(gè)包裹，車頂安裝有一個(gè)十六線激光雷達(dá)，送貨車四周各分別安裝一個(gè)單線激光和數(shù)個(gè)攝像頭。此類送貨機(jī)器人可應(yīng)用在小區(qū)、校園內(nèi)，有效減緩道路擁擠、提高送貨效率。

為避免新冠期間交叉感染，廣東省人民醫(yī)院引進(jìn)了易普森醫(yī)院智能機(jī)器人，名喚“小易”，擔(dān)任起一天二十四小時(shí)的送藥工作者。他們可以根據(jù)醫(yī)生的要求，自動(dòng)規(guī)劃路線，自己搭乘電梯，主動(dòng)躲避障礙物和行人，將藥品從藥房運(yùn)送到各個(gè)相應(yīng)的病房中。小易的使用，不僅解決了突發(fā)情況下人手不夠的問題，還能極大地提高效率，最大限度地保護(hù)了醫(yī)療人員和病患的身體健康。

在疫情仍存在威脅的情況下，除了在醫(yī)療行業(yè)需要盡量避免人與人的接觸外，餐飲業(yè)同樣也需要。艾吉威第一代送餐機(jī)器人的問世與投入使用，不僅做到了科技造福人類，更是做到了科技保護(hù)人類。

（2）國外現(xiàn)狀

國外對(duì)智能送貨機(jī)器人的研發(fā)還要早于國內(nèi)的。世界上的首家無人餐廳出現(xiàn)在德國，07年巴格斯餐廳通過智能機(jī)械全自動(dòng)的功能迅速得到了世界人民的青睞，進(jìn)店用餐的顧客只需要用計(jì)算機(jī)，就可以做到完成點(diǎn)餐、送餐、結(jié)賬等一系列服務(wù)工作。智能送餐服務(wù)早已在國外開始實(shí)行，并還在不斷研發(fā)進(jìn)步，擴(kuò)大普及力度。

國外自動(dòng)送貨機(jī)器人更是不斷進(jìn)步發(fā)展，在道路上不僅可以規(guī)避行人，也可以識(shí)別紅綠燈和障礙物以實(shí)現(xiàn)減速停止或改變方向。除此之外，還具有內(nèi)建電池續(xù)航力強(qiáng)，可前進(jìn)距離長，貨物配送精確度高等優(yōu)點(diǎn)。

國外對(duì)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的研究要早于國內(nèi)的，擁有結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)和悠久的發(fā)展歷史，尤其是在第三次科技工業(yè)革命中，將具有更為廣闊的發(fā)展空間和前景。發(fā)展不息，追逐不止，作為世界上最大的發(fā)展中國家，中國錯(cuò)過了前兩次工業(yè)革命，我們痛心于我們的損失，因此也更應(yīng)該緊緊抓住第三次工業(yè)革命的機(jī)會(huì)，帶著“中國制造”自信的走出國門。

二、總體設(shè)計(jì)方案

擬設(shè)計(jì)的智能送貨機(jī)器人是基于ARM處理器STM32控制模塊，定位模塊，避障模塊，傳感器模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，電源模塊等構(gòu)成。通過以上模塊設(shè)計(jì)的送貨機(jī)器人從而實(shí)現(xiàn)送貨過程中的線路規(guī)劃、導(dǎo)航、自主避障、樓層配送功能;收貨時(shí)通過密碼取貨，并有相應(yīng)的語音提示功能;送餐空余時(shí)間可以自主充電和報(bào)警提示功能。既可以有效解決勞動(dòng)密集型行業(yè)人力成本高和效率慢的問題，還可以有效避免人群多度接觸，降低疫情感染率。

三、工作原理與性能分析

（1）環(huán)境感知技術(shù)。環(huán)境感知技術(shù)在自動(dòng)送貨機(jī)器人起到對(duì)外界情況監(jiān)視的作用，通過多種傳感器共同工作，從而判斷并控制送貨機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境以及路況進(jìn)行應(yīng)急反應(yīng)。由于環(huán)境感知是送貨機(jī)器人的最根本的技術(shù)也是最為重要的技術(shù)[1]，如果該技術(shù)出現(xiàn)了小失誤，整個(gè)機(jī)器人也會(huì)面臨前所未有的壓迫性的癱瘓。因此，對(duì)該技術(shù)的檢測(cè)準(zhǔn)確性以及強(qiáng)度也會(huì)有相應(yīng)的加強(qiáng)，而如今環(huán)境感知系統(tǒng)常用的檢測(cè)傳感器有激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、視覺傳感器、超聲波傳感器等，我們應(yīng)該對(duì)傳感器出現(xiàn)的問題具體選用這些檢測(cè)技術(shù)，從而來維持機(jī)器人環(huán)境感知技術(shù)的運(yùn)用穩(wěn)定性。

（2）路徑規(guī)劃技術(shù)。路徑規(guī)劃技術(shù)是送貨機(jī)器人對(duì)路線的基本試別技術(shù)，它會(huì)幫助機(jī)器人分析選擇正確路線，是進(jìn)行精準(zhǔn)派送的前提。從規(guī)劃路線的種類的不同，分為全局路徑以及局部路徑。全局路徑是在多條路徑中擇優(yōu)一條最好的路徑，主要通過事先導(dǎo)入的地圖分析以及路線模型來計(jì)算最好的路徑。局部路徑則是事先規(guī)劃的整體路線中使用。送貨機(jī)器人一般通過環(huán)境感知技術(shù)的主動(dòng)傳感器來獲得實(shí)時(shí)路況信息，然后在通過局部規(guī)劃來規(guī)避障礙物[2]。

兩者路徑規(guī)劃來構(gòu)成一個(gè)完整的路徑規(guī)劃技術(shù)，而在路徑規(guī)劃技術(shù)之下，采用了機(jī)器人自動(dòng)規(guī)避障礙物的子技術(shù)，該技術(shù)也是通過傳感器來識(shí)別周圍是否有障礙物，與環(huán)境感知技術(shù)有異曲同工之處。毫米波雷達(dá)受環(huán)境影響小，紅外線傳感器反應(yīng)迅速，超聲波傳感器成本低。而我們?cè)诳紤]成本以及實(shí)際應(yīng)用的需求，選擇對(duì)應(yīng)的傳感器以及檢測(cè)范圍。

（3）定位導(dǎo)航技術(shù)[3]。定位導(dǎo)航技術(shù)由定位技術(shù)以及導(dǎo)航技術(shù)組成。常見的定位系統(tǒng)基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)或GPS系統(tǒng)來獲取該送貨機(jī)器人的絕對(duì)位置，而通過陀螺儀和里程計(jì)等信息檢測(cè)設(shè)備來獲取送貨機(jī)器人的相對(duì)位置變化。兩種定位方法各有優(yōu)劣之處，利用GPS或北斗的位置精確度則會(huì)更高，但會(huì)受到惡劣天氣的影響，從而降低它的精確度，而利用信息檢測(cè)設(shè)備的相對(duì)位置則會(huì)因?yàn)殚L時(shí)間的運(yùn)算設(shè)計(jì)而產(chǎn)生一定的誤差來影響定位的準(zhǔn)確性。但兩者結(jié)合的定位導(dǎo)航方式則擁有兩者的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)送貨機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，精確定位不會(huì)有更大的誤差來影響控制者的判斷。

（4）行為決策及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。決策控制技術(shù)會(huì)向各部分要執(zhí)行功能的裝置執(zhí)行決策命令，分析周圍環(huán)境的各種可漸變的情況，對(duì)機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行可操控的控制。決策運(yùn)動(dòng)控制部分由橫向控制和縱向控制兩部分組成。橫向行駛控制用來改變前面的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)齒輪的速度差，從而改變兩個(gè)齒輪的前后位置來改變車輛方向，主要用于機(jī)器人的路徑規(guī)劃、過彎控制及障礙物躲避，而縱向控制表現(xiàn)為對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的速度控制，是移動(dòng)機(jī)器人的行駛動(dòng)力系統(tǒng)[4]?？v向控制也對(duì)橫向控制有著確定性的作用。行為決策會(huì)根據(jù)不同的實(shí)際情況，以自身硬件電路：閉環(huán)反饋，或以對(duì)系統(tǒng)的層次分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等來進(jìn)行處理。

（5）遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)。送貨機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，由移動(dòng)機(jī)器人自帶監(jiān)控終端和工作人員控制中心兩部分組成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、整理、壓縮、存儲(chǔ)，并綜合實(shí)際情況，在需要的情況下對(duì)終端下發(fā)特定數(shù)據(jù)或控制指令，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)必須為送貨機(jī)器人量身定做[5]。為保證多個(gè)送貨機(jī)器人的大數(shù)據(jù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，該技術(shù)也是必要的。

四、特點(diǎn)及應(yīng)用

（1）在安全性方面，安全是送貨機(jī)器人技術(shù)最明顯的優(yōu)勢(shì)。機(jī)器人配送是無接觸配送方式，因?yàn)槿缃褚咔榈募觿?，甚至新冠肺炎病毒發(fā)生變異，無接觸的配送方式提供了更精準(zhǔn)快速更安全的方式，不僅大大降低了感染率，也為國家控制疫情，為人民輕撫情緒都起到了重要作用。并且，目前的人工送貨方式頻頻發(fā)生交通事故，極易造成造成交通堵塞，危機(jī)配送人員的安全。機(jī)器人在此方面發(fā)揮極大作用，其環(huán)境感知技術(shù)，能通過多種傳感器共同工作，從而判斷并控制送貨機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境以及路況進(jìn)行應(yīng)急反應(yīng)，當(dāng)遇到機(jī)器人發(fā)生突發(fā)事件或者其他方面的緊急情況，還會(huì)啟動(dòng)警報(bào)裝置。

（2）在智能性方面，機(jī)器人應(yīng)用了導(dǎo)航系統(tǒng)，可以對(duì)路徑進(jìn)行自動(dòng)規(guī)劃，并設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)自主駕駛和自動(dòng)避障的算法，可實(shí)現(xiàn)在行人間的行駛，同時(shí)擁有人工監(jiān)控功能。這樣用戶可以事先預(yù)約配送的時(shí)間、地點(diǎn)與物品，機(jī)器人會(huì)協(xié)同進(jìn)行包裹分配和運(yùn)行路徑規(guī)劃。到達(dá)指定地點(diǎn)后，機(jī)器人會(huì)根據(jù)設(shè)定好的時(shí)間?？?，等待客戶取件，完成任務(wù)后自動(dòng)返程。雷達(dá)+傳感器進(jìn)行360度環(huán)境監(jiān)測(cè)，能自動(dòng)避讓路障和行人，并實(shí)現(xiàn)自主停靠等待。為保證送貨的高效精準(zhǔn)。同時(shí)，還會(huì)配置了相應(yīng)的室內(nèi)配送機(jī)器人，在貨物轉(zhuǎn)運(yùn)門處完成貨物從室外空間到室內(nèi)空間的轉(zhuǎn)換，有效解決了一些社區(qū)限制配送員的問題。當(dāng)室內(nèi)配送機(jī)器人到達(dá)入戶門時(shí)，室內(nèi)收貨門鈴自動(dòng)響鈴提醒收件人取貨。若室內(nèi)無人應(yīng)答，貨物將會(huì)被投遞至入戶門旁墻上所鑲嵌的快遞柜中，完成由戶到人階段的配送。

（3）在經(jīng)濟(jì)性方面，使用機(jī)器人可以有效的減少與中間商的差價(jià)，自動(dòng)送貨機(jī)器人沒有工作時(shí)間限制，在電量充足的情況下可持續(xù)工作，在大量配送訂單的情況下，機(jī)器人配送成本低于人工同時(shí)節(jié)約了配送時(shí)間，提高配送效率。且機(jī)器人無需上崗培訓(xùn)，直接利用芯片高速運(yùn)算出最短最快的配送方式，節(jié)約了企業(yè)的人力成本。機(jī)器人還可吸收光能進(jìn)行充電，如果能量已經(jīng)達(dá)到過充，則將部分能量儲(chǔ)存在容器管中，當(dāng)無太陽或者特殊情況下，可以自動(dòng)觸發(fā)該部分能量為機(jī)器人充電。

（4）在可靠性方面，我們?cè)谌∝浄矫鏁?huì)采用多種方式對(duì)提貨人的身份信息確認(rèn)。當(dāng)客戶手機(jī)收到貨物取貨通知短信后，可在交互界面通過口令密碼、手機(jī)號(hào)碼后四位、掃描人臉、或者動(dòng)態(tài)約定的取件碼等方式取貨，保障了送貨的準(zhǔn)確性。另外，還有接收第二用戶的代取指令功能，將第二用戶ID綁定的貨物ID綁定，根據(jù)所述貨物ID，向多個(gè)第三用戶發(fā)送與所述貨物ID綁定的取貨消息，所述取貨消息包括貨物ID、取貨時(shí)間、貨物位置信息。該方式能夠解決貨物存在安全風(fēng)險(xiǎn)或收件人不方便取件的問題。機(jī)器人的出錯(cuò)率第，可以提供高質(zhì)量的服務(wù)。因?yàn)樗鼈兊某绦蚩梢跃_的重復(fù)的運(yùn)行，出錯(cuò)的可能性極小。機(jī)器人可以兼顧配送速度和送貨的損耗控制，沒有偏好無需選擇，再加上消除了人為犯錯(cuò)的可能性，讓用戶每次使用都是一次完美的服務(wù)體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫志國.無人駕駛汽車環(huán)境感知技術(shù)綜述[J].南方農(nóng)機(jī)，2019，50（50）：23.

[2]朱大奇，顏明重，移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)綜述[J].控制與決策，2010，（07）：96-967.

[3]-[5] 王豐，王寧.基于校園環(huán)境的自動(dòng)送貨機(jī)器人[J].華北理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，42（03）：104-112.

【項(xiàng)目來源】本文系桂林電子科技大學(xué)2021年區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)“智能送貨機(jī)器人”項(xiàng)目研究成果，項(xiàng)目編號(hào)：S202110595299X。

【作者簡介】覃柳潔（2000-），女，壯族，廣西河池人，本科，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，研究方向：人工智能。