陳 濤 張煊赫 余 春

（重慶交通大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400074）

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的服務(wù)機(jī)器人由10 個(gè)硬件功能模塊構(gòu)成，分別是電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的正常行進(jìn)；陀螺儀模塊，結(jié)合PID 算法用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定行進(jìn)；RFID 射頻模塊，用以識(shí)別指定軌跡上的定位卡，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在配送終點(diǎn)的精確?？浚谎E模塊，用以機(jī)器人對(duì)軌跡的邊緣檢測，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軌跡行進(jìn)的穩(wěn)定性，不脫軌、不偏軌；GSM 模塊，用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在到達(dá)目的寢室后，向下單人發(fā)送短信驗(yàn)證碼，確定取貨人身份；鍵盤輸入和LCD顯示屏，用于取貨人輸入4 位短信驗(yàn)證碼和顯示輸入；無線通信模塊，用于機(jī)器人與管理終端和客戶終端的實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)管理人員和客戶對(duì)機(jī)器人實(shí)時(shí)位置的查看；電磁鎖和繼電器模塊，用于打開和關(guān)閉貨箱，實(shí)現(xiàn)開箱關(guān)箱的電控過程，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

2 系統(tǒng)主要模塊

2.1 RFID 射頻模塊

本設(shè)計(jì)中對(duì)于目的寢室和機(jī)器人實(shí)時(shí)定位采用了室內(nèi)普遍使用的RFID 技術(shù)，定位方案為機(jī)器人車載RFID RC522 射頻模塊，軌道鋪設(shè)RFIDIC 卡電路，在機(jī)器人行進(jìn)的過程中能夠高效地讀取當(dāng)前位置并根據(jù)IC 卡編號(hào)判斷是否為終點(diǎn)寢室位置，從而控制機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)或者在當(dāng)前位置停止。RC522 是一種非接觸式的讀寫卡芯片，數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，適合應(yīng)用于機(jī)器人快速行駛中進(jìn)行識(shí)別。

2.2 循跡模塊

本設(shè)計(jì)循跡模塊采用TCRT5000 傳感器，利用紅外光探測，具有高靈敏度、高抗干擾、性能穩(wěn)定等特性。軌跡使用6cm 寬白線，所以采用5 路TCRT5000 傳感器進(jìn)行軌跡邊緣檢測，當(dāng)發(fā)生脫軌、偏軌等情況時(shí)，進(jìn)行檢測糾正。

2.3 無線通信模塊

本設(shè)計(jì)機(jī)器人與管理員終端的無線通信采用NRF24L01 無線收發(fā)模塊，此模塊使用2.4G 通信技術(shù)，擁有全雙工、透明傳輸方式、高速率遲延小、不限包長、大數(shù)據(jù)傳輸、性能優(yōu)異等特點(diǎn)。能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人將實(shí)時(shí)位置信息快速傳回管理員終端的功能，并且能夠?qū)⒐芾韱T終端的控制信息同時(shí)高速傳輸至機(jī)器人端，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)位置監(jiān)控與配送流程反饋。

圖1 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)圖

2.4 陀螺儀模塊

在機(jī)器人行駛過程中，最為重要的姿態(tài)判斷分析傳感器即為陀螺儀傳感器，通過陀螺儀機(jī)器人可以分析出當(dāng)前行駛的偏航角度，并結(jié)合PID 算法及時(shí)作出調(diào)整，保證機(jī)器人行駛的穩(wěn)定。在機(jī)器人行駛，三維空間中通過判斷Z 軸角度，即機(jī)器人車體的航偏角，即可判斷機(jī)器人是否行駛為直線，而Z 軸在運(yùn)動(dòng)情況下有累積誤差。因?yàn)閆 軸角度是通過對(duì)角速度積分計(jì)算出來的，沒有觀測量濾波，所以漂移是不可避免的。X，Y 軸是有重力場濾波，所以不會(huì)有漂移，Z 軸只能用短時(shí)間內(nèi)的相對(duì)測量量。所以相對(duì)于MPU-6050 裸電路，我們選用基于MPU-6050 芯片的HWT101 陀螺儀模塊，此陀螺儀模塊相對(duì)于裸電路，此模塊輸出高精度的單軸石英晶體(水晶)陀螺儀，采用高性能的微處理器和先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法，能夠快速求解出產(chǎn)品當(dāng)前的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài);且采用數(shù)學(xué)積分及運(yùn)動(dòng)估算，解算出高精度旋轉(zhuǎn)角度，避免出現(xiàn)大幅度誤差;使用了先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù)，能有效降低測量噪聲，提高測量精度。模塊內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境下精準(zhǔn)輸出產(chǎn)品的當(dāng)前姿態(tài)，姿態(tài)測量靜態(tài)精度0.1 度，穩(wěn)定性極高。通過后期的測試，完成30 分鐘的機(jī)器人配送任務(wù)陀螺儀Z 軸角度累計(jì)誤差<1°，不影響機(jī)器人的正常配送過程。

3 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

配送機(jī)器人采用了車型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括了車體底盤部件、頂部貨箱部件以及矩陣按鍵與LCD 顯示屏。機(jī)器人車體底盤車輪按照同邊同接進(jìn)行控制安裝，即同一邊的車輪轉(zhuǎn)速采取同一PWM 波進(jìn)行調(diào)制，保持大致相同轉(zhuǎn)速，方便控制。車體底盤選用金屬材質(zhì)，保證其強(qiáng)度和載貨穩(wěn)定度，在調(diào)試過程中，進(jìn)行碰撞測試時(shí)，保證其剛度和碰撞強(qiáng)度。車體輪胎選用內(nèi)填泡沫型，能夠?qū)圀w進(jìn)行緩沖，保證其行駛過程中過障的穩(wěn)定性，以增強(qiáng)其對(duì)地形的適應(yīng)性。

機(jī)器人整體架構(gòu)采用了三層結(jié)構(gòu)，上層搭建配送貨箱，并嵌入鍵盤矩陣和LCD 顯示屏，實(shí)現(xiàn)一體化，將貨箱置于頂層有利于用戶進(jìn)行輸入取貨碼、取貨等操作；中層放置機(jī)器人電路模塊、續(xù)航電池并搭建整體電路，保證了電路運(yùn)行的穩(wěn)定性和隱秘性，減少外界對(duì)電路的破壞，并且作為中層，有利于對(duì)頂層和底層模塊進(jìn)行供電和控制；底層放置了RFID 射頻模塊和循跡模塊，主要是基于這些模塊的識(shí)別和檢測距離，有利于循跡模塊對(duì)行駛軌跡的邊緣檢測，RFID 射頻模塊對(duì)軌道IC 卡的識(shí)別。

4 算法系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人配送主要過程如圖2 所示，首先等待管理員終端的配送信號(hào)，客戶下單之后，管理員對(duì)訂單進(jìn)行查看，將貨物裝入機(jī)器人貨箱中，發(fā)送開始配送信號(hào)。機(jī)器人接收到開始信號(hào)后，開始循跡前進(jìn)，并同時(shí)識(shí)別軌道IC 卡，判斷當(dāng)前寢室是否為送貨終點(diǎn)，若為終點(diǎn)，則停止前進(jìn)，向用戶預(yù)留手機(jī)號(hào)碼發(fā)送驗(yàn)證碼短信，等待用戶取貨。用戶通過鍵盤輸入驗(yàn)證碼，若錯(cuò)誤則重新發(fā)送短信，若正確則打開貨箱。在貨箱關(guān)閉之后，則自動(dòng)返程，返回發(fā)貨起點(diǎn)，完成一單貨物配送，如圖2。

4.1 通信協(xié)議制定

機(jī)器人與管理員終端使用無線通信模塊進(jìn)行通信，該模塊的特點(diǎn)是全雙工透傳模式，本設(shè)計(jì)通信過程也采用這種模式。但在通信過程中，雙方采取的接收和發(fā)送方式不同，且開發(fā)環(huán)境不同，所以采用的傳輸數(shù)據(jù)格式、解析方式、傳輸速率也十分重要。本設(shè)計(jì)在傳輸中采取9600bps 速率的串口透傳，根據(jù)電腦終端通過串口發(fā)送時(shí)，需要將幀頭設(shè)置為0x00 數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，同時(shí)，電腦終端需要向機(jī)器人傳輸1 位寢室號(hào)信息、11 位預(yù)留電話號(hào)碼信息、4 位取貨碼信息，需要信息包括16 字節(jié)數(shù)據(jù)，所以制定電腦終端向機(jī)器人數(shù)據(jù)傳輸一幀為19 字節(jié)，其中包括2 字節(jié)幀頭，作為數(shù)據(jù)信息開始標(biāo)志，16 字節(jié)數(shù)據(jù)信息，以及1 字節(jié)幀尾，作為每幀數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志，以此規(guī)定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，如表1所示。

表1 通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

4.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)算法——PWM 調(diào)制

對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)采用的主要控制策略為通過控制電機(jī)的電壓，即可控制電機(jī)達(dá)到指定的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人采用了4個(gè)電機(jī)，即4 個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，即可使機(jī)器人前進(jìn)、后退；右行走輪系轉(zhuǎn)速大于左行走輪系時(shí)，即可使機(jī)器人右轉(zhuǎn)；左轉(zhuǎn)同理。本設(shè)計(jì)采用PWM 調(diào)制的方法來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于機(jī)器人的主控芯片STM32 而言，可以采用STM32 自帶的定時(shí)器做為脈寬控制定時(shí)方式，以此產(chǎn)生的脈沖寬度非常精確，誤差范圍僅在微秒級(jí)別采用的L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制單個(gè)電機(jī)使用3 個(gè)引腳，分別為2 個(gè)電平輸出引腳和1 個(gè)電機(jī)使能引腳，所以只需將使能引腳接入STM32 的一個(gè)定時(shí)器控制引腳，采用PWM 調(diào)制，控制STM32 輸出信號(hào)的占空比，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的使能性，即可在電機(jī)端輸出不同的電壓，完成對(duì)不同電機(jī)的調(diào)速。

4.3 行駛穩(wěn)定性——PID 算法

由于機(jī)器人運(yùn)行的環(huán)境不同，同時(shí)電機(jī)安裝的硬件穩(wěn)定性也不同，所以僅僅采用PWM調(diào)制方式對(duì)機(jī)器人的行走進(jìn)行控制遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，即使電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，機(jī)器人行駛過程中可能會(huì)偏離指定方向。為了使機(jī)器人更加穩(wěn)定地行駛，本設(shè)計(jì)采用陀螺儀測量結(jié)合PID 算法控制的方式。相較于常用的增量式和位置式PID 控制算法，增量式PID 算法得出的控制量對(duì)應(yīng)的是近幾次與目標(biāo)誤差的增量，而不是位置式PID 控制算法得出的實(shí)際位置和預(yù)期位置的偏差，采用增量式PID 算法能夠在本設(shè)計(jì)獲得比較好的控制效果，同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)突發(fā)問題時(shí)，增量式不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。本設(shè)計(jì)采用以機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)作為類比，陀螺儀模塊為測量器，增量式PID 算法根據(jù)陀螺儀測量偏離角度數(shù)據(jù)和初始化三大系數(shù)輸出調(diào)整的PWM 調(diào)制波控制車輪轉(zhuǎn)速，減小偏角，再測量偏角，構(gòu)成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，完成對(duì)機(jī)器人行駛過程中方向的控制，使機(jī)器人以直線行駛，提高其行駛穩(wěn)定性。

結(jié)束語

本自動(dòng)配送服務(wù)機(jī)器人通過STM32 主控芯片控制其行進(jìn)與通信，經(jīng)過陀螺儀和PID 算法控制機(jī)器人穩(wěn)定行進(jìn)，依靠RFID射頻和循跡模塊準(zhǔn)確定位，進(jìn)行指定路線配送與返程。經(jīng)測試，目前機(jī)器人能夠勝任對(duì)單個(gè)用戶下單的精準(zhǔn)配送，完成自主配送、自動(dòng)返回，整個(gè)系統(tǒng)能夠完成用戶網(wǎng)上下單、管理員接單、機(jī)器人自動(dòng)配送并返回的整體過程。對(duì)后續(xù)也將對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行升級(jí)，使本自動(dòng)配送服務(wù)機(jī)器人能夠同時(shí)完成多任務(wù)的配送，提升整體效率，以便更好地服務(wù)于人類。

圖2 硬件系統(tǒng)圖