基于STM32 的送餐機器人設計

秦艷

（江蘇聯合職業技術學院 淮安生物工程分院，江蘇淮安，223200）

0 引言

隨著社會技術和經濟的發展，機器人的應用越來越廣泛。在極大地提升工作效率的同時，也為人們的生活提供了較多的便利。

對于送餐機器人領域而言，目前國內眾多機構開展了研究。例如：文獻[1]以ROS 平臺為基礎，設計了具有六個自由度的機械手臂，在食物抓取方面取得了良好的效果；文獻[2]為送餐機器人規劃了路徑并設置了避障功能，該機器人能夠比較準確地將食物運輸至指定地點；文獻[3]在ROS平臺進行仿真，并展開了實驗驗證，實現了送餐機器人在復雜環境下的準確避障功能。上述研究均是針對送餐機器人的實際應用場景進行功能設計，達到了預期的目標。因此，對于送餐機器人的設計而言，關鍵在于應用場景和功能的確定。在該前提下，才能夠設計出應用性較高的機器人。綜上所述，本文以酒店為應用場景，擬定機器人的功能，實現機器人的結構設計，達到功能完善、使用便捷的目的。

1 送餐機器人功能設定及系統的布局

對于本課題而言，送餐機器人的工作場景為酒店，即送餐的地點主要包括酒店大廳、客房、酒店辦公場所等地。因此，首要的步驟是通過對場景的分析，擬定機器人的基本功能。通常情況下，酒店各層的地面都較為平坦和光滑，且照明、電梯以及主要的用電設備均是二十四小時運行。故要使送餐機器人正常工作，可以不用考慮復雜的地形和環境，僅需要設計比較常規的功能即可。根據上述分析，送餐機器人的具體功能包括：循跡、避障、移動、定位、通信等。根據上述具體的功能，系統的基本布局，如圖1 所示。

圖1 系統基本布局

2 系統設計思路

根據圖1 所示的系統基本布局可知，對于該送餐機器人的設計中，主要圍繞這幾個模塊來進行。本文的具體設計思路為：送餐機器人以主控模塊為中心，以藍牙模塊來實現信號傳遞、人機交互等通信功能。在藍牙通信模塊的媒介下，主控模塊可以對循跡模塊、避障模塊、驅動模塊等發送指令，讓機器人根據指令按照規劃好的路徑進行動作。與此同時，機器人的運行情況，也同時以信號的形式反饋至主控模塊，以判斷機器人的運行狀態，并適時進行調整。當機器人達到指定地點時，通過灰度識別功能指示其停止，從而完成送餐的整個過程。送餐的具體流程，如圖2 所示。

圖2 機器人送餐流程

3 系統硬件的設計

■3.1 主控模塊設計

主控模塊是硬件設計中的關鍵步驟，合理的主控芯片選擇，對于提升系統的控制精度和控制效果具有舉足輕重的作用。對于本文而言，在主控芯片的選擇中，由于送餐機器人在酒店工作時，經常會因為送餐時間要求、酒店里面的人具有不確定的行走軌跡等因素，需要經常進行速度的變換或停止。因此，結合文獻[4-5]的研究結論，STM32F103ZET6處理器對于控制機器人速度、加速度以及定位等方面具有良好的效果，與機器人運行的需求相適應。同時，也能夠達到較好的系統穩定性。因此，本課題擬選擇STM32F103ZET6作為系統的主控芯片。芯片的基本參數如表1 所示。

表1 STM32F103ZET6主要參數

■3.2 循跡模塊設計

送餐機器人的循跡模塊，考慮到應用場景為酒店，僅需要要求機器人按照既定路線進行運行和避障。通常而言，酒店每一層的面積并不是很大。且在酒店里面通常燈光都比較明亮。因此在循跡模塊的設計中，需要考慮燈光對于傳感器的影響因素。鑒于此，由于紅外線的波長大于可見光波長，所以受到燈光的影響很小。在一定程度上來說，也確保了導航的準確性。因此，對于實現路徑規劃和導航而言，在既定的場景中，紅外循跡是一種行之有效的方式[6]。故在循跡模塊的類型選擇中，也確定為紅外循跡方式，其模塊的基本電路如圖3 所示。

圖3 紅外循跡模塊

■3.3 避障模塊設計

在酒店里面，由于人流量比較大，且每個人的行走路線比較隨機。故送餐機器人在運行過程中，難免會遇到前方存在阻礙的情況。若不設置避障模塊，則很容易與人相撞從而發生事故。因此，避障模塊的設計是非常必要的。對于送餐機器人而言，由于本身的質量，在移動過程中存在一定的慣性，所以若當障礙

物距離很近的時候才判斷出來，即使識別出了障礙物，由于慣性問題也有可能無法及時停止，繼而導致與障礙物相撞。故在避障模塊的選擇中，主要考慮能夠在障礙物較遠的時候便識別出來，為即時停止提供緩沖距離。而超聲波傳感器則具有檢測的距離較遠、高精度以及抗干擾性良好等特點[7]。因此，選擇超聲波傳感器作為避障模塊的感應元件。超聲波避障模塊的傳感電路如圖4 所示。

圖4 超聲波避障模塊傳感電路

■3.4 定位模塊設計

送餐機器人在運行和送餐的過程中，都需要隨時進行定位。否則，送餐的動作無法完成。因此，機器人的設計中，定位模塊也是不可缺少的一部分。在本課題中，考慮到機器人的結構特點以及運行到停止過程中的距離，擬選擇體積較小、識別率較高的灰度傳感器實現便捷的定位功能[8]。

■3.5 驅動模塊設計

在機器人的行走機構設計中，常用的行走機構包括足式和輪式[9]。本文考慮到送餐機器人的工作場景，酒店的地面通常比較平坦和光滑。因此，在機器人的行走機構的類型選擇中，要實現比較快速的行進，采用輪式的結構比較適合。因此，在確定了輪式結構為機器人行進的方案后，如何驅動是一個比較重要的問題。因為驅動模塊就是確保其穩定和快速運行的關鍵。在驅動模塊的設計中，考慮到直流電機對電磁轉矩的變化控制性能較好，能夠快速實現正轉、反轉以及各級調速、且調速類型屬于無級調速、電機本身的啟停性能較優等因素，能夠比較好地實現機器人的運動控制，遇見障礙物或到達目的地能夠及時停止。故在驅動模塊的設計中，選擇直流電機驅動，其驅動電路如圖5 所示。

圖5 驅動模塊

■3.6 通信模塊設計

通信模塊的設計中，由于酒店的整體空間不大，采用藍牙模塊即可滿足使用要求。故本文主要選擇HC-06 藍牙模塊。原因在于其具有功耗低、在工作范圍內的數據丟包率低以及靈敏度較高等特點[10]。HC-06 藍牙模塊的部分參數如表2 所示。

表2 HC-06基本參數

4 系統軟件的設計

系統的軟件設計主要包括驅動模塊、循跡模塊、避障模塊、定位模塊、藍牙通信模塊的程序設計。其中，驅動模塊主要根據機器人的運動，通過PWM 占空比對其進行驅動來完成。而循跡、避障以及定位模塊是工作的重點。其軟件設計的具體步驟為：(1)在循跡模塊中，先完成紅外傳感器的光電對管初始化操作，對GPIO 端口的速度進行配置，并對三個光電對管控制機器人的動態進行判斷；(2)根據舵機控制避障模塊的方向，讓該模塊能夠在最大的范圍內識別障礙物，并做出對應的動作；(3)灰度傳感器將獲得的參數與程序中設定的閾值進行對比，判斷送餐機器人是否抵達了預期的位置，并進行信號反饋，讓系統開展對應的動作指令。

在藍牙模塊的軟件設計中，主要包括兩個部分：(1)對送餐機器人主控芯片的程序進行初始化串口通信，系統需要對接收到的信號進行對應的邏輯處理，由此控制送餐機器人的動作；(2)上位機程序采用App Inventor 2 平臺進行開發，實現人機交互界面和邏輯設計。

5 系統性能測試及優化改進

完成送餐機器人的軟件和硬件系統設計后，需要測試系統的性能，以驗證設計是否合理。因此，本文采用幾何相似原理，建立了送餐機器人的模型，并在一個50m×40m 的空間進行系統的測試。測試內容主要包括機器人循跡的精度、避障效果、定位精度、系統的響應以及穩定性等，將各測試指標按照：最佳、良好、一般、較差以及極差五個等級進行評定[11]。測試的基本結果如表3 所示。

表3 系統性能測試基本結果

從表3 所示的系統性能測試基本結果來看，系統的循跡精度、定位精度、響應速度以及穩定性都處于良好的等級，說明這些基本的指標都能夠滿足使用要求。但是，從避障效果來看，僅為一般的等級，說明系統在避障方面存在一定的問題。通過分析，基本原因在于，避障模塊的設計中，雖然超聲波傳感器比較適合于遠處存在障礙物的識別，但是面對障礙物較近或是面對突如其來的近處障礙物時，其識別效果不甚理想。很容易導致機器人與障礙物相撞的情況。因此，根據測試的結果，需要對該模塊進行改進，即在原超聲波傳感器模塊的基礎上，再添加紅外傳感器。將原先單一的超聲波避障替換為超聲波+紅外傳感器聯合避障的系統[12～14]，如此一來可以有效解決單一傳感器的弊端，達到良好的避障效果。

6 結論

對應用于酒店場景的送餐機器人設計中，在確定功能的基礎上，擬定了系統的各模塊。并完成了該系統的硬件和軟件的設計。通過性能測試發現，由于系統的避障效果不佳，故將原超聲波傳感器避障的設計方案改進成了超聲波和紅外傳感器聯合避障的結構，為后續該送餐機器人投入實際的使用，提供了依據。