基于移動機器人的校園快遞配送系統(tǒng)設計

摘要：基于移動機器人的校園快遞配送系統(tǒng)對降低快遞點擁擠程度和減少快遞寄取時間具有重要作用。系統(tǒng)從TI-RSLK機器人出發(fā)，設計完成了校園快遞智能配送基本任務。為解決機器人自主導航問題，使用紅外避障及A*算法，使移動機器人能夠在校園內(nèi)自主規(guī)劃路徑并避開障礙物，從而實現(xiàn)快速、安全地配送快遞。同時采用物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)對移動機器人的實時監(jiān)控和遠程操作，保障了快遞配送過程的準確性和穩(wěn)定性。以安徽大學磬苑校區(qū)為例，構建校園網(wǎng)絡道路模型圖，結合算法完成快遞配送。在實際應用中，該系統(tǒng)可有效減少校園內(nèi)快遞配送的人力成本，提高配送效率，為校園內(nèi)師生提供更加便捷、快捷的快遞服務。

關鍵詞： 校園快遞；移動機器人；智能配送；A*算法；路徑規(guī)劃；物聯(lián)網(wǎng)技術

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）24-0113-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

隨著物流行業(yè)的迅速發(fā)展和校園社區(qū)的不斷擴大，校園內(nèi)快遞服務成為快遞行業(yè)中重要的一環(huán)。盡管快遞服務總體質(zhì)量不斷提高，但仍然無法很好地滿足校園內(nèi)日益增長的快遞配送需求，校園內(nèi)的快遞配送運作仍存在許多問題有待解決。目前大多數(shù)高校仍采用快遞站點分散自取[1]的服務方式，無法解決“最后一公里”的配送需求：高校學生人數(shù)眾多，快遞數(shù)量龐大，種類繁雜，用戶寄取快遞費時費力；快遞服務網(wǎng)點工作人員有限，業(yè)務繁忙，難以滿足配送需求。為解決這一問題，基于機器人的自動配送系統(tǒng)成為了解決這一問題的有效途徑之一。TI-RSLK機器人作為一款功能強大、靈活多樣的教學型機器人平臺，具有較高的自主性和可編程性，為校園快遞配送系統(tǒng)的設計提供了良好的技術基礎。

本文設計了一個基于TI-RSLK機器人的校園快遞配送系統(tǒng)，通過充分利用機器人的定位、導航和物品搬運能力，實現(xiàn)校園內(nèi)快遞的自動化配送。以安徽大學磬苑校區(qū)為例，建立簡化后的路徑模型; 采用A*算法模型對快遞配送最優(yōu)路徑進行計算，設計相應的路徑規(guī)劃、任務調(diào)度；同時采用紅外避障、雙模定位模塊、Wi-Fi通信模塊與用戶交互系統(tǒng)，使得機器人能夠高效、準確地完成快遞配送任務。通過此系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，不僅可以提高校園內(nèi)快遞配送的效率和準確性，還可以為校園物流管理帶來便利和創(chuàng)新，推動校園智能化建設邁出更為堅實的一步。

1 系統(tǒng)總體架構

本系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分構成，其中硬件部分包括TI-RSLK機器人，機器人上搭載有驅(qū)動模塊、避障模塊，連接拓展有定位模塊、通信模塊；軟件部分包括路徑規(guī)劃算法和軟件控制平臺。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。系統(tǒng)軟硬結合，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行以及快遞配送的準確、高效和安全。

2 機器人配送系統(tǒng)設計

2.1 硬件部分

系統(tǒng)硬件主要由TI-RSLK機器人、定位模塊和通信模塊共同組成。機器人套件實現(xiàn)基本功能，驅(qū)動、避障等，連接的定位模塊及通信模塊則確定機器人位置并使其聯(lián)網(wǎng)。

2.1.1 TI-RSLK機器人

TI-RSLK機器人用兩輪配置的方式作為機器人底盤的基本結構，兼具靈活性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)主要使用其主控板、紅外傳感器、左右電機等部分。移動機器人實物圖如圖2所示。其中，主控板為德州儀器公司的MSP432P401R開發(fā)板，具有豐富的外設和接口，適合作為本次設計的實驗平臺進行模塊搭建、功能測試、算法驗證等環(huán)節(jié)。

機器人左右輪驅(qū)動采用兩個帶有編碼器的直流減速電機，它結構簡單，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。左輪的三個引腳和右輪的三個引腳分別控制一個H橋DRV8838電路來驅(qū)動電機。調(diào)速通過調(diào)節(jié)PWM占空比，即改變一個周期內(nèi)電壓的通斷時間來調(diào)整電機輪子的轉速[2]。系統(tǒng)采用的直流電機周期為10ms， MSP432總線時鐘48MHz，對總線時鐘進行分頻，MSP432系統(tǒng)時鐘配置為666.7ns，10ms/666.7ns約為152QBuOqqZrp85K+ohiv7DQSpybJiBk5oiMKW25Xc3hEg= 000，故其占空比可設置范圍為0～14998。轉向采用差速轉向，當左右輪速度不同時，機器人前進的方向發(fā)生改變。在直線行駛時，兩輪的轉速相同，轉速差為零；而在轉彎時，調(diào)整外側車輪轉速大于內(nèi)側車輪，從而完成轉彎動作。

TI-RSLK機器人自帶有三個GP2Y0A21YK0F紅外測距傳感器，測量范圍值為 70 至 800 毫米，分辨率在200毫米時約為1毫米。使用周期中斷Systick對ADC進行周期性采樣，通過ADC采集紅外傳感器輸出的模擬信號，再通過擬合數(shù)據(jù)得到距離公式，寫進程序，并將其值傳遞給主程序。主程序得到紅外測距模塊返回的值后，將數(shù)據(jù)傳送給路徑規(guī)劃模塊，通過路徑規(guī)劃模塊來決定機器人下一步的行動，從而實現(xiàn)避障。

2.1.2 定位與通信

定位采用ATK-MO1218，是正點原子推出的一款高性能 GPS/北斗雙模定位模塊。該模塊采用 S1216F8-BD 模組，具有體積小巧、性能優(yōu)異等特點；模塊可用過串口進行各項參數(shù)的配置，并可將配置保存至內(nèi)存的 Flash 中，方便使用；模塊兼容 3.3V 和 5V 通訊電平，方便連接各種單片機控制系統(tǒng)；模塊自帶可充電后備電池，可以在模塊掉電后約半小時內(nèi)持續(xù)保存星歷數(shù)據(jù)，配合模塊的溫啟動或熱啟動，可實現(xiàn)快速定位。將模塊與機器人連接成功后，通過串口設置正確波特率（ATK-MO1218 模塊默認的 UART 通訊波特率為 38400bps）上電即可完成機器人定位，同時把定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰窂揭?guī)劃模塊及軟件控制平臺。模塊的實物如圖3所示。

通信模塊選用Wi-Fi通信技術，Wi-Fi通信模塊作為小車和PC端通信的中介，兩端都通過Wi-Fi模塊進行數(shù)據(jù)交互。ESP8266是一款高性能的Wi-Fi串口模塊，內(nèi)部集成MCU能實現(xiàn)單片機之間串口通信，是目前使用最廣泛的一種Wi-Fi模塊之一，具有性能穩(wěn)定，低功耗等特點。本設計使用ESP8266的STA模式，使ESP8266能夠連接到無線網(wǎng)。ESP8266芯片圖如圖4所示。

2.2 軟件部分

2.2.1 軟件控制平臺

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷完善，物聯(lián)網(wǎng)的云平臺被廣泛應用。物聯(lián)網(wǎng)云平臺是從物聯(lián)網(wǎng)中間件基礎上不斷改進和發(fā)展起來，將物聯(lián)網(wǎng)技術與云計算技術結合起來，可以將感知層和應用層相結合，實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)終端設備的連接與管理，并能及時采集與存儲感知數(shù)據(jù)，為上層應用提供標準接口和公共工具模塊，以云服務的形式連接終端用戶，最終給用戶展示已進行分析和處理的可視化數(shù)據(jù)[3]。

本系統(tǒng)平臺采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺作為整個遠程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉發(fā)中心，通過Wi-Fi網(wǎng)絡與機器人進行信息交互。機器人Wi-Fi模塊可通信MQTT協(xié)議，電腦通信HTTP協(xié)議，物聯(lián)網(wǎng)通信示意圖如圖5所示。

將機器人連接到網(wǎng)絡后，還需要在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺進行相關配置才能傳輸數(shù)據(jù)。具體步驟是在阿里云控制臺為本系統(tǒng)新建產(chǎn)品、添加設備并定義系統(tǒng)功能。具體的功能設置如表1所示。再通過導入寫好的命令代碼，機器人就可以將各個傳感器檢測數(shù)據(jù)上傳阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，并接收云端下發(fā)的控制指令。而管理員通過電腦登錄阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺網(wǎng)頁，即可在線查看機器人當前位置、前進方向、速度等數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控機器人情況，同時可發(fā)送指令控制機器人。

2.2.2 路徑規(guī)劃算法

路徑規(guī)劃算法更趨向于傳統(tǒng)與智能路徑規(guī)劃算法相結合、更加人工智能化的規(guī)劃算法、多送貨機器人的路徑規(guī)劃算法、適用于動態(tài)環(huán)境的無人車路徑規(guī)劃算法[4]。為實現(xiàn)移動機器人自主配送，系統(tǒng)采用A*算法完成路徑規(guī)劃。A*算法是一種啟發(fā)式的路徑搜索方法，它通過估價函數(shù)包含的啟發(fā)信息快速鎖定目標方向[5]，多用于圖搜索和路徑規(guī)劃。A*算法結合了廣度優(yōu)先搜索和啟發(fā)式評估函數(shù)，以在搜索過程中盡可能高效地探索潛在的最佳路徑。

在搜索過程中，A*算法會根據(jù)啟發(fā)式函數(shù)計算每個節(jié)點的估計代價，并優(yōu)先探索具有較低估計代價的節(jié)點。算法通過一個代價函數(shù)f（n）來評估節(jié)點n的優(yōu)先級，代價函數(shù)定義為：<E：＼2022知網(wǎng)文件＼24期＼5xs202424＼Image＼image7.png>

其中，g（n）是從起始節(jié)點到節(jié)點n的實際代價，h（n）是從節(jié)點n到目標節(jié)點的估計代價。一旦目標節(jié)點被找到，A*算法可以通過回溯來重構從起點到目標節(jié)點的最佳路徑。

在實際應用場景中，快遞配送機器人需要按照一定的目標在復雜的環(huán)境中規(guī)劃路徑并跟蹤移動，以實現(xiàn)特定任務，A*算法很好地解決了這個問題。

3 快遞配送最優(yōu)路徑確定

在快遞配送過程中，確定最優(yōu)路徑對提高效率至關重要。下面以安徽大學校園快遞配送為例，完成場景測試與分析。

3.1 校園內(nèi)道路網(wǎng)絡模型構建

為簡化算法的求解過程，提升運算速度，從而實現(xiàn)對最短路徑的求解，首先需構筑校園內(nèi)道路的模型圖[6]。安徽大學磬苑校區(qū)部分地圖如圖6所示。從中選取學校快遞中心為起點，西門超市為終點，途徑三個任務點，分別是榴園宿舍、桔園宿舍以及篤行北樓。去除無效路徑，以起點、終點、任務點及兩條道路的交叉點為節(jié)點，獲得相應節(jié)點集合{1，2，…… 14，17，18}獲取由各個節(jié)點截取的各路段長度，以其作為各路段的權值，按實際地圖進行1：5000的比例縮小，得到抽象化網(wǎng)絡道路模型圖如圖7所示。

通過對模型圖的分析，結合各路段長度，將地圖抽象為20×20的點陣形式，設單位長度為25米。以節(jié)點號代表目標位置，0為道路，1為起點，18為終點，3、10、13為任務點，*為阻礙，結果如矩陣圖所示。以左上角點為原點建立平面坐標系，則各坐標為：起點（4，2）、任務點①（7，1）、任務點②（3，8）、任務點③（15，8）、終點（3，12）。

3.2 算法實現(xiàn)過程

算法的主要目的是得出從起點經(jīng)過三個任務點，最后到終點的最短路徑。具體的實現(xiàn)過程如下：

1）將地圖導入算法，把起點快遞中心（4，2）放入開放列表，作為評估點。

2）先遍歷評估節(jié)點（4，2）周圍8個點（上下左右，左上角，右上角，左下角，右下角），將它們放入一個臨近點集合中。

3）遍歷臨近點集合，如果關閉列表已經(jīng)有該點（該點已經(jīng)被評估過）或者該點是障礙物，跳過該點。

4）通過計算、比較臨近點的g值與h值，相加得到總代價f值，選出總代價最小的點作為新的評估節(jié)點。計算g值時，上下左右方向的點代價為1，而斜線上的臨近點代價為√2；計算h值時，計算其曼哈頓距離，即（|x1 - x2| + |y1 - y2|）。

5）將已評估的點（4，2）移除開放列表，放入關閉列表中。

6）將得到的總代價最小的臨近點放入開放列表，作為新的評估節(jié)點，重復按上述步驟，直至到達任務點①（7，1），清空列表，結束搜索。

7）把任務點①放入開放列表，重復上述步驟，歷經(jīng)所有任務點。直到到達終點西門超市（3，12），回溯得到最短路徑。

3.3 最優(yōu)路徑確定結果

經(jīng)過計算后得出快遞中心經(jīng)過三個給定任務點到西門超市的最短路徑為1→4→5→3→5→4→1→7→10→11→16→14→15→13→15→14→16→18，最短路徑長度約為1236.8米，與預期結果相符。通過對A*算法在校園內(nèi)最優(yōu)路徑確定的場景測試與分析，我們確認其在該場景下具有較好的應用效果和實用性，為智能快遞配送機器人提供了可靠的路徑規(guī)劃方案。

4 結語

回顧整個設計過程，我們深入分析了校園快遞配送的需求和特點，明確了系統(tǒng)的總體架構，構建了避障模塊、通信模塊、定位模塊、路徑規(guī)劃模塊等。通過對TI-RSLK機器人和軟件編程接口的深入研究，軟硬結合，我們實現(xiàn)了機器人的自主導航和快遞配送功能，使其能夠在校園內(nèi)穩(wěn)定運行?；赥I-RSLK機器人的校園快遞配送系統(tǒng)將為校園物流管理帶來革命性的變革，提升配送效率、降低成本、減少人力投入，能夠有效分擔集中快遞點的運營負擔，并解決學校用戶群體的“取件難”問題，提升了校園生活的便利性和智能化水平。

本智能校園快遞配送系統(tǒng)的設計融合了技術創(chuàng)新和實際需求，將為學校和物流企業(yè)帶來長遠的經(jīng)濟和社會效益。未來，我們還可以進一步優(yōu)化系統(tǒng)算法、拓展功能模塊，以適應不同規(guī)模和復雜度的校園環(huán)境。

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【通聯(lián)編輯：梁書】