基于EXP-LM3S811的全智能無(wú)軌餐廳服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

黃東棟 程 莉

（武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院 武漢 430205）

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及現(xiàn)代控制技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)器人的種類變得越來(lái)越豐富，功能也越來(lái)越齊全，并逐步從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域走進(jìn)人們的日常生活。

現(xiàn)今，服務(wù)業(yè)的發(fā)展越發(fā)受到人們的重視，在近十年里，餐飲業(yè)發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)GDP的發(fā)展度。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，餐飲業(yè)也有著很大的增長(zhǎng)空間，依我國(guó)餐飲業(yè)持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，餐飲業(yè)將跨入新的發(fā)展階段。于是，將智能機(jī)器人應(yīng)用于餐飲業(yè)顯得新穎且非常有必要。但目前，餐廳服務(wù)機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外基本處于空白，且非常不成熟。

1999年，第一臺(tái)餐廳服務(wù)機(jī)器人Alfred在加拿大誕生［1］，該機(jī)器人僅僅只有簡(jiǎn)單的語(yǔ)音迎客功能；2008年北京一家餐廳服務(wù)機(jī)器人，具有簡(jiǎn)單的點(diǎn)菜功能；2015年山東科技大學(xué)某實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一款基于STC89C52的智能餐廳服務(wù)機(jī)器人，具有自動(dòng)送餐、循跡功能，但也存在著依賴軌跡、無(wú)路徑規(guī)劃等缺點(diǎn)。現(xiàn)如今，餐廳服務(wù)機(jī)器人變得日趨智能，但仍存在著需依賴軌跡、無(wú)路徑規(guī)劃、無(wú)法自主定位、無(wú)自動(dòng)避障等方面的問(wèn)題。本文結(jié)合之前的研究及缺點(diǎn)，提出了一套完善的視覺(jué)定位和自動(dòng)避障算法，以達(dá)到全智能的準(zhǔn)確快速送餐服務(wù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 機(jī)器人總體描述

機(jī)器人大小：40*40*50cm。

機(jī)器人結(jié)構(gòu)：前輪控制轉(zhuǎn)向，后輪由雙直流減速電機(jī)提供動(dòng)力。

機(jī)器人功能：在無(wú)軌的情況下自主有效地完成傳菜功能。

2.2 設(shè)計(jì)方案

顧客來(lái)到餐廳，前臺(tái)服務(wù)員安排就坐。顧客通過(guò)餐桌上二維碼掃描點(diǎn)餐并提交，廚房準(zhǔn)備好餐飲后通過(guò)2.4G［2～4］通信模塊向機(jī)器人下達(dá)送餐指令。

機(jī)器人拿到餐后由 EXP-LM3S811 ARM［5-6］微控制器計(jì)算出最佳路徑并自主駛向顧客所在的餐桌。

通過(guò)DSP［7-9］視覺(jué)識(shí)別模塊識(shí)別桌子特定色標(biāo)實(shí)現(xiàn)其在餐廳中的自我定位，并根據(jù)當(dāng)前位置實(shí)時(shí)更新路徑。

通過(guò)EXP-LM3S811 ARM微控制器輸出PWM［10］波驅(qū)動(dòng)雙直流減速電機(jī)并給電機(jī)調(diào)速。在每個(gè)雙直流減速電機(jī)的輸出軸尾端安裝一個(gè)光耦模塊，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的行進(jìn)速度。

通過(guò)紅外傳感器［11］和超聲波測(cè)距傳感器［12］模塊檢測(cè)機(jī)器人與周圍障礙物的距離，達(dá)到自主避障。

通過(guò)三軸磁場(chǎng)傳感器［13～14］和傾斜傳感器［15］模塊，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人是否傾斜。

3 硬件設(shè)計(jì)

餐廳服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)核心包括動(dòng)力轉(zhuǎn)向部分、定位部分、避障部分、無(wú)線通信部分。

3.1 動(dòng)力及轉(zhuǎn)向部分

餐廳服務(wù)機(jī)器人模型較重，一般小型馬達(dá)難以提供足夠的后輪動(dòng)力，本文系統(tǒng)選擇了型號(hào)為25GA98-280的直流電機(jī)，為餐廳服務(wù)機(jī)器人提供充足動(dòng)力，25GA98-280直流電機(jī)參數(shù)如表1所示。通過(guò)L6203芯片直流電機(jī)控制板驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。

表1 直流減速電機(jī)參數(shù)

圖1 L6203芯片直流電機(jī)控制板驅(qū)動(dòng)器電路圖

為了精確控制轉(zhuǎn)向角度，系統(tǒng)前輪轉(zhuǎn)向由舵機(jī)完成，舵機(jī)型號(hào)為輝盛MG-996R，驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

3.2 避障部分

機(jī)器人通過(guò)紅外傳感器和超聲波測(cè)距傳感器模塊檢測(cè)機(jī)器人與周圍障礙物的距離，達(dá)到自主避障。

3.3 定位部分

機(jī)器人通過(guò)DSP視覺(jué)識(shí)別模塊識(shí)別桌子特定色標(biāo)實(shí)現(xiàn)其在餐廳中的自我定位，并根據(jù)當(dāng)前位置實(shí)時(shí)更新路徑。

本文選用TMS320DM642 DSP芯片，在600MHz的時(shí)鐘頻率下峰值處理速度達(dá)到4800MI/s，具有豐富的片上接口，非常適合于視頻/圖像處理。

攝像頭作為視頻傳感器輸出的模擬視頻信號(hào)不能直接被DSP處理，需要利用視頻解碼芯片完成圖像的數(shù)字化。本文采用視頻解碼器TVP5150。數(shù)字化過(guò)程后，將視頻數(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。

TMS320DM642 DSP處理器集成了3個(gè)功能豐富的視頻口VP0、VP1、VP2，每個(gè)視頻口包括20個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)、2個(gè)時(shí)鐘信號(hào)、3個(gè)控制信號(hào)。基于TMS320DN642的數(shù)字視頻處理系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 基于TMS320DN642的數(shù)字視頻處理系統(tǒng)

3.4 無(wú)線通信部分

本文選用NRF24L01無(wú)線模塊作為機(jī)器人的通信模塊，NRF24L01工作在全球免申請(qǐng)的ISM頻道2400M-2483M范圍內(nèi)，模塊開(kāi)機(jī)后能自動(dòng)掃頻，有125個(gè)可選工作頻道，可以同時(shí)供6個(gè)用戶在同一場(chǎng)合同時(shí)工作。NRF24L01模塊的基本參數(shù)表如表2所示，工作電路圖如圖4所示。

圖4 工作電路圖設(shè)計(jì)

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)核心部分包括機(jī)器人視覺(jué)定位、自動(dòng)避障算法。

4.1 機(jī)器人視覺(jué)定位

機(jī)器人通過(guò)DSP視覺(jué)識(shí)別模塊識(shí)別桌子特定色標(biāo)實(shí)現(xiàn)其在餐廳中的自我定位，并根據(jù)當(dāng)前位置實(shí)時(shí)更新路徑。

攝像頭捕捉到桌上特定色標(biāo)即視頻模擬信號(hào)，并將模擬信號(hào)傳輸給視頻解碼芯片TVP5150進(jìn)行數(shù)字化，然后將數(shù)字化后的的數(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)到閾值時(shí)，EDMA將把數(shù)據(jù)從FIFO中送入到DSP的內(nèi)存里。TVP5150芯片進(jìn)行模擬信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程如下。

視頻模擬信號(hào)進(jìn)入TVP5150芯片后，先由芯片中的自動(dòng)檢測(cè)模塊確認(rèn)輸入的模擬視頻信號(hào)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。視頻信號(hào)AD轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖5所示。RGB色彩空間轉(zhuǎn)換為YCrCb色彩空間算法如下：

圖5 視頻信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換

其中，Y表示亮度，也就是灰階值。Cr、Cb表示表示色度，用來(lái)描述圖像的色彩及飽和度，用于指定像素的顏色。把RGB信號(hào)按式（1）計(jì)算，得到“亮度”值。對(duì)式（2）和（3）分析得：Cr描述了RGB信號(hào)中的紅色信號(hào)值與RGB信號(hào)亮度值之間的差異。而Cb反映的是RGB信號(hào)中的藍(lán)色信號(hào)值與RGB信號(hào)亮度值之間的差異。

雖然一般的圖像都是基于RGB空間的，但在RGB空間里顏色受亮度影響相當(dāng)大，這為顏色準(zhǔn)確識(shí)別帶來(lái)了麻煩。但是把RGB色彩空間轉(zhuǎn)為YCrCb色彩空間的話，可以忽略Y即亮度的影響，這樣就把三維的色彩空間降為二維的CrCb矩陣，可以像處理灰度圖像一樣進(jìn)行色彩判決。通過(guò)對(duì)比Cr、Cb的值來(lái)判斷不同的顏色。因此本系統(tǒng)選用YCrCb空間。顏色標(biāo)記示意圖如圖6所示，中間一行為桌子標(biāo)識(shí)色，其他為背景色（為矯正白平衡用），為了提高RGB轉(zhuǎn)YCrCb精度，本文采取提高顏色采集塊的顏色純度，對(duì)區(qū)域內(nèi)方差計(jì)算篩選，顏色越純方差值越小至趨近于0（顏色越趨近于黑）。Matlab仿真核心代碼如下：

%獲取方差計(jì)算函數(shù)的函數(shù)句柄

fun1=@（block_struct）std2（block_struct.data（：，：，1））；%RGB色彩空間中的--R

fun2=@（block_struct）std2（block_struct.data（：，：，2））；%RGB色彩空間中的--G

fun3=@（block_struct）std2（block_struct.data（：，：，3））；%RGB色彩空間中的--B

I1=blockproc（I，［32 32］，fun1）； %以32*32的塊為操作單元

I2=blockproc（I，［32 32］，fun2）；

I3=blockproc（I，［32 32］，fun3）；

圖6 顏色標(biāo)記示意圖

效果圖如圖7所示，圖像區(qū)域中黑色方塊部分即為采樣點(diǎn)區(qū)域，在此區(qū)域可以得到單色的RGB色塊，轉(zhuǎn)換為YCrCb后計(jì)算CrCb的閾值即可判斷不同的顏色。

圖7 色塊采樣區(qū)域

4.2 自動(dòng)避障

餐廳地圖可以看成一個(gè)N*N的平面，模擬場(chǎng)景如圖8所示。

圖8 靜態(tài)障礙物模擬餐廳示意圖

在N*N的平面中，假設(shè)一點(diǎn)為機(jī)器人要到達(dá)的終點(diǎn)，經(jīng)過(guò)EXP-LM3S811 ARM微控制器的計(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)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，檢測(cè)其他方向是否有障礙物，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，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)。具體流程圖如圖9所示。

圖9 廳服務(wù)機(jī)器人行徑流程圖

超聲波檢測(cè)障礙物算法如圖10所示，障礙物與機(jī)器人間的距離y，如式（4）所示：

障礙物與機(jī)器人兩邊的距離x1，x2，如式（5）、（6）所示：

圖10 超聲波檢測(cè)障礙物算法輔助圖

為了提高測(cè)量精度和反應(yīng)速度，本文采用了雙超聲波測(cè)距模塊，由兩個(gè)舵機(jī)分別控制超聲波模塊的測(cè)量方位角度并擁有不同的掃描方式。超聲波模塊測(cè)量方位角度如圖11所示。

當(dāng)某個(gè)超聲波測(cè)距模塊檢測(cè)到障礙物時(shí)，會(huì)使機(jī)器人減速停止前進(jìn)，并將自己的角度參數(shù)a傳給另一個(gè)超聲波測(cè)距模塊，使其轉(zhuǎn)動(dòng)120-a，將兩個(gè)超聲波模塊的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可得到更加精確的結(jié)果。同時(shí)也使測(cè)距避障模塊的穩(wěn)定性得到了極大的提升。測(cè)量方位角關(guān)系如表3所示。

圖11 超聲波模塊的測(cè)量方位角度示意圖

表3 方位角關(guān)系

為了保持機(jī)器人與桌椅墻壁的安全距離，將機(jī)器人的側(cè)邊安裝了紅外測(cè)距模塊，同時(shí)也能以桌子、墻壁為參照物來(lái)判斷機(jī)器人是否走斜。當(dāng)前方有動(dòng)態(tài)障礙物時(shí)，機(jī)器人會(huì)語(yǔ)音提示對(duì)方避讓，同時(shí)定位其避讓后的方位，然后從障礙物身邊走過(guò)，示意圖如圖12所示。

圖12 餐廳服務(wù)員避動(dòng)態(tài)障礙物路線示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)模擬場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一系列測(cè)試。

自動(dòng)避障測(cè)試，通過(guò)指令告知機(jī)器人給指定位置送餐，并讓若干人站在道路上，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人能很好地避開(kāi)行人順利送餐到達(dá)目的地。

視覺(jué)定位測(cè)試，在送餐過(guò)程中，將機(jī)器人從中途搬到另一地點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人能很好地通過(guò)DSP視覺(jué)識(shí)別模塊識(shí)別桌子特定色標(biāo)實(shí)現(xiàn)其在餐廳中的自我定位，并根據(jù)當(dāng)前位置實(shí)時(shí)更新路徑，最后將餐正確送到目的地。

另外，在上面的測(cè)試過(guò)程中機(jī)器人都是按最佳路徑行駛，即最佳路徑規(guī)劃成功。因此，本文描述的以EXP-LM3S811 ARM微控制器為核心的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案很好地達(dá)到了防傾斜、自主行駛、自主避讓、自我定位、最短路徑規(guī)劃的效果。該方案具有很好的推廣價(jià)值。