劉彩霞，顧 帥，楊正濤

（上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 201418）

0 引言

2018年，Starship機器人計劃在校園內(nèi)配置小型無人駕駛機器人。2019年，喬治梅森大學(xué)開啟無人車送餐服務(wù)，成為美國第一所將機器人納入學(xué)生就餐計劃的校園。目前國內(nèi)致力于成為中國版Starship的實踐者也大有人在，由餓了么未來物流團隊打造的中國首個智能外賣機器人“萬小餓”，已在2017年10月在上海虹橋萬科中心開始服務(wù)。

Starship和萬小餓分別是針對于城市間和辦公樓內(nèi)的外賣送餐，目前還沒有一款專門針對于中國大學(xué)校園的送餐機器人出現(xiàn)，其次，這兩款機器人智能程度很高，重量大，造價高。萬小餓雖然續(xù)航時間長但每次只能送三單外賣，Starship雖然負重大但運輸時間需要60分鐘。自主研發(fā)的校園送餐機器人造價便宜，且一次多單，可以在15分鐘或更短的時間內(nèi)完成送餐[1]。

本設(shè)計是人與機器之間的雙贏合作，旨在校園內(nèi)代替外賣員的送餐服務(wù)，讓其更有效率地交付訂單。同時，也為校園安全和學(xué)生的放心用餐提供一份保障。作為一個輪式機器人，主要由控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)等組成，采用STC89C52單片機為控制核心。

1 總體方案設(shè)計

送餐機器人，在外形上摒棄之前多數(shù)以人形為樣本的思路，為分體式結(jié)構(gòu)。機器人由自主行走主體單元和盛放外賣的外賣箱單元組成，兩者之間通過吸盤式直流牽引電磁鐵連接，供電時自動吸附連接，斷電后磁性消失，自動斷開。一臺自主行走主體單元可按照控制順序吸附多臺外賣箱。

自主行走主體單元實現(xiàn)機器人的循跡、避障、調(diào)速和外賣運輸，其控制系統(tǒng)由紅外傳感器模塊、避障模塊、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、主控芯片等部分組成，如圖1所示。外賣箱開口在正上方，采用兩層托盤式設(shè)計，中間用隔板承重。最大重量包括外賣箱應(yīng)在15kg以內(nèi)。

尋跡分為紅外尋跡與電磁尋跡兩種，紅外尋跡是依靠紅外線對黑白顏色的反射率不同進行，電磁尋跡是在軌道下布置電磁鐵，靠電磁感應(yīng)達到尋跡目的。布置電磁感應(yīng)軌道費用大，過程復(fù)雜，選擇目前常用的紅外循跡[2]。

圖1 送餐機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

避障也分為兩種，紅外避障和超聲波避障，兩種方式都是基于紅外線與超聲波對物體的反射的時間差來達到避障目的。但是紅外線會受到自然光的影響，不適用于校園送餐小車。故選擇超聲波避障方案。小車的啟動按鍵除了位于小車主體部分的主板上，為了使操作者能在一定距離內(nèi)不接觸小車也能達到控制目的，專門設(shè)計了紅外遙控程序。

2 硬件電路

2.1 主控芯片

主控芯片采用STC公司生產(chǎn)的STC89C52單片機。STC89C52功耗低、性能優(yōu)、抗干擾能力強、成本低廉。其仍使用MCS-51內(nèi)核，故與經(jīng)典的8051單片機程序兼容，無需硬件過多改變，且支持在系統(tǒng)上編程，程序燒錄、修改和調(diào)速都較為方便。滿足了小車的工作需要，且穩(wěn)定、可靠。

2.2 紅外循跡模塊

紅外尋跡模塊由多組紅外傳感器組成，安裝在校園送餐機器人主體結(jié)構(gòu)上，引導(dǎo)機器人從背景環(huán)境中分辨并沿著軌道線行走，能夠準確轉(zhuǎn)彎和識別岔路。模塊化的設(shè)計更便于安裝。

紅外傳感器的選擇主要考慮兩方面，采集點的個數(shù)和光線變化的問題。

紅外傳感器采用多組發(fā)射管發(fā)射紅外光，光線在到達黑色軌跡線和白色背景時，反射強度有所不同，通過多組紅外接收管接收光線，依據(jù)發(fā)射的強弱，判斷軌道的位置。紅外傳感器用途廣、價格低、體積小、工作溫度范圍寬、使用可靠。當光線到達位置的顏色不是黑色時，傳感器發(fā)射出去的紅外光被大部分反射回來[3]，傳感器輸出低電平0，反之為1，根據(jù)單片機判斷傳感器的輸出端是0或者是1，就能檢測到黑色軌跡線。采用一體化紅外接收頭，簡化整體的電路設(shè)計，其管腳定義如圖2所示。

圖2 一體化紅外接收頭的管腳定義

常用的紅外傳感器在尋跡時會出現(xiàn)小車顫抖的現(xiàn)象，因目前普通紅外傳感器的采集點太少，大部分最多的也只有8個，這會導(dǎo)致小車左右晃動，其次因為小車尋跡是由前部紅外探頭來決定的，一側(cè)檢測到偏離軌道時通過控制左右電機的停止運轉(zhuǎn)來調(diào)整角度，故在尋跡過程中不斷調(diào)整小車的運行角度就會發(fā)生“顫抖”。綜合考慮，使用新型的紅外集成傳感器DRS3100。

DRS3100內(nèi)部集成了一塊單片機，把所有采集單元數(shù)據(jù)匯總處理，并增加了算法，139個采集點，尋跡的分辨率達到了0.85mm，可判斷出傳統(tǒng)尋跡無法探測到的軌道形狀及寬度，降低了顫抖性。不受環(huán)境光干擾，且無需調(diào)試[4]。根據(jù)實測結(jié)果，即使在陽光強烈的條件下，只需使用一塊擋板把尋跡器罩住，就能在強光下穩(wěn)定工作，而傳感器獨特的算法使它能夠在不同顏色和材質(zhì)的地面上正常工作，即使路面有小幅度的起伏在5mm～20mm之間并不會影響小車的工作效率。因此，非常適合于行進在校園的校園送餐機器人。

為了使送餐機器人在尋跡行駛過程中能夠精確定位到黑色軌道的位置，在小車底盤左右兩端各設(shè)置一組DRS3100傳感器，以便于當小車偏離路線時能夠及時左右糾正，提高了尋跡的精確性。安裝在送餐機器人小車底板上的兩組紅外線發(fā)射與接收對管、一個電壓比較芯片、一組電位器和一組狀態(tài)指示LED燈組成了整個紅外尋跡模塊。如圖3所示。

2.3 電機驅(qū)動模塊

電機采用直流減速電機，其優(yōu)點是裝配簡單、便于拆卸，重量輕，從而減輕了送餐小車負載，轉(zhuǎn)動力矩大故能夠拖動重量大的外賣箱部分，體積小節(jié)省了更多空間來安裝其他模塊。直流減速電機通過減速齒輪組降低其內(nèi)部高速電機的轉(zhuǎn)速，可以產(chǎn)生較大扭力[2]。所選電機減速比為1:48，減速后電機的轉(zhuǎn)速為115±10%r/min，驅(qū)動輪直徑為65mm，則車輪轉(zhuǎn)動一周的距離為0.2041m，機器人的理論最大速度可達0.391m/s。

選取專用的電機驅(qū)動芯片L293D作為電機驅(qū)動模塊的芯片，L293D能夠提供高達600mA的雙向驅(qū)動電流，自帶兩套H橋電路，可以控制兩個電機。表1為L293D的邏輯控制表。其中A、B分別代表輸入端1和輸入端2，字母L為Low的縮寫代表低電平，字母H為High的縮寫代表高電平，符號*代表無論是低電平還是高電平。

圖3 DRS3100傳感器安裝圖

其可驅(qū)動負載繼電器或電磁閥等，也可提供電源負載。重要的是，通過對單片機編程就可實現(xiàn)兩個直流電機的PWM調(diào)速控制，大大簡化了復(fù)雜的電路。其驅(qū)動電路的設(shè)計如圖4所示。

表1 L293D的邏輯控制表

2.4 避障模塊

機器人行進中的避障模塊選用超聲波測距換能器HC-SR04，相較于紅外傳感器，超聲波測距換能器的模塊系統(tǒng)更加簡潔便利，而紅外避障模塊的整體設(shè)計較為復(fù)雜，抗干擾能力差。同時因為超聲波的傳輸特性，在不同的介質(zhì)中傳播速度更為穩(wěn)定[5]。

圖4 L293D驅(qū)動電路

HC-SR04測量距離的精度可以達到3mm，有效的非接觸式測距范圍為2cm～400cm。超聲波測距模塊的原理是，通過向模塊上IO口的TRIG（控制端）發(fā)送一個至少持續(xù)10us的高電平信號來觸發(fā)測距，超聲波模塊自動發(fā)送八個采樣率為40KHz的方波并自動檢查是否有信號返回，若接收到返回的信號，模塊上IO口的ECHO（返回端）就輸出一個高電平。測量從TRIG觸發(fā)到ECHO接收到信號的時間差即可計算出距離[6]。L=（s×v）/2（L為距離，s為時間差，v為超聲波速度）。超聲波模塊測出障礙物的距離后，通過單片機及程序的控制使送餐機器人在檢測到距離障礙物20cm左右時停止工作，即可實現(xiàn)利用超聲波測距原理進行避障。超聲波避障模塊原理圖如圖5所示。

圖5 超聲波避障原理圖

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)使用PWM調(diào)節(jié)直流電機的速度。PWM脈寬調(diào)制，通過改變脈沖寬度來控制輸出電壓，改變周期來控制其輸出頻率，從而達到控制電機速度的目的。機器人進入工作模式后，持續(xù)地掃描與紅外探測器連接的單片機的輸入輸出口，一旦檢測信號變化，則執(zhí)行相應(yīng)的指令程序，輸出的信號發(fā)送給電機，進而可以檢測和糾正機器人的運行狀態(tài)。編寫程序時使用紅外遙控來控制送餐機器人的定點送餐動作，差速轉(zhuǎn)向函數(shù)使機器人能夠更平穩(wěn)地走過彎道。送餐機器人循跡流程圖如圖6所示。

圖6 送餐機器人循跡流程圖

4 系統(tǒng)測試

設(shè)計環(huán)形的黑色軌道，直邊段部分場6m，圓形部分半徑為4.2m，黑色軌跡寬0.3m。測試時，為了檢測送餐機器人的轉(zhuǎn)動效果，分別沿順時針和逆時針兩個方向運行各運行兩次，每次兩圈。測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 送餐機器人運行測試結(jié)果

5 結(jié)語

本校園送餐機器人，采用STC89C52單片機為主，紅外尋跡、超聲波避障、電機驅(qū)動等單元模塊為輔；送餐機器人主體部分為主，外賣箱部分為輔的設(shè)定。單元模塊化的設(shè)計，使得整體系統(tǒng)簡潔明、響應(yīng)時間短、工作穩(wěn)定且可拓展其他功能。經(jīng)測試表明，送餐機器人實現(xiàn)了預(yù)期的準確的尋跡功能、避障功能及紅外遙控功能，為機器人送餐做了有益的嘗試，為了提高送餐機器人的智能化，后期還可以為其擴展自動識別和車速檢測功能等。