作者/尚博陽，河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院

基于機(jī)器視覺的餐廳機(jī)器人設(shè)計(jì)

作者/尚博陽，河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院

本文設(shè)計(jì)研制了一款可以遠(yuǎn)程控制，并提供“送餐”、“點(diǎn)餐”和“支付”功能的餐廳機(jī)器人。該系統(tǒng)以Cortex—A9四核處理芯片為處理核心，運(yùn)行Linux系統(tǒng)，配合雙目攝像頭的機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人分辨地面與行人，桌椅等障礙物，并對其規(guī)避，同時(shí)具有智能送餐、點(diǎn)餐、支付等功能。該機(jī)器人可輔助或代替餐廳的服務(wù)員，從而幫助餐廳降低運(yùn)營成本，同時(shí)滿足了現(xiàn)代人對智能生活的追求，增加顧客興趣。

餐廳機(jī)器人；Cortex—A9四核處理芯片；機(jī)器視覺

引言

現(xiàn)階段我國人均工資仍處于并將長期處于上升階段，且陷入了人口老齡化、勞動力短缺的困境，服務(wù)業(yè)成本持高不下。與此同時(shí)，我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正蓬勃發(fā)展，成為了制造業(yè)的核心。現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)餐廳機(jī)器人，例如一些餐廳機(jī)器人是按照設(shè)定的軌跡進(jìn)行移動，這樣對道路的流通造成相當(dāng)大的不便，使原本的高端產(chǎn)品出現(xiàn)弊端。如何使餐廳機(jī)器人的自動循跡更加智能化是個亟待解決的問題。本文便以Cortex—A9四核處理芯片為主控芯片，配合雙目攝像頭進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

1. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)餐廳機(jī)器人智能分辨行人與障礙物并對其規(guī)避，同時(shí)具有送餐、點(diǎn)餐、支付等功能，考慮采用單片機(jī)配合外圍電路來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)考慮采用Cortex—A9四核處理芯片，該處理芯片代替龐大的計(jì)算機(jī)主板最為處理核心，運(yùn)行Linux系統(tǒng)，價(jià)格低廉，運(yùn)行功率小且效率高。整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、主控模塊、驅(qū)動模塊、信息交互模塊、電源模塊。整個系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

該餐廳機(jī)器人中所采用的各種主控板與驅(qū)動電路，由5V電壓供電即可滿足，但由于部分外設(shè)所需的驅(qū)動的電流過大接近于3A，故綜合考慮，電源模塊需選擇LM2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路。該系列產(chǎn)品的最大輸出電流為3A，輸出電壓由3.3V、5V、12V、15V和ADJ可選?？紤]到電源模塊需向多個外設(shè)進(jìn)行供電和電壓轉(zhuǎn)換，為保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行，采用三個電源模塊為不同的電路進(jìn)行供電。

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主移動與智能送餐，所要求該機(jī)器人的反應(yīng)能力應(yīng)與常人無異，故對機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動電路有甚高的要求?？紤]于此，該設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路采用BTN7971，和bts7960共同構(gòu)成。其中，BTN7971需提供5V電源輸出；SEN是整個驅(qū)動板的使能，同時(shí)控制6個半橋；SAIN1和SAIN2控制電機(jī)A；SBIN1和SBIN2控制電機(jī)B；SCIN1和SCIN2控制電機(jī)C；ADC是通過精密電阻分壓，讓單片機(jī)采集供電電壓，以防止電池供電不足。控制示例有：電機(jī)A正轉(zhuǎn)，占空比50%：SAIN2輸入低電平SAIN1輸入占空比50%的PWM，電機(jī)A反轉(zhuǎn)，占空比20%：SAIN2輸入高電平SAIN1輸入占空比80%的PWM。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

為保證餐廳機(jī)器人的準(zhǔn)確運(yùn)行，需保證餐廳機(jī)器人所采集的數(shù)據(jù)可靠有用。故設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊包括雙目攝像頭、測距模塊、人體檢測模塊；其中，雙目攝像頭用于將機(jī)器人所處環(huán)境進(jìn)行圖像識別與采集，并將所采集到的圖像信息傳送到主控模塊；測距模塊用于測量機(jī)器人本體與周圍障礙物的距離，并將此距離傳送給主控模塊，主控模塊會將信息進(jìn)行處理，從而避免機(jī)器人與障礙發(fā)生碰撞；人體檢測模塊用于檢測上述雙目攝像頭所看到的障礙物是否為人，將檢測到的信息傳送到主控模塊，主控模塊處理上述雙目攝像頭和人體檢測模塊所采集到的信息后，發(fā)送下一步機(jī)器人所要執(zhí)行的指令。數(shù)據(jù)采集模塊硬件構(gòu)成圖如圖2所示。

2.4 信息交互模塊硬件設(shè)計(jì)

為保證使用者與機(jī)器人之間的信息可靠傳輸，設(shè)計(jì)信息交互模塊包括無線傳輸模塊、語音交互模塊和觸摸顯示屏；語音交互模塊用于將使用者所傳達(dá)的信息采集，并傳送到主控模塊進(jìn)行處理，語音交互模塊接收主控模塊處理后的信息進(jìn)行反饋給使用者，且語音交互模塊放置在機(jī)器人的胸口處，便于與使用者進(jìn)行信息交互；無線傳輸模塊用于接收主控模塊所處理過后的信息，并將其傳送給服務(wù)臺，便于服務(wù)臺做出服務(wù)，服務(wù)臺也可通過向無線傳輸模塊發(fā)送信息，再將信息返回主控模塊，由主控模塊處理之后，將信息傳送到觸摸顯示屏，由觸摸顯示屏進(jìn)行呈現(xiàn)，且無線傳輸模塊分兩個部分，一個放置于機(jī)器人內(nèi)部，另一個則設(shè)置于服務(wù)臺，便于機(jī)器人與服務(wù)臺進(jìn)行溝通；觸摸顯示屏用來呈現(xiàn)語音交互模塊和主控模塊傳遞給使用者的信息，其中包括菜單、語音對話、餐廳建議功能。信息交互模塊如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊電路構(gòu)成圖

圖3 顯示裝置與單片機(jī)的連接圖

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該餐廳機(jī)器人可輔助或代替餐廳的服務(wù)員，從而幫助餐廳降低運(yùn)營成本，用于餐廳中對顧客進(jìn)行服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)餐廳內(nèi)智能路徑選擇與執(zhí)行和點(diǎn)餐的一種機(jī)器人，代替了傳統(tǒng)的人工服務(wù)員。系統(tǒng)上電后，主控模塊通過數(shù)據(jù)采集模塊采集的信息來判斷檢測機(jī)器人所處于的路況與餐桌的序號，當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信息送到主控模塊進(jìn)行判斷時(shí)，主控模塊根據(jù)內(nèi)部算法會自動判斷餐廳內(nèi)的路況，機(jī)器人會根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)來判斷眼前的是否為人，若是人且有大幅度移動則主控模塊則使機(jī)器人保持原狀，若是靜止的物體或人，在主控模塊根據(jù)采集到的信息進(jìn)行路徑選擇，將執(zhí)行命令發(fā)送給驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊中的電機(jī)執(zhí)行機(jī)器人所選擇的路徑。

另外，主控模塊通過信息交互模塊發(fā)送顧客所點(diǎn)的菜單給前臺進(jìn)行匯總，前臺通過信息交互模塊進(jìn)行告知顧客，點(diǎn)餐成功。送餐時(shí)，通過驅(qū)動模塊中雙驅(qū)動輪的用不同轉(zhuǎn)速來進(jìn)行路徑執(zhí)行。

4. 核心技術(shù)

立體視覺匹配算法：世界空間中一點(diǎn)A(X，Y，Z)在左右攝像機(jī)的成像面Cl和Cr上的像點(diǎn)分別為al(ul，vl)和ar(ur，vr)。確定了這兩個共軛像點(diǎn)之后，分別作它們與各自相機(jī)的光心Ol和Or的連線，即投影線alOl和arOr，它們的交點(diǎn)即為世界空間中的對象點(diǎn)A(X，Y，Z)。圖4為立體視覺調(diào)試示意圖。

圖4 立體視覺調(diào)試示意圖

5. 結(jié)束語

基于Cortex—A9四核處理芯片為處理核心的一種基于機(jī)器視覺的餐廳機(jī)器人設(shè)計(jì)，從硬件電路的設(shè)計(jì)開始，到零件的組裝，最后到程序的調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了所述所有功能。經(jīng)餐廳現(xiàn)場測試，該餐廳機(jī)器人可良好的代替餐廳人工服務(wù)人員，并且前來就餐人員對該機(jī)器人產(chǎn)生了極大興趣，對其進(jìn)行進(jìn)一步改善，相信很快可以投入市場運(yùn)營。

＊ [1]李寒．基于機(jī)器視覺的番茄多目標(biāo)提取與匹配[D]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012

＊ [2]陳若望．機(jī)器視覺中圖像匹配問題研究[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2011

＊ [3]徐曉明．基于SVM機(jī)器學(xué)習(xí)的仿真網(wǎng)格資源調(diào)度模型[D]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013