孫海欣,曹志強,2

(1.長春大學 電子信息工程學院，長春 130022; 2.杭州迪普科技股份有限公司，杭州 310000)

智能助餐機器人的設計

孫海欣1,曹志強1,2

(1.長春大學 電子信息工程學院，長春 130022; 2.杭州迪普科技股份有限公司，杭州 310000)

以KL26Z256ZLL4單片機為控制核心，結合紅外對管、超聲波模塊、干簧管、ISD1820語音模塊、電機驅動模塊以及迪文串口屏，設計一款智能助餐機器人。該系統(tǒng)可自主完成路徑識別，障礙識別減速及提醒處理，點餐和送餐的功能。通過使用紅外對管進行路徑檢測，保證路徑識別的準確性和穩(wěn)定性；通過超聲波模塊、語音模塊和電機驅動模塊的配合，完成對前方道路的行人進行障礙識別及語音提醒。

助餐機器人；點餐；送餐；避障

0 引言

隨著經濟及餐飲行業(yè)的快速發(fā)展，人們的餐飲消費能力不斷提高，各種新興的餐飲形式不斷涌現(xiàn)。高昂的人工成本、餐飲市場激烈的競爭，導致沒有特色沒有品牌的經營往往瀕臨倒閉，整個餐飲市場可以說是盈虧參半。據(jù)國內貿易部服務消費司統(tǒng)計，餐飲行業(yè)盈利的只有40%，保本或微利的占30%，剩下的30%就面臨虧損。因此，減小餐飲行業(yè)的運營成本迫在眉睫。

近年來，服務型機器人已走入廣大研究者的視野，各個研究機構或者是高校實驗室都開始對其進行研究[1-3]。如今，由于相關技術的成熟和服務型機器人廣闊的發(fā)展前景，服務型機器人已逐漸從研究所和高校走出，并且越來越受到商業(yè)界和企業(yè)的注意。在發(fā)達國家已經開發(fā)出一些商業(yè)化的服務機器人產品。根據(jù)餐飲行業(yè)對服務型機器人的要求，本文設計一款餐廳智能助餐機器人[4-7]，該機器人可自主完成路徑識別、障礙識別減速及提醒處理，點餐和送餐的功能。不僅節(jié)約人力成本，還滿足人們對生活智能化的需求。

1 總體設計方案

圖1 整體系統(tǒng)框架

本文設計的智能助餐機器人系統(tǒng)由控制模塊、信息采集模塊、點餐送餐模塊、驅動模塊、語音模塊五部分構成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中，控制模塊使用恩智浦公司的KL26Z256ZLL4芯片作為控制核心，它接收系統(tǒng)各個傳感器的實時信息，進行數(shù)據(jù)處理及相應控制。信息采集模塊使用紅外傳感器，HC-SR04超聲波傳感器和干簧管來采集道路信息。點餐送餐系統(tǒng)通過串口觸摸屏實現(xiàn)，型號為迪文科技有限公司的DWT48270M50-06WT，通過串口觸摸屏，用戶可以實時選擇座位號點菜等交互。此外，通過藍牙模塊將點餐的菜單傳送到PC端，PC端接收相應信息。信息采集模塊主要檢測道路信息，通過控制模塊進行數(shù)據(jù)處理，然后通過驅動模塊控制電機差速實現(xiàn)機器人循跡行駛[8-10]。語音模塊在特定場景下由控制芯片控制播放語音。例如，提醒用戶點餐、提醒用戶用餐、在行駛過程中檢測到障礙后提醒讓路等[11-12]。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 單片機最小系統(tǒng)設計

本設計主要采用KL26系列的100腳MKL26Z256VLL4芯片作為核心控制芯片。芯片引腳包括了電源引腳、調試/編程接口、晶振接口、復位引腳、通用I/O引腳和復用引腳。由于該芯片內部集成的功能較多，因此在芯片設計時，內核內部把多個功能復用到相同的引腳上，從而減少引腳數(shù)?？赏ㄟ^修改復用寄存器來修改相應引腳的功能。本設計主要使用引腳的GPIO功能，UART功能和TMP功能。單片機最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)電路原理圖

2.2 電源電路

本設計系統(tǒng)使用兩種電壓，分別為3.3V電壓和5V電壓。其中，3.3V電壓標準主要給單片機供電，5V電壓標準主要給外圍電路供電。本文采用電池作為系統(tǒng)輸入電壓，提供7.2V電壓。通過LM2940將7.2V電壓轉變?yōu)?V電壓，再通過穩(wěn)壓芯片ASM1117將5V輸入轉換成3.3V輸出，以給單片機供電。

2.3 信息采集電路

信息采集電路主要使用紅外循跡電路，HC-SR04超聲波傳感器和干簧管來采集道路信息。紅外傳感器用于餐廳助餐機器人的道路循跡，要求機器人能準確快速分辨出餐廳內部的道路，從而讓機器人按規(guī)定的軌跡行駛。紅外循跡電路如圖3所示。

圖3 紅外循跡電路

超聲波模塊主要檢測車體前方障礙。模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回，若有信號返回，IO口輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，距離計算公式為：

距離=(高電平時間*聲速)/2

(1)

一旦發(fā)現(xiàn)前方障礙，就會觸發(fā)單片機中斷。本系統(tǒng)使用的HC-SR04超聲波模塊能準確檢測到1米內的障礙，其精度能達到0.5cm。

干簧管主要用于檢測道路節(jié)點處的強磁鐵。通往每張餐桌的巡航線的節(jié)點處設有強磁鐵，通過檢測強磁鐵觸發(fā)干簧管的次數(shù)來區(qū)分不同的餐桌。

圖4 電機驅動電路

2.4 電機驅動電路

電機驅動電路有三個功能：為電機提供提供驅動電流；改變電機極性及實現(xiàn)電機的正反轉變化；實現(xiàn)對電機的調速(需要軟件配合，即單片機產生PWM波)。本設計通過使用L298N芯片實現(xiàn)電機的驅動，其驅動原理如圖4所示。

3 軟件設計

3.1 顯示屏界面及通信設計

本系統(tǒng)使用DGUS Tool進行顯示界面的設計，DGUS Tool為迪文公司為其顯示屏設計的圖形界面開發(fā)軟件。在該軟件環(huán)境中，開發(fā)者能實現(xiàn)對現(xiàn)實界面人機交互系統(tǒng)的設計。顯示屏部分界面如圖5所示。顯示屏與單片機使用串口通信，在界面設計時需要規(guī)劃好通信協(xié)議，一條完整的串口數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 串口通信數(shù)據(jù)結構

3.2 單片機程序設計

圖5 程序流程圖

單片機程序設計是在IAR Systems環(huán)境下，使用C語言對系統(tǒng)各項功能進行軟件開發(fā)。首先，依據(jù)硬件電路和各模塊技術手冊，對各模塊進行編程，在單獨測試后，進行整體聯(lián)調、分析系統(tǒng)程序，并對其進行測試、修正，最終形成穩(wěn)定成熟的軟件系統(tǒng)。程序流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)工作流程為：當有顧客需要點餐時，服務員在觸屏的座位號選擇界面選擇相應座位，選擇完成后助餐機器人沿巡航線移動，行進過程中時刻判斷道路節(jié)點和是否有障礙物，若有障礙，則停止，等待，同時語音提示“您好，請讓路”；若檢測到節(jié)點，則進入對應子程序，進行停車或者轉彎；到達終點后語音提示“歡迎光臨，請點餐”并等待。顧客完成點餐后，發(fā)送點餐數(shù)據(jù)到PC端，助餐機器人沿原路返回。

當需要機器人送餐時，服務員在觸屏的座位號選擇界面選擇相應座位，選擇完成后機器人沿巡航線移動，行進過程中時刻判斷道路節(jié)點和是否有障礙物。若有障礙，則停止，等待同時語音提示“您好，請讓路”；若檢測到節(jié)點，則進入對應子程序，進行停車或者轉彎，到達終點后語音提示“歡迎光臨，請取餐”并等待?？腿巳⊥瓴秃?，點擊返回，機器人沿原路返回。

4 結語

本文設計的助餐機器人應用于餐廳場景，可循跡駛向指定餐桌，并搭載點餐觸摸屏，實現(xiàn)餐廳智能點餐和送餐。本設計在理論分析的基礎上，根據(jù)總體方案確定系統(tǒng)的組成。對系統(tǒng)的每一個模塊進行元件的選型和電路設計，在完成硬件電路設計和機械結構的搭建后，進行程序流程的規(guī)劃，完成程序流程圖，然后進行單片機軟件和觸摸屏的操作界面的編寫，最終完成本設計。系統(tǒng)最終實現(xiàn)了智能點餐和送餐、障礙檢測、路徑識別及語音提醒等功能。可以預見，本文設計的餐廳智能助餐機器人具有廣闊的市場前景和重要的研究意義，符合當今人們對生活智能化的要求，可節(jié)省餐廳的人力成本。

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責任編輯：程艷艷

Design of Intelligent Meal-assisted Robot

SUN Haixin1, CAO Zhiqiang1,2

(1. College of Electronic Information Engineering, Changchun University, Changchun 130022, China;2. Hangzhou DP Tech Co., Ltd, Hangzhou 310000, China)

This paper, combining with infrared emitting diode and photodiode, ultrasonic module, tongue tube, ISD1820 voice module, motor driving module and Devin serial screen, designs an intelligent meal-assisted robot which uses KL26Z256ZLL4 microcontroller as the control core. The system can accomplish the path recognition, obstacles identification slowdown and reminding processings, as well as meal ordering and meal delivery functions. The path detection is realized by infrared emitting diode and photodiode to ensure the accuracy and stability of the path identification. The obstacle recognition and voice reminding are completed by the combination of the ultrasonic module, voice module and motor driving module.

meal-assisted robots; meal ordering; meal delivery; obstacle avoidance

2017-07-20

孫海欣(1983-)，女，黑龍江依蘭人，講師，博士， 主要從事腦電信號處理及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方面研究。

TP242.6

A

1009-3907(2017)08-0018-04