遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 郭 棟 佀秀杰 吳俊吉

2020年，由新型冠狀病毒(2019-nCoV)疫情導(dǎo)致全球公共衛(wèi)生安全事件，引發(fā)各國的高度關(guān)注。疫情之下，人們的生活節(jié)奏被打亂，就連日常的快遞都無法正常配送。在這樣的背景下，“無接觸配送”成為疫情下人們生活的剛需。

“無接觸配送”是物流公司末端配送所提供的一種新穎服務(wù)實(shí)現(xiàn)方式。在新冠疫情引起民眾的廣泛關(guān)注之前，“無接觸配送”已在許多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，包括無人機(jī)配送、無人車配送、無人機(jī)器人配送等。2016年，亞馬遜(Amazon)獲得了應(yīng)用無人機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸快件的專利。全自動(dòng)無人配送機(jī)器人則已由硅谷機(jī)器人公司Nuro推出。2018年6月，在北京京東快遞將無人駕駛的配送車應(yīng)用到了日常配送業(yè)務(wù)中；同一年的上半年，阿里巴巴在杭州總部對由其自主研究并開發(fā)的第三代菜鳥配送機(jī)器人，進(jìn)行了道路實(shí)測并獲得成功。

目前，對于無接觸配送的研究重點(diǎn)主要集中在自動(dòng)駕駛技術(shù)的研究上，對于目前突發(fā)的疫情所引起的最后100m物流在配送服務(wù)上所需要改進(jìn)的模式和實(shí)現(xiàn)方法，還沒有給予足夠的關(guān)注。如果將目前研究的無人配送機(jī)器人直接應(yīng)用于實(shí)踐中，主要存在兩個(gè)方面的不足：（1）運(yùn)營成本高，無法實(shí)現(xiàn)大范圍的無接觸配送；（2）在研的無接觸配送機(jī)器人一般都沒有消毒功能，無法滿足疫情下人們對無接觸配送的高要求。

本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的無接觸配送機(jī)器人，其具有自動(dòng)開箱、自動(dòng)消毒等功能，以較少的成本實(shí)現(xiàn)無接觸配送，使其能夠滿足目前對物流配送的實(shí)際需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無接觸配送機(jī)器人，主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，即自動(dòng)開箱和自動(dòng)消毒，這兩個(gè)功能能夠確保安全可靠地將快件送到客戶手上。自動(dòng)開箱采用紅外線遙控的方法，這種方法簡單且易于實(shí)現(xiàn)。

自動(dòng)消毒采用紫外線消毒的方法。根據(jù)國家衛(wèi)健委發(fā)布的《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案(試行第五版)》，可知新型冠狀病毒對紫外線和熱敏感。為在新冠疫情下作好防護(hù)，紫外線消毒被醫(yī)療機(jī)構(gòu)和普通家庭作為主要的消毒方法之一。但是由于技術(shù)原因，很多紫外線消毒設(shè)備采用手動(dòng)的機(jī)械開關(guān)，操作人員在使用過程中無法避開近距離與紫外線接觸，這些情況都可能對操作人員的人體皮膚和眼睛造成損害。因此，本文采用一種紫外線消毒后延時(shí)允許開啟倉門的方法，配送人員可根據(jù)配送時(shí)間提前對其進(jìn)行消毒處理。

本設(shè)計(jì)是在普通智能小車上加裝了貨倉，通過單片機(jī)對貨倉倉門進(jìn)行紅外遙控控制，并在倉內(nèi)增加了紫外線消毒裝置并進(jìn)行控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，通過系統(tǒng)控制模塊完成配送機(jī)器人的基本功能，如按收指令即行進(jìn)或停止等；通過紅外避障和超聲波避障模塊可以檢測路線上的障礙物，并改變行進(jìn)方向；通過紅外遙控模塊接收開啟倉門指令并執(zhí)行；通過消毒模塊對倉內(nèi)物品進(jìn)行有效消毒。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)控制流程

此次小車的設(shè)計(jì)主要是使用循跡及避障模塊來實(shí)現(xiàn)小車的自主循跡及避障這兩個(gè)功能。小車的主控芯片采用STC89C52RC單片機(jī)去構(gòu)成控制系統(tǒng)，小車的避障功能主要采用超聲波接收器去發(fā)送/接收信號，當(dāng)超聲波在傳輸過程中遇障礙物時(shí)則會(huì)反彈，這時(shí)超聲波接收器就是在收到信號之后對其進(jìn)行計(jì)算，通過反彈的時(shí)間和速度來測量其測距，以此為基礎(chǔ)獲取一輛小車所要到達(dá)的障礙物之間的差值。在這個(gè)程序設(shè)計(jì)中，當(dāng)一輛小車被檢測到左右的位置與其他障礙物之間的距離超過15cm時(shí)，小車則可能會(huì)繼續(xù)沿一條直線方向前進(jìn)，而是當(dāng)一輛小車被檢測到左右的位置與其他障礙物之間的距離超過了小于15cm時(shí)，小車將可能會(huì)自動(dòng)地旋轉(zhuǎn)尋找一個(gè)方向以便避開其他障礙物，在躲藏或者逃脫障礙物后，小車則可能會(huì)繼續(xù)沿一條直線方向前進(jìn)，當(dāng)小車被檢測到與當(dāng)障礙物的最前端相對高度小于15cm處，小車將自動(dòng)停駛不在其中。

對于循跡模塊功能來說，小車則主要是通過循跡模塊對黑色線路進(jìn)行探測，使得小車能夠順著設(shè)定的環(huán)境下按照黑色線路繼續(xù)循跡地行駛和前進(jìn)，當(dāng)傳感器發(fā)射出的紅外線沒有被傳感器反射返回或被傳感器反射返回但是強(qiáng)度不夠大時(shí)，紅外傳感器的接收管將會(huì)一直保持在關(guān)斷的狀態(tài)，此時(shí)該模塊的傳感器從輸出端發(fā)送到高電平的信號，這種情況下傳感器就是用來指示二極管將永遠(yuǎn)都會(huì)保持在熄滅的狀態(tài)；當(dāng)被檢測到的物體暴露在檢測區(qū)域之內(nèi)時(shí)，紅外線被激光反射了回來而且其強(qiáng)度已經(jīng)足夠大，這時(shí)候紅外線接收管就會(huì)達(dá)到飽和，此時(shí)模塊的輸出端輸出低電平信號，在這種情況下指示二極管將被點(diǎn)亮，進(jìn)而反饋到單片機(jī)上去控制小車按照設(shè)定的程序方式進(jìn)行循跡。

為了實(shí)現(xiàn)倉門自動(dòng)打開，以及紫外線延時(shí)開啟等功能，在軟件方面作了如下設(shè)計(jì)：

首先，單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測紅外遙控模塊是否有信號輸入，為了保證不在消毒過程中開啟倉門，單片機(jī)在接收到紅外遙控模塊信號后，需要檢測消毒是否完成，若同時(shí)達(dá)到這兩個(gè)條件則開啟門，只要有一個(gè)條件不具備，倉門就不能開啟。

其次，為了保障對貨品的有效消毒和操作人員不受紫外線的危害，紫外線消毒時(shí)需要通過單片機(jī)檢測倉門是否關(guān)閉，消毒完成后延時(shí)允許開啟倉門。若消毒期間由于特殊原因需要開啟倉門，需要按下強(qiáng)制開啟鍵，該鍵按下后結(jié)束紫外線消毒程序，并延時(shí)可以開啟倉門。

3 仿真及結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的有效性，對該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。

對于所要實(shí)現(xiàn)的循跡功能，對左右循跡傳感器進(jìn)行控制，同時(shí)將循跡功能與驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制智能小車運(yùn)動(dòng)配合在一起使用。當(dāng)小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng)循跡功能工作時(shí)，循跡傳感器在運(yùn)動(dòng)過程中檢測到黑線，那么小車延時(shí)60ms后小車自動(dòng)左轉(zhuǎn)直到檢測不到黑線為止，然后繼續(xù)前進(jìn)。同樣，當(dāng)右邊循跡傳感器在運(yùn)動(dòng)過程中檢測到黑線，那么延時(shí)60ms后小車自動(dòng)右轉(zhuǎn)直到檢測不到黑線為止，然后繼續(xù)前進(jìn)。若這兩種情況都沒有發(fā)生（即小車左右循跡模塊均為檢測到黑線），那么小車將一直保持前進(jìn)，直到遇到黑線后，小車再一次循環(huán)之前的循跡運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)去躲避黑線。

對于所要實(shí)現(xiàn)的避障功能，本次設(shè)計(jì)主要是通過超聲波模塊配合驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及單片機(jī)進(jìn)行避障功能的實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)中將超聲波模塊連接舵機(jī)進(jìn)行去全方位的勘察。當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)并開啟超聲波避障模式，那么根據(jù)程序中所設(shè)定的，當(dāng)小車檢測到前方無障礙物時(shí)蜂鳴器輸出低電平不響，小車將信息傳輸回單片機(jī)，經(jīng)10ms的延時(shí)后，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)。當(dāng)超聲波模塊檢測到小車右前方有障礙物時(shí)蜂鳴器輸出高電平進(jìn)行報(bào)警，小車將信息回傳給單片機(jī)，經(jīng)100ms的延時(shí)后，小車自動(dòng)進(jìn)行左轉(zhuǎn)，直到超聲波模塊檢測不到前方有障礙物后，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)。同樣，當(dāng)超聲波模塊檢測到小車左前方有障礙物時(shí)蜂鳴器輸出高電平進(jìn)行報(bào)警，小車將信息回傳給單片機(jī)，經(jīng)100ms的延時(shí)后，小車自動(dòng)進(jìn)行右轉(zhuǎn)，直到超聲波模塊檢測不到前方有障礙物后，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)。當(dāng)超聲波模塊檢測到小車左右前方均有障礙物時(shí)蜂鳴器輸出高電平進(jìn)行報(bào)警，小車將信息回傳給單片機(jī)，經(jīng)50ms的延時(shí)后，小車自動(dòng)停車。然后小車停車反沖自動(dòng)后退，直到小車與障礙物之間的距離足夠大后，經(jīng)300ms的延時(shí)后，小車將自動(dòng)右轉(zhuǎn)，直到超聲波模塊檢測不到前方有障礙物后，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)。

仿真實(shí)驗(yàn)中，倉門以電機(jī)代替，可正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，表示倉門的開啟或關(guān)閉；紫外線消毒以紫外線燈管為例，仿真中以LED小燈表示。仿真電路圖如圖2所示。

圖2 電路仿真圖

通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的功能能夠?qū)崿F(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用了比較簡單的方法，就能夠基本實(shí)現(xiàn)疫情下對無按觸配送的要求，具有較好的實(shí)用性。