計(jì)雅婷 劉暢言 郭誠 王元茂

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等相關(guān)技術(shù)都得到廣泛應(yīng)用。在此背景下，人工智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成為必然的趨勢(shì)。與此同時(shí)，聯(lián)動(dòng)之下互聯(lián)網(wǎng)帶動(dòng)了電商行業(yè)和快遞服務(wù)行業(yè)的發(fā)展?？爝f的發(fā)展引起的一系列問題已經(jīng)成為人們最關(guān)心的問題。該課題主要研究在現(xiàn)有的機(jī)器人技術(shù)下，制作校園快遞機(jī)器人，也為解決快遞行業(yè)快遞服務(wù)滯后的問題。

關(guān)鍵詞：校園快遞；大學(xué)生需求；機(jī)器人；單片機(jī)；3D打印

中圖分類號(hào)：TP18 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）28-0040-03

1 設(shè)計(jì)背景

21世紀(jì)的科技水平已經(jīng)不可同日而語，由于人們對(duì)科技行業(yè)的不斷探索與追求，科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平全面提升，全世界的科技領(lǐng)域也在不斷向新的領(lǐng)域進(jìn)發(fā)，新的科技形勢(shì)也在向我們揮手，這對(duì)整個(gè)世界的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類智慧的進(jìn)步都產(chǎn)生了很大的而且深遠(yuǎn)的影響。同樣，在中國，越來越多高科技產(chǎn)品橫空出世，科學(xué)家們對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的研究讓機(jī)器人的出現(xiàn)變得不那么難以接受。隨著機(jī)器人相關(guān)的科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種各樣功能的機(jī)器人被創(chuàng)造出來以滿足人們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域的需求。機(jī)器人技術(shù)被普遍認(rèn)為將會(huì)成為未來最具商業(yè)以及科技以及高技術(shù)之一，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)和帶領(lǐng)下， 機(jī)器人技術(shù)也正從傳統(tǒng)的大型工業(yè)制造領(lǐng)域向醫(yī)療器械、野外勘測、戶外救援、生物工程研究以及家庭服務(wù)等領(lǐng)域迅速擴(kuò)展，所以便有更多擁有不同技術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)被科學(xué)家們進(jìn)行深入的研究和開發(fā)[1]。

2019年11月19日，大家熟知的著名公司京東則在北京召開了全球科技探索者大會(huì)。在大會(huì)召開的過程中，京東集團(tuán)的副總裁以及事業(yè)部總裁肖軍宣布了此次會(huì)議主要是介紹最新研發(fā)設(shè)備——配送機(jī)器人4.0，他說“和以前相比，這次集團(tuán)里設(shè)計(jì)研發(fā)最新設(shè)備具有跨革命的科學(xué)技術(shù)研究開拓的意義，不僅實(shí)現(xiàn)了從最初的設(shè)計(jì)、研發(fā)、測試到正式運(yùn)用于商業(yè)的歷史性跨越，同時(shí)無論是機(jī)器人相關(guān)算法的準(zhǔn)確度或者是機(jī)器人智能識(shí)別和探測的精準(zhǔn)率，還是各種不同配送環(huán)境的適應(yīng)性以及匹配性，都得到了極大的提高”。由此可見快遞機(jī)器人的市場前景是大勢(shì)所趨。由此看來，快遞機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展前景是非常光明的，同時(shí)在這個(gè)機(jī)器人的開發(fā)背景下，我們也可以更好地對(duì)快遞機(jī)器人展開更深入的研究[2] 。

中國國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)已經(jīng)研制開發(fā)了KDW系列雙足機(jī)器人，同時(shí)也研制了仿人機(jī)器人“先行者”。清華大學(xué)研制開發(fā)了仿人機(jī)器人THBIP-I。機(jī)器人在家庭生活、戶外救援、醫(yī)療器械、社會(huì)服務(wù)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。在這些領(lǐng)域，機(jī)器人需要在未知、復(fù)雜、不同的環(huán)境下完成不同類型的工作任務(wù)，這就對(duì)機(jī)器人的人機(jī)交互、移動(dòng)系統(tǒng)、避障系統(tǒng)以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性都提出了更高的要求[3]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 移動(dòng)系統(tǒng)

校園快遞機(jī)器人使用的是常規(guī)輪式機(jī)器人，兩個(gè)常規(guī)輪，一個(gè)全方向輪。兩個(gè)常規(guī)輪可以進(jìn)行前進(jìn)和倒退，一個(gè)全方向輪可以在避障的時(shí)候快速旋轉(zhuǎn)改變機(jī)器人位置。系統(tǒng)是以檢測電磁線為基礎(chǔ)，通過單片機(jī)處理信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)車體控制，實(shí)現(xiàn)車體能夠準(zhǔn)確沿著預(yù)設(shè)路徑尋跡。系統(tǒng)電路部分需要包括單片機(jī)控制單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等部分，除此之外系統(tǒng)還需要一些外部設(shè)備，例如編碼器測速、伺服器控制轉(zhuǎn)向直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)車體[4]。小車的程序主要采用順序結(jié)構(gòu)，使用中斷向量進(jìn)行嵌套控制，通過合理安排各個(gè)任務(wù)之間的執(zhí)行時(shí)間，提高程序的穩(wěn)定性和效率。

機(jī)器人在道路中的轉(zhuǎn)向是否及時(shí)準(zhǔn)確以及路徑汽車姿態(tài)是否良好大部分決定于舵機(jī)轉(zhuǎn)向的好壞。單片機(jī)通過在道路上的位置進(jìn)行電磁位置解算，計(jì)算出位置偏差和位置偏差率，繼而將這兩個(gè)量輸入到舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制器，并儲(chǔ)存記憶上一次的若干數(shù)據(jù)，進(jìn)而輸出某個(gè)PWM給舵機(jī)，讓舵機(jī)打角，完成舵機(jī)在道路中的轉(zhuǎn)向。總結(jié)原理如下：舵機(jī)轉(zhuǎn)向線程開始從道路位置開始結(jié)算，通過計(jì)算位置偏差和計(jì)算位置偏差率反復(fù)調(diào)試，由舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制器輸出PWM到舵機(jī)，至此舵機(jī)轉(zhuǎn)向線程結(jié)束。

機(jī)器人的程序主要采用順序結(jié)構(gòu)，使用中斷向量進(jìn)行嵌套控制，通過合理安排各個(gè)任務(wù)之間的執(zhí)行時(shí)間，提高程序的穩(wěn)定性和效率。軟件主要包括功能如圖1所示。

機(jī)器人運(yùn)行的基礎(chǔ)流程：開始是各模塊的初始化，接下來開啟攝像頭場中斷，繼續(xù)開啟中斷總開關(guān)，隨后檢測圖像采集標(biāo)志位根據(jù)標(biāo)志位判斷是否采集完成一幀圖像，中線處理獲得偏差使得PID運(yùn)算舵機(jī)打角，從而獲得速度偏差，通過PID運(yùn)算出電機(jī)占空比回到檢測圖像采集標(biāo)志位這步，顯示參數(shù)然后返回到檢測圖像采集繼續(xù)之前的操作直到完成任務(wù)。

2.2 電路控制系統(tǒng)

整個(gè)智能車系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)是由作為主流機(jī)型的8位CPU和存儲(chǔ)器、定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、輸入輸出接口、總線和其他功能的器件組合在一塊芯片的51單片機(jī)。51單片機(jī)的使用，讓實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能指標(biāo)成為可能。51單片機(jī)的芯片運(yùn)行速度快，抗干擾能力強(qiáng)，且簡單易上手。整個(gè)電路的控制系統(tǒng)需要解決的問題在于如何實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制。對(duì)于這點(diǎn)，單片機(jī)就擁有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)——控制簡單、方便、快捷。在這方面，單片機(jī)足以滿足快遞小車的設(shè)計(jì)需求。51單片機(jī)可靠性高、便于擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、同時(shí)技術(shù)成熟且價(jià)格低廉。在單片機(jī)系統(tǒng)中，復(fù)位電路是必不可少的一環(huán)，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)程序不正常運(yùn)行或者死機(jī)、停止運(yùn)行等問題是最有可能發(fā)生的，所以要提前解決這個(gè)問題。則需要利用復(fù)位電路進(jìn)行下一步操作。MCS-51系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST（9管腳）出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘以上的高電平，系統(tǒng)便立即執(zhí)行復(fù)位操作。同時(shí)單片機(jī)的復(fù)位操作可以是自動(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位。這樣便解決了如上問題。同時(shí)可以體現(xiàn)出單片機(jī)在整個(gè)電路中的重要性[5]。

2.3 路徑分析系統(tǒng)

按路徑可分為兩種情況：

第一種：靜態(tài)已知環(huán)境

首先收集機(jī)器人運(yùn)行路段的相關(guān)數(shù)據(jù)，比如起始路徑以及驛站到宿舍樓下的固定障礙物所在位置，規(guī)劃出一條可以避免碰撞的路徑。

第二種：動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境

對(duì)于移動(dòng)中的物體，比如來往的學(xué)生教師，車輛，機(jī)器人將會(huì)進(jìn)行紅外掃描以及根據(jù)傳感器信息不斷更新周圍局部障礙物分布并自動(dòng)避障且重新規(guī)劃路線。在重新規(guī)劃路線之前，需要對(duì)驛站到宿舍樓的路段進(jìn)行唯一標(biāo)記，使機(jī)器人在避障后能進(jìn)行最短的移動(dòng)路徑規(guī)劃，得到最優(yōu)路徑。另外機(jī)器人經(jīng)過掃描承載貨物的高度和寬度進(jìn)行路徑計(jì)算，確保在行駛的過程中不碰到來往的行人和車輛。最后控制機(jī)器人行駛速度，通過計(jì)算選擇適當(dāng)?shù)乃俣惹斑M(jìn)。

全局路徑規(guī)劃可以用以下兩種方法：

可視頂點(diǎn)圖法；根據(jù)障礙物的頂點(diǎn)建立，連接一個(gè)障礙物與另一個(gè)障礙物的頂點(diǎn)，最短路徑即經(jīng)過障礙物頂點(diǎn)。

自由空間法：把機(jī)器人的工作空間分為自由空間和障礙物空間。在經(jīng)過障礙物附近的時(shí)候它能對(duì)兩者空間的計(jì)算來保證最大允許誤差，避免與障礙物相碰。

3 樣機(jī)制作（3D打印技術(shù)）

本款產(chǎn)品是以3D建模技術(shù)為基礎(chǔ)的一款新型產(chǎn)品，先通過3D建模來構(gòu)思機(jī)器人，設(shè)計(jì)出其主要的器件，如電池盒、萬向輪、螺柱、小車底板、馬達(dá)固定板、主板、萬向輪支架、萬向輪連接板、超聲波小板、紅外小板、舵機(jī)座、舵機(jī)、馬達(dá)、車輪等，然后運(yùn)用3D建模命令以及具體的參數(shù)將它們組合起來進(jìn)行繪制，便可以得到一個(gè)基本的模型，從而能夠充當(dāng)實(shí)體機(jī)器人的一個(gè)模型。主要通過一些具體的指令來進(jìn)行操作，例如在繪制小車底板時(shí)，則需要先繪制出小車底板的大致輪廓，然后點(diǎn)擊草圖繪制的矩形命令，給底板進(jìn)行大小輪廓的確定，然后輸入相對(duì)的數(shù)值。同時(shí)對(duì)其四個(gè)角進(jìn)行倒角設(shè)計(jì)，選中矩形的四條邊，然后點(diǎn)擊倒角，輸入相應(yīng)的值，再通過拉伸切除功能繪制一些安裝孔，小車底板的設(shè)計(jì)便完成了[5]。

4 機(jī)器人存在的缺陷

本校園快遞機(jī)器人基于現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)出來，具有很高的實(shí)用性，但是仍然存在較多的缺陷未能改進(jìn)。缺乏安全的防盜技術(shù)，在無人看管機(jī)器人的情況下可能會(huì)使得機(jī)器人和其上的快遞的安全沒有保障，如果有心思不軌的人破壞機(jī)器人也無法及時(shí)阻止；定位沒有精確到點(diǎn)，目前個(gè)人的能力只能設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)送快遞到寢室樓下把那一棟樓的快遞統(tǒng)一安放，沒法精確到具體樓層；成本雖然不高但是損壞率很高，因使用的材料屬于低成本的芯片和塑料板制作出的樣板，所以難免保證不了機(jī)器人的長期使用情況，需要定期去檢修；靈活性不高，機(jī)器上方的部位存放要運(yùn)送的快遞件，大量快遞的堆積使得機(jī)器人的行動(dòng)極其不便利，活動(dòng)起來就無法避免靈活性不高的缺點(diǎn)；無法大規(guī)模普及充電樁，機(jī)器人使用的是電池補(bǔ)充能量的方法，校園內(nèi)目前還沒有普及大規(guī)模的充電樁，運(yùn)行中的機(jī)器人如果半路沒有電了，如何給其充電就成了一件麻煩事。

5 總結(jié)

通過對(duì)大學(xué)校園內(nèi)的快遞投送的問題思考與分析，緩解快遞的配送難題、避免大學(xué)同學(xué)沒有時(shí)間取快遞的問題，以及某一時(shí)間段內(nèi)取快遞的人群出現(xiàn)人流高峰期的問題。在國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上進(jìn)行校園快遞這一模塊上的應(yīng)用，進(jìn)而研究出該校園快遞機(jī)器人。通過此課題的應(yīng)用，不僅可以縮短學(xué)生用在取快遞上面的時(shí)間，也可以錯(cuò)開人群高峰，進(jìn)一步提升學(xué)生的生活效率和品質(zhì)。另一方面，雖然技術(shù)和理論以及實(shí)際應(yīng)用上仍然存在缺陷和不足，但是基本的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)實(shí)施了，在后期的研究發(fā)展中會(huì)進(jìn)一步完善這些問題。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】