胡琦瑤，周和興，彭先霖2，艾 娜，齊 錦

(1.西北大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安 710127； 2.西北大學(xué) 智能交互與信息藝術(shù)研究中心，西安 710127)

0 引言

目前，機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、非制造業(yè)以及為人類(lèi)服務(wù)。其中，送水機(jī)器人針對(duì)的目標(biāo)用戶(hù)十分廣泛，例如辦公室業(yè)務(wù)繁忙的工作人員、行動(dòng)不便的老年人以及殘疾人士等，可應(yīng)用于辦公區(qū)域、醫(yī)院、家庭等各種場(chǎng)所，極大地解放了人類(lèi)的雙手，用更智能化的機(jī)器代替人類(lèi)服務(wù)。因此設(shè)計(jì)研究出一個(gè)智能室內(nèi)定位送水的機(jī)器人就變得迫在眉睫。

目前關(guān)于送水機(jī)器人的研究大多集中在運(yùn)水部分[1]或者單獨(dú)倒水部分，并未將兩者有效結(jié)合在一起。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的智能接水機(jī)器人，無(wú)需人為控制可以完全智能得為用戶(hù)完成接水的工作，彌補(bǔ)了當(dāng)代一些遙控家具機(jī)器人的不足。但家居環(huán)境的復(fù)雜性，系統(tǒng)光靠視覺(jué)識(shí)別和紅外避障可能在完成效率上不夠理想，甚至于長(zhǎng)時(shí)間發(fā)現(xiàn)不了目標(biāo)所在。

本文研究開(kāi)發(fā)一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能室內(nèi)定位送水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水杯定位、轉(zhuǎn)向前行、自動(dòng)添注水等功能，可應(yīng)用于辦公區(qū)域、醫(yī)院、家庭等多種場(chǎng)所的智能飲水服務(wù)。

1 系統(tǒng)總體框架

本文采用了4個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械模塊，倒水模塊采用機(jī)械臂送水?？刂葡到y(tǒng)包括UP Squared處理器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、STM32F103x(MCU)模塊、Zigbee無(wú)線(xiàn)模塊、UWB定位模塊、機(jī)械臂模塊、供電與穩(wěn)壓系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)包括運(yùn)輸以及倒水系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的密切配合保證運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和功能的可靠性。按照如下步驟進(jìn)行操作：

1)當(dāng)用戶(hù)需要機(jī)器人進(jìn)行服務(wù)時(shí)，只需按下按鍵開(kāi)關(guān)，通過(guò)Zigbee模塊的無(wú)線(xiàn)傳輸將命令發(fā)送至機(jī)器人的行動(dòng)總控中心UP Squared開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板發(fā)出行進(jìn)指令，使得機(jī)器人啟動(dòng)并前進(jìn)，通過(guò)MCU最小模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的輔助控制。

2)機(jī)器人依靠UWB定位模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)定位信息，并識(shí)別出目標(biāo)地點(diǎn)，計(jì)算出到達(dá)目標(biāo)所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度以及行進(jìn)的距離。通過(guò)L298N模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人前進(jìn)、倒退、位置調(diào)整等運(yùn)行狀態(tài)的控制。并通過(guò)MPU6050模塊感知前進(jìn)角度，對(duì)前進(jìn)方向不斷進(jìn)行調(diào)整。

3)機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)地便停止行進(jìn)，利用磁耦合諧振線(xiàn)圈的電壓隨空間距離的變化特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)地水杯的精準(zhǔn)定位，使得出水口準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)水杯并開(kāi)始放水動(dòng)作。通過(guò)超聲波測(cè)距儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水杯水量，保證水杯中的水不會(huì)溢出。

4)結(jié)束任務(wù)后，機(jī)器人能夠返回原地待命。

5)當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上目標(biāo)同時(shí)發(fā)出信號(hào)時(shí)，機(jī)器人應(yīng)按接收到信號(hào)時(shí)間的先后分別響應(yīng)，完成倒水任務(wù)。

系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 UWB模塊

送水系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)在接到送水請(qǐng)求后在較短的時(shí)間內(nèi)將水送達(dá)的功能，就必須快速而準(zhǔn)確地到達(dá)水杯的位置。常見(jiàn)的許多定位方式都不能達(dá)到要求。

室內(nèi)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，紅外測(cè)距定位、深度攝像機(jī)定位等方式等定位方式準(zhǔn)確度不高；而且必須要求水杯在機(jī)器人的視距范圍內(nèi)，而事實(shí)上由于室內(nèi)人員活動(dòng)、桌面擺件遮擋等因素存在，這一條件常常得不到滿(mǎn)足[3]。

1)室內(nèi)定位對(duì)精度要求較高，GPS、WIFI、藍(lán)牙等定位方式精度多在米級(jí)，不能滿(mǎn)足高精度定位的要求。

2)Zigbee等定位方式信號(hào)傳輸受多徑效應(yīng)和移動(dòng)的影響很大，精度對(duì)硬件和環(huán)境的依賴(lài)程度很大[4]。

3)超聲波定位等方式響應(yīng)較慢，會(huì)增加系統(tǒng)工作延遲。

UWB定位[5]采用極窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速度快、定位精度可達(dá)厘米級(jí)、且抗干擾能力強(qiáng)，并且具有低功耗、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，可以較好的滿(mǎn)足系統(tǒng)工作的要求，因此我們?cè)谙到y(tǒng)中采用UWB模塊進(jìn)行定位。

DWM1000芯片[6]是一個(gè)超寬帶無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，對(duì)于多路徑衰弱有更強(qiáng)的抗干擾能力，在高衰弱環(huán)境下也可以進(jìn)行可靠的通信，非常容易的集成到實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)(RTLS)和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)中。

圖2 DWM1000模塊框圖

本文使用雙面雙向測(cè)距算法的通訊方式只需要5次通訊，就能測(cè)量標(biāo)簽分別到三個(gè)基站的距離。

2.2 目標(biāo)方向角度的感知原理

送水系統(tǒng)進(jìn)行移動(dòng)的動(dòng)作如前進(jìn)、左轉(zhuǎn)彎走弧線(xiàn)、后退等，總體可以分解為兩個(gè)正交的部分，即直行和轉(zhuǎn)向。實(shí)際上解決的就是機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置需要旋轉(zhuǎn)的角度和方向的問(wèn)題。

2.2.1 角度測(cè)算

圖3 角度測(cè)算圖

圖3中，A點(diǎn)為起始點(diǎn)的位置，S0、S1、S2三點(diǎn)對(duì)應(yīng)三個(gè)定位基站。通過(guò)UWB模塊進(jìn)行測(cè)距與定位，可知起始點(diǎn)到三基站的距離，當(dāng)標(biāo)簽接收到來(lái)自目標(biāo)基站S0的信號(hào)，主控制器控制機(jī)器人按初始方向行進(jìn)一小段距離，得到實(shí)時(shí)A’的位置信息。V1為機(jī)器人前進(jìn)方向的向量，V2為實(shí)時(shí)位置到目標(biāo)點(diǎn)方向的向量，將V2平移至A’點(diǎn)進(jìn)行分析，則在此時(shí)機(jī)器人需要轉(zhuǎn)向目標(biāo)點(diǎn)的角度為V1與V2的夾角θ。在V1與V2已知的情況下由公式1可計(jì)算出機(jī)器人需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度：

(1)

得出機(jī)器人需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θ。

2.2.2 角度感知

在測(cè)算出機(jī)器人需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度后，還需要告訴機(jī)器人應(yīng)該左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)中，給向量V1與V2同一起點(diǎn)，則有兩種情況：1)當(dāng)θ1>θ2時(shí)：(1)判斷條件θ1-θ2-θ<0.5°時(shí)，我們判定此時(shí)的θ1-θ2就是機(jī)器人需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θ，此時(shí)機(jī)器人應(yīng)該向右轉(zhuǎn)，如圖4(a)所示；(2)θ1-θ2-θ>0.5°時(shí)，我們判定此時(shí)的θ1-θ2不是機(jī)器人需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θ，此時(shí)機(jī)器人應(yīng)該向左轉(zhuǎn)，如圖4(b)所示。

圖4 角度感知示意圖

2)當(dāng)θ2>θ1時(shí)：與θ1>θ2時(shí)的情況剛好相反。由于標(biāo)簽定位存在誤差，機(jī)器人旋轉(zhuǎn)控制不是完全精確，因此一次計(jì)算有可能無(wú)法讓機(jī)器人準(zhǔn)確的到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。讓機(jī)器人返回其所轉(zhuǎn)角度，當(dāng)它與θ不一致時(shí)，送水系統(tǒng)會(huì)不斷檢測(cè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置(x1,y1)與目標(biāo)點(diǎn)(x2,y2)之間的距離D：

(2)

當(dāng)機(jī)器人與目標(biāo)點(diǎn)的最小距離小于10 cm時(shí)，則讓機(jī)器人停止，即視為到達(dá)終點(diǎn)；若機(jī)器人與目標(biāo)點(diǎn)的最小距離大于10 cm時(shí)，在機(jī)器人停止后，需要重新進(jìn)行一次角度測(cè)算與角度感知，在獲得一個(gè)新的角度后前進(jìn)，直到到達(dá)目的地附近。通過(guò)這樣的算法，大大提高了機(jī)器人尋址的精度。

圖5 二次測(cè)算示意圖

2.3 方向調(diào)整算法

通過(guò)目標(biāo)方向角度感知的計(jì)算，得到機(jī)器人需要調(diào)整的方向，下一步采用MPU6050模塊檢測(cè)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)的角度。機(jī)器人旋轉(zhuǎn)速度與電源輸出的能量有關(guān)，在電源能量下降時(shí)的情況與電量充沛時(shí)不同，只是采用簡(jiǎn)單的控制策略容易出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)或系統(tǒng)震蕩等問(wèn)題，因而我們采用PID控制[7]，以提高旋轉(zhuǎn)過(guò)程的抗干擾能力。

PID控制根據(jù)偏差的比例(Proportional)、積分(Integral)、微分(Differential)進(jìn)行控制[8]，控制框圖如圖6所示[9]。

圖6 PID控制框圖

在本系統(tǒng)中，誤差的積累作用較小，也不需要提前預(yù)測(cè)差值的到來(lái)而提前響應(yīng)，故而在重點(diǎn)整定比例系數(shù)[10]。通過(guò)測(cè)試不同比例參數(shù)下的系統(tǒng)響應(yīng)情況，選擇出合適的參數(shù)。

2.4 出水口精準(zhǔn)定位

送水系統(tǒng)在準(zhǔn)確到達(dá)水杯附近后，需要精確控制出水閥口至杯口正上方。出于系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮，本文采用磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電傳輸裝置進(jìn)行精準(zhǔn)定位。磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電傳輸裝置的主要組成部分包括：

1)磁耦合諧振部分：由諧振線(xiàn)圈、諧振電容串聯(lián)構(gòu)成諧振體，發(fā)送與接收線(xiàn)圈分別產(chǎn)生和接受磁場(chǎng)能量，是電路與磁場(chǎng)的耦合媒介[11]。發(fā)射線(xiàn)圈采用1.3 mm的漆包線(xiàn)，圓筒式繞法N=3匝，直徑為10 cm，接收線(xiàn)圈與發(fā)射線(xiàn)圈尺寸、繞法完全一致，以保證收發(fā)端線(xiàn)圈的固有頻率一致。

提高諧振頻率，增加兩線(xiàn)圈之間的互感能夠有效提高傳輸效率，但諧振頻率的增加、線(xiàn)圈直徑以及匝數(shù)的增加會(huì)帶來(lái)很大的線(xiàn)圈損耗電阻，影響傳輸效率。因此要增加線(xiàn)圈直徑、減小匝數(shù)，在線(xiàn)圈電感量不變的情況下，這種方法會(huì)比增加線(xiàn)圈匝數(shù)、減小直徑能更有效的提高傳輸效率。最終，諧振頻率確定在1.3 MHz。

2)磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)源：包括供電和高頻激磁電路，此部分功能是將直流電源的直流電轉(zhuǎn)換為線(xiàn)圈中的高頻電流，用以驅(qū)動(dòng)磁耦合諧振部分產(chǎn)生諧振磁場(chǎng)并向其提供高頻能量，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電能傳輸[12]。

我們?cè)O(shè)計(jì)在水杯下方安置一個(gè)激發(fā)線(xiàn)圈，并給它通入脈沖信號(hào)，使之在周?chē)臻g中激發(fā)變化的磁場(chǎng)，在機(jī)器人出水口附近安置一個(gè)感應(yīng)線(xiàn)圈，并在控制端檢測(cè)線(xiàn)圈中電壓的峰值。在機(jī)器人到達(dá)制定位置后，可以先控制步進(jìn)電機(jī)在一個(gè)水平面內(nèi)尋找到使感應(yīng)線(xiàn)圈電動(dòng)勢(shì)峰值最大的角度，可以預(yù)見(jiàn)，這個(gè)方向就是激發(fā)線(xiàn)圈所在的方向；然后控制出水口垂直上升適當(dāng)距離；控制步進(jìn)電機(jī)將出水口朝激發(fā)線(xiàn)圈方向移動(dòng)，直至感應(yīng)線(xiàn)圈電動(dòng)式峰值達(dá)到最大，此時(shí)出水口將準(zhǔn)確到達(dá)水杯正上方。

2.5 HC-SR04模塊實(shí)現(xiàn)注水控制

除了在水平面內(nèi)精確找到水杯的位置外，在垂直面內(nèi)還需要控制出水口上升適當(dāng)距離，并且完成對(duì)杯中水位的感知，實(shí)驗(yàn)中采用超聲波測(cè)距方法實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。

超聲波測(cè)距模塊HC-SR04具有性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，模塊高精度，盲區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，在公共安防、物體測(cè)距等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[13]。測(cè)距步驟如下：

1)采用IO口觸發(fā)測(cè)距，在控制口發(fā)出一個(gè)10的高電平信號(hào)；

2) 模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回[14]；

3)如果有信號(hào)返回，通過(guò)IO口輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間[15]。

4)當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)，通過(guò)定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)接收口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，可得此次測(cè)距的時(shí)間，從而計(jì)算出距離。不斷的測(cè)試，即可以達(dá)到你移動(dòng)測(cè)量的值[16]。

在垂直面上升合適距離的關(guān)鍵在于送水系統(tǒng)能夠感知到什么位置是合適位置。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在出水口所處的高度尚未超過(guò)水杯時(shí)，出水口前方較近處就有固體介質(zhì)(水杯)；等所處的高度超過(guò)杯口后，出水口前方較遠(yuǎn)處才開(kāi)始出現(xiàn)固體介質(zhì)(墻)。因而我們可以在出水口附近放置一個(gè)超聲波測(cè)距模塊[17]，通過(guò)合理設(shè)置距離閾值，距離超過(guò)閾值后便停止上升。

在出水口到達(dá)指定位置后，控制繼電器，使出水口開(kāi)始出水，通過(guò)超聲波模塊檢測(cè)到杯中水位到達(dá)合適位置時(shí)，上傳一個(gè)信號(hào)給控制器，停止出水，完成相應(yīng)工作。

2.6 Zigbee通信模塊數(shù)據(jù)交互

智能室內(nèi)定位送水系統(tǒng)在按下呼叫器的按鍵后，接受到倒水請(qǐng)求開(kāi)始工作。因?yàn)椴⒎撬械氖覂?nèi)環(huán)境都覆蓋了WIFI信號(hào)，藍(lán)牙傳輸受限于距離且易受干擾，采用組網(wǎng)簡(jiǎn)單、傳輸距離較長(zhǎng)的Zigbee通信模塊進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[18]。

DL-20無(wú)線(xiàn)發(fā)射接收模塊是基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)串口模塊，可以將兩個(gè)或者多個(gè)串口在無(wú)線(xiàn)狀態(tài)下連接起來(lái)。將DL-20模塊配置為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式存在兩個(gè)端口數(shù)據(jù)傳輸端口：A端和B端。A端串口發(fā)出的數(shù)據(jù)會(huì)被B端串口接接收，反之亦然，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下同一個(gè)頻道只允許兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相互通信。

圖7 Zigbee系統(tǒng)功能框圖

數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中采用的是透明傳輸模式。用戶(hù)只需按照Z(yǔ)igbee協(xié)議的具體幀格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后一次進(jìn)行發(fā)送，最后在接收端對(duì)數(shù)據(jù)按照順序進(jìn)行接收[19]。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇波特率為9600，分別將兩個(gè)Zigbee通信模塊安置在呼叫器與機(jī)器人上。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

智能室內(nèi)定位送水系統(tǒng)要求定位準(zhǔn)確，對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，角度調(diào)整迅速準(zhǔn)確，能較好適應(yīng)感應(yīng)線(xiàn)圈在移動(dòng)中的變化。實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)以下幾部分進(jìn)行測(cè)試。

3.1 UWB定位精度測(cè)試

為測(cè)試UWB模塊在不同復(fù)雜程度的環(huán)境中的精度，我們分別在空曠的教室與桌椅等遮擋物較多的教室中進(jìn)行精讀測(cè)試，具體方法如下：

1)布置好基站之后，室內(nèi)隨機(jī)選取6個(gè)點(diǎn)。

2)用米尺分別測(cè)量這些點(diǎn)與基站0之間的距離，測(cè)量三次取平均值，將平均值近似看作點(diǎn)與基站0之間的標(biāo)準(zhǔn)距離。

3)將標(biāo)簽0分別放置到這6個(gè)點(diǎn)的位置。

4)在每一點(diǎn)處連續(xù)測(cè)10次標(biāo)簽與基站的距離。

5)用測(cè)量得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)距離的差值的平均值表征誤差。

圖8 UWB定位測(cè)試圖

觀察測(cè)試結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)基站與標(biāo)簽之間距離的遠(yuǎn)近，對(duì)測(cè)距精度并沒(méi)有明顯影響，每次測(cè)量得到的數(shù)據(jù)誤差都在10cm之內(nèi)；在復(fù)雜環(huán)境中測(cè)距的誤差相較于空曠感環(huán)境略有上升，但仍能保證較高的測(cè)量精度；在測(cè)量多次求取平均值之后，測(cè)向誤差降到1%以下，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)精度的要求。

這是由UWB是依賴(lài)極窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)決定的。理論上穿越書(shū)桌等障礙物后，窄脈沖不會(huì)產(chǎn)生明顯的衰減。因而即使環(huán)境中障礙物較多，對(duì)測(cè)距精度的影響也微乎其微。這與我們測(cè)試得到的結(jié)果是一致的。

3.2 方向調(diào)整算法測(cè)試

合理的PID參數(shù)的選擇，在提高機(jī)器人旋轉(zhuǎn)速度的同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該具有較好的穩(wěn)定性，即震蕩程度低，同時(shí)在電源能量變化時(shí)能有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，即始終有較好的反應(yīng)速度和較高的穩(wěn)定性[20]。

設(shè)置機(jī)器人旋轉(zhuǎn)目標(biāo)為45°，控制機(jī)器人旋轉(zhuǎn)，通過(guò)串口實(shí)時(shí)將機(jī)器人旋轉(zhuǎn)的角度上傳至控制端。將不同的PID參數(shù)得到的角度變化情況繪制成曲線(xiàn)圖，多次測(cè)試后選取最佳參數(shù)。得到的曲線(xiàn)圖如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 PID參數(shù)為1000-4的測(cè)試數(shù)據(jù)

圖10 PID參數(shù)為1200-4的測(cè)試數(shù)據(jù)

圖11 PID參數(shù)為1500-5的測(cè)試數(shù)據(jù)

PID的第一個(gè)參數(shù)表示系統(tǒng)的整體速度，第二個(gè)參數(shù)表示對(duì)于指令的響應(yīng)速度。經(jīng)過(guò)分析，第一次測(cè)量的整體速度高，但響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)震蕩嚴(yán)重，到達(dá)穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)；第二組在整體速度將下來(lái)之后，震蕩較少；第三組在降低整體速度后，消除了震蕩，因此第三組參數(shù)較為合理。

多次嘗試后整定的PID參數(shù)能使機(jī)器人有較快的反映同時(shí)保持相對(duì)穩(wěn)定，且在電源能量不同的情況下有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

3.3 出水口精準(zhǔn)定位測(cè)試

本文采用檢測(cè)感應(yīng)線(xiàn)圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極值來(lái)確定水杯與出水口的相對(duì)位置，這要求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極值要明顯存在，且檢測(cè)延遲要低。

分別在水平面和垂直面內(nèi)對(duì)感應(yīng)線(xiàn)圈進(jìn)行移動(dòng)，并讀取感應(yīng)線(xiàn)圈中電動(dòng)勢(shì)的大小，將之繪成曲線(xiàn)圖，觀察極值情況。

由于響應(yīng)存在延遲，不易直接檢測(cè)，我們檢測(cè)在系統(tǒng)讀到的感應(yīng)線(xiàn)圈中電動(dòng)勢(shì)極值時(shí)所處的位置與理論位置的差值，以此來(lái)間接刻畫(huà)系統(tǒng)的響應(yīng)延遲[21]。感應(yīng)線(xiàn)圈在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)不同的角度，得到的輸出電壓值如圖12所示，在距離發(fā)射線(xiàn)圈最近的位置處，有一個(gè)電壓峰值，其感應(yīng)電壓值是最大的。

圖12 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)測(cè)試數(shù)據(jù)

3.4 HC-SR04模塊測(cè)距測(cè)試

為測(cè)試HC-SR04模塊測(cè)距的精度，設(shè)計(jì)如下方案：

1)在模塊附近隨機(jī)選取6個(gè)點(diǎn)；

2)用米尺分別測(cè)量這些點(diǎn)與模塊之間的距離，測(cè)量3次取平均值，將平均值近似看作點(diǎn)與模塊之間的標(biāo)準(zhǔn)距離；

3)將一個(gè)剛性固體介質(zhì)分別放置到這6個(gè)點(diǎn)的位置；

4)在每一點(diǎn)處連續(xù)測(cè)10次介質(zhì)與模塊的距離；

5)用測(cè)量得到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)距離的差值的平均值表示誤差。

以第一個(gè)點(diǎn)和第二個(gè)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)為例說(shuō)明。

1)第一個(gè)點(diǎn)實(shí)際測(cè)量距離為20 cm，超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 第一個(gè)點(diǎn)測(cè)量距離 cm

以上20組測(cè)量數(shù)據(jù)平均值為：20.8。

2)第二個(gè)點(diǎn)實(shí)際測(cè)量距離為18 cm，超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 第二個(gè)點(diǎn)測(cè)量距離 cm

以上20組測(cè)量數(shù)據(jù)平均值為：19.1。

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)量精度最高可以達(dá)到3 mm。分析以上測(cè)量結(jié)果可得，設(shè)計(jì)的機(jī)器人所用超聲波測(cè)距模塊測(cè)量精度為1 cm。

3.5 系統(tǒng)功耗測(cè)試

本文分別在待機(jī)狀態(tài)下(停止電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)、機(jī)器人運(yùn)行等，僅串口接收數(shù)據(jù)工作)測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)電流、電壓及功耗，在全負(fù)荷狀態(tài)下(開(kāi)啟所有設(shè)備)測(cè)試系統(tǒng)工作電流、電壓及功耗。

各個(gè)硬件模塊的功耗如表3所示。

表3 系統(tǒng)各模塊功耗

根據(jù)以上各模塊功率測(cè)試所得，靜態(tài)功耗主要集中在UP Squared處理器，但總體相對(duì)來(lái)說(shuō)較低，共計(jì)5.35 W，動(dòng)態(tài)功率共計(jì)13.6 W，大概為靜態(tài)功率的2.5倍。

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)情況下機(jī)器人耗電極少，可支持長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)；在巡航倒水的模式下也有較好的續(xù)航能力。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用Zigbee模塊進(jìn)行呼叫器與機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)交互；采用UWB模塊在室內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)定位；采用MPU6050 模塊進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度感知，PID算法控制機(jī)器人旋轉(zhuǎn)；基于電流磁效應(yīng)和電磁感應(yīng)定律感知水杯位置；采用超聲波模塊對(duì)出水口上升的高度和水杯中水位進(jìn)行檢測(cè)。不僅能夠很好地實(shí)現(xiàn)運(yùn)水和倒水兩個(gè)功能，并且定位精度、運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性以及功能的可靠性都得到了良好的保障，完全實(shí)現(xiàn)了智能室內(nèi)定位送水的功能，達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用于室內(nèi)智能定位送水的技術(shù)要求。