無接觸配送機器人設計與仿真

遼寧石油化工大學信息與控制工程學院 郭 棟 佀秀杰 吳俊吉

2020年，由新型冠狀病毒(2019-nCoV)疫情導致全球公共衛生安全事件，引發各國的高度關注。疫情之下，人們的生活節奏被打亂，就連日常的快遞都無法正常配送。在這樣的背景下，“無接觸配送”成為疫情下人們生活的剛需。

“無接觸配送”是物流公司末端配送所提供的一種新穎服務實現方式。在新冠疫情引起民眾的廣泛關注之前，“無接觸配送”已在許多領域被廣泛應用，包括無人機配送、無人車配送、無人機器人配送等。2016年，亞馬遜(Amazon)獲得了應用無人機進行運輸快件的專利。全自動無人配送機器人則已由硅谷機器人公司Nuro推出。2018年6月，在北京京東快遞將無人駕駛的配送車應用到了日常配送業務中；同一年的上半年，阿里巴巴在杭州總部對由其自主研究并開發的第三代菜鳥配送機器人，進行了道路實測并獲得成功。

目前，對于無接觸配送的研究重點主要集中在自動駕駛技術的研究上，對于目前突發的疫情所引起的最后100m物流在配送服務上所需要改進的模式和實現方法，還沒有給予足夠的關注。如果將目前研究的無人配送機器人直接應用于實踐中，主要存在兩個方面的不足：（1）運營成本高，無法實現大范圍的無接觸配送；（2）在研的無接觸配送機器人一般都沒有消毒功能，無法滿足疫情下人們對無接觸配送的高要求。

本文設計了一款基于單片機的無接觸配送機器人，其具有自動開箱、自動消毒等功能，以較少的成本實現無接觸配送，使其能夠滿足目前對物流配送的實際需求。

1 系統設計

本文設計的無接觸配送機器人，主要實現兩個功能，即自動開箱和自動消毒，這兩個功能能夠確保安全可靠地將快件送到客戶手上。自動開箱采用紅外線遙控的方法，這種方法簡單且易于實現。

自動消毒采用紫外線消毒的方法。根據國家衛健委發布的《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案(試行第五版)》，可知新型冠狀病毒對紫外線和熱敏感。為在新冠疫情下作好防護，紫外線消毒被醫療機構和普通家庭作為主要的消毒方法之一。但是由于技術原因，很多紫外線消毒設備采用手動的機械開關，操作人員在使用過程中無法避開近距離與紫外線接觸，這些情況都可能對操作人員的人體皮膚和眼睛造成損害。因此，本文采用一種紫外線消毒后延時允許開啟倉門的方法，配送人員可根據配送時間提前對其進行消毒處理。

本設計是在普通智能小車上加裝了貨倉，通過單片機對貨倉倉門進行紅外遙控控制，并在倉內增加了紫外線消毒裝置并進行控制。系統設計框圖如圖1所示。整個系統以單片機為核心，通過系統控制模塊完成配送機器人的基本功能，如按收指令即行進或停止等；通過紅外避障和超聲波避障模塊可以檢測路線上的障礙物，并改變行進方向；通過紅外遙控模塊接收開啟倉門指令并執行；通過消毒模塊對倉內物品進行有效消毒。

圖1 系統框圖

2 系統控制流程

此次小車的設計主要是使用循跡及避障模塊來實現小車的自主循跡及避障這兩個功能。小車的主控芯片采用STC89C52RC單片機去構成控制系統，小車的避障功能主要采用超聲波接收器去發送/接收信號，當超聲波在傳輸過程中遇障礙物時則會反彈，這時超聲波接收器就是在收到信號之后對其進行計算，通過反彈的時間和速度來測量其測距，以此為基礎獲取一輛小車所要到達的障礙物之間的差值。在這個程序設計中，當一輛小車被檢測到左右的位置與其他障礙物之間的距離超過15cm時，小車則可能會繼續沿一條直線方向前進，而是當一輛小車被檢測到左右的位置與其他障礙物之間的距離超過了小于15cm時，小車將可能會自動地旋轉尋找一個方向以便避開其他障礙物，在躲藏或者逃脫障礙物后，小車則可能會繼續沿一條直線方向前進，當小車被檢測到與當障礙物的最前端相對高度小于15cm處，小車將自動停駛不在其中。

對于循跡模塊功能來說，小車則主要是通過循跡模塊對黑色線路進行探測，使得小車能夠順著設定的環境下按照黑色線路繼續循跡地行駛和前進，當傳感器發射出的紅外線沒有被傳感器反射返回或被傳感器反射返回但是強度不夠大時，紅外傳感器的接收管將會一直保持在關斷的狀態，此時該模塊的傳感器從輸出端發送到高電平的信號，這種情況下傳感器就是用來指示二極管將永遠都會保持在熄滅的狀態；當被檢測到的物體暴露在檢測區域之內時，紅外線被激光反射了回來而且其強度已經足夠大，這時候紅外線接收管就會達到飽和，此時模塊的輸出端輸出低電平信號，在這種情況下指示二極管將被點亮，進而反饋到單片機上去控制小車按照設定的程序方式進行循跡。

為了實現倉門自動打開，以及紫外線延時開啟等功能，在軟件方面作了如下設計：

首先，單片機實時檢測紅外遙控模塊是否有信號輸入，為了保證不在消毒過程中開啟倉門，單片機在接收到紅外遙控模塊信號后，需要檢測消毒是否完成，若同時達到這兩個條件則開啟門，只要有一個條件不具備，倉門就不能開啟。

其次，為了保障對貨品的有效消毒和操作人員不受紫外線的危害，紫外線消毒時需要通過單片機檢測倉門是否關閉，消毒完成后延時允許開啟倉門。若消毒期間由于特殊原因需要開啟倉門，需要按下強制開啟鍵，該鍵按下后結束紫外線消毒程序，并延時可以開啟倉門。

3 仿真及結果

為了驗證所設計的系統的有效性，對該系統進行了仿真實驗。

對于所要實現的循跡功能，對左右循跡傳感器進行控制，同時將循跡功能與驅動電機控制智能小車運動配合在一起使用。當小車進行運動循跡功能工作時，循跡傳感器在運動過程中檢測到黑線，那么小車延時60ms后小車自動左轉直到檢測不到黑線為止，然后繼續前進。同樣，當右邊循跡傳感器在運動過程中檢測到黑線，那么延時60ms后小車自動右轉直到檢測不到黑線為止，然后繼續前進。若這兩種情況都沒有發生（即小車左右循跡模塊均為檢測到黑線），那么小車將一直保持前進，直到遇到黑線后，小車再一次循環之前的循跡運動，自動左轉或右轉進行運動去躲避黑線。

對于所要實現的避障功能，本次設計主要是通過超聲波模塊配合驅動電機以及單片機進行避障功能的實現。本次設計中將超聲波模塊連接舵機進行去全方位的勘察。當小車運動并開啟超聲波避障模式，那么根據程序中所設定的，當小車檢測到前方無障礙物時蜂鳴器輸出低電平不響，小車將信息傳輸回單片機，經10ms的延時后，小車繼續前進。當超聲波模塊檢測到小車右前方有障礙物時蜂鳴器輸出高電平進行報警，小車將信息回傳給單片機，經100ms的延時后，小車自動進行左轉，直到超聲波模塊檢測不到前方有障礙物后，小車繼續前進。同樣，當超聲波模塊檢測到小車左前方有障礙物時蜂鳴器輸出高電平進行報警，小車將信息回傳給單片機，經100ms的延時后，小車自動進行右轉，直到超聲波模塊檢測不到前方有障礙物后，小車繼續前進。當超聲波模塊檢測到小車左右前方均有障礙物時蜂鳴器輸出高電平進行報警，小車將信息回傳給單片機，經50ms的延時后，小車自動停車。然后小車停車反沖自動后退，直到小車與障礙物之間的距離足夠大后，經300ms的延時后，小車將自動右轉，直到超聲波模塊檢測不到前方有障礙物后，小車繼續前進。

仿真實驗中，倉門以電機代替，可正轉或反轉，表示倉門的開啟或關閉；紫外線消毒以紫外線燈管為例，仿真中以LED小燈表示。仿真電路圖如圖2所示。

圖2 電路仿真圖

通過仿真實驗驗證了本設計的功能能夠實現。本設計采用了比較簡單的方法，就能夠基本實現疫情下對無按觸配送的要求，具有較好的實用性。