校園智能送餐機器人的設計與實現

許量為 李建勇

（西北工業大學明德學院，陜西 西安 710124）

0 引言

隨著科學技術的發展，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隊打造的智能外賣機器人“萬小餓”已經在上海虹橋萬科中心開始服務，但是它是專門針對城市和辦公寫字樓的送餐機器人。2019 年，美國喬治梅森大學已經擁有了校園機器人送餐服務。目前，中國還沒有一款專門針對大學校園的送餐機器人?！叭f小餓”的智能化程度很高，但是其自身質量很重且造價高昂。雖然續航時間長，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，自主研發的校園送餐機器人性價比極高，本身就有很好的發展空間，除了在各大高校中應用，它還可以在各種大型工業園區完成戶外送餐的任務，可以在10 min 之內或者更短的時間內完成送餐任務。校園智能送餐機器人項目的推出可以節省時間，提高學習和工作效率，在就餐高峰時期還可以減輕食堂的就餐壓力，為學生的宿舍和校園生活提供便利。

1 設計思路

1.1 設計初衷

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

目前，校園智能送餐機器人在各大高校都有一定的商業市場，可以進一步推廣應用。除了大學食堂以外，還可以在后期技術成熟時，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園區等。該技術擁有巨大的市場潛力，在未來智能化的發展背景下，該技術的應用場景會越來越大。

1.2 設計結構

校園智能送餐機器人由智能車底盤和附加的外賣箱組成，智能車底盤以STM32F103C8T6 最小系統為主控芯片，搭載TB6612FNG 電機驅動模塊、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，可以實現循跡導航、自動避障、藍牙解鎖以及電機調速等功能。外賣箱部分則分為內外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使用等優點。

1.3 控制系統設計

控制系統中很重要的一部分就是系統負反饋，通過程序判斷各項功能是否正常、循跡是否成功、電機運轉加減速是否正常以及是否有障礙物。判斷結束后，如果存在問題，那么微型計算機會根據特定的算法進行計算，并對其進行調整修正，如果沒有問題就正常執行任務。在該設計中，避障模塊采用的算法是局部避障動態窗口法（DWA）算法，該算法可以讓送餐機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定軌跡（偏移了多少），便于送餐機器人調整路線；電機驅動模塊則是通過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，通過將S 曲線離散化分為多個脈沖頻段來控制電機的穩定運行以及加減速，使送餐機器人適當地減速并順利完成轉彎動作。系統設計圖如圖1 所示。

圖1 智能送餐機器人系統設計圖

1.4 送餐流程

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

圖2 送餐流程圖

2 硬件系統

2.1 循跡模塊

選擇紅外循跡模塊需要考慮2 個方面，循跡點個數的多少和周圍光線的變化程度。循跡點的個數越多循跡結果也越精確，因為周圍光線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，選擇受周圍環境變化影響較小的循跡模塊。該系統中的循跡部分由4 個紅外循跡模塊共同組成智能送餐機器人的“眼睛”，引導智能送餐機器人沿著軌道線行進。紅外循跡模塊使用4 個發射管發射紅外光線，當光線照射到黑色軌跡和周圍其他色系的環境上時，根據反射強度的不同，接收端接收到不同強度的反射光線，根據發出反射光線的強弱程度來判斷軌道的位置，通過系統負反饋，基于PID 位置算法能夠使智能送餐機器人及時回到正確的軌跡。如果光線到達指定位置時的顏色不是黑色，那么傳感器發射出去的紅外光大部分都會被反射回來[2]。模塊化的設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，工作環境也很廣泛，能夠在不同溫度范圍下使用，而且在不同的環境中都能夠穩定、可靠地運轉，因此該設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 個白色高亮發光二極管和1 個光敏電阻，發光二極管照射到灰度不同的地面上返回的光是不同的，根據光（光敏電阻接受到返回的光）的強度差異，光敏電阻的阻值也不同，可以對灰度值進行測試，從而實現識別定位的功能。到達指定位置后，送餐機器人會停下來給藍牙通信模塊發送指令，然后通過藍牙向賣家發送提示信息并等候取餐。

2.3 超聲波避障模塊

校園智能送餐機器人中的避障模塊選用HC-SR04 模塊，該模塊擁有性能穩定、測度距離精確、模塊高精度以及盲區小等優點。在運送途中，送餐機器人很難一直保持自身的絕對平穩和穩定，探測系統也很難精準地探測其真實的距離，1 個超聲波傳感器很難對整個面進行測量，而且超聲波模塊具有擴散性，并且超聲波在不同介質中傳播速度會變得更為穩定[3]，考慮上述特性，該設計在避障方面選擇采用多個超聲波避障模塊協同運作。

2.4 電機驅動模塊

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

2.5 藍牙通信模塊

該系統使用 HC-06 無線藍牙通信模塊，HC-06 藍牙模塊的優點是配對以后默認使用全雙工的串口模式，不需要了解藍牙協議，可以使用無奇偶校驗的通信模式[4]。藍牙通信技術用無線的方式將各種數據和設備連到同一個微網下，可以在這些連接設備之間實現快捷且方便的通信。能夠實現手機和送餐機器人之間的藍牙通信，主控芯片和各部分模塊接收到的指令都是通過藍牙傳輸的，通過藍牙接口傳到接收端，通過A/D、D/A 之間的轉換成為各種模擬信號。接收信號時，將接收端開關設置為開啟狀態，天線端接收射頻信號后，經過藍牙收發器將其傳輸給基帶信號處理器。

3 軟件系統設計

3.1 電機驅動控制設計

電機驅動軟件是設計該機系統的基礎，通過手機軟件可以控制智能小車行進的快慢和轉向，通過電壓反饋調整其脈沖寬度調制占空比，進而調節和驅動智能送餐機器人。利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制，采用差動轉向來控制機器人的轉向，差動轉向就是一個輪子的轉速比另外一個輪子快或者慢，使2 個輪子速度不一樣，從而達到轉向的目的。通過調節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速度。

3.2 藍牙程序設計

藍牙程序一共有2 個部分：1） 主控芯片上的程序。需要對其進行初始化串口，通過編程為其收到的指令設定對應的動作邏輯，以方便控制機器人運行。2） 手機、平板以及電腦等控制端的軟件程序?？梢允褂肁PICloud 開發平臺制作軟件，使用可視化工具快速構建應用程序，這樣就可以通過該軟件給藍牙傳輸數據，然后通過藍牙進行數據傳輸，進而控制主控芯片運行機器人。

4 運行分析

4.1 運行原理

該設計采用C 語言，通過Keil uVision5 編寫程序， 設計基于機智云和主控制器核心芯STM32F103C8T6 的智能送餐系統， 配備ESP8266-01 Wi-Fi 模塊、藍牙模塊、繼電器控制模塊、TB6612FNG 電機驅動模塊、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。當硬件部分連接并上電后， STM32F103C8T6最小系統開始工作， 因此在主程序設計部分，首先要對其各種功能進行初始化。在初始化系統時鐘、GPIO 口、串口以及定時器后，再初始化各個傳感器I/O 口。當傳感器觸發任務時， 將根據優先級按（從高到低的順序）依次執行任務。

4.2 運行測試

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

表1 送餐機器人運行速度測試結果

5 結語

該文設計的校園智能送餐機器人采用STM32F103C8T6最小系統為控制核心，外加HC-SR04 超聲波模塊、紅外循跡模塊、藍牙模塊以及繼電器控制模塊等模塊，可以實現智能送餐車的自動循跡、自動避障、自動調速以及定位等功能。為餐廳節省了送餐的人力、物力和財力，與此同時，還擴大了餐廳的營業額。真正做到讓學生足不出戶就能吃到食堂的美味。經過實驗測試，校園智能送餐機器人實現了預期的功能并且得到了商家的青睞。