鐘宇明 ， 余 江 ， 陳衍藝 ， 鄭詠文 ， 賴壯炯

（1.廣東海洋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué)深藍(lán)智能機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，廣東 湛江 524088；3.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

0 引言

在當(dāng)今高校校園內(nèi)，飲食配送服務(wù)已經(jīng)成為學(xué)生生活中不可忽視的重要議題。隨著大學(xué)校園面積的擴(kuò)大，學(xué)生宿舍區(qū)與餐廳之間的距離越來越遠(yuǎn)，學(xué)生在用餐時(shí)間內(nèi)不得不花費(fèi)大量時(shí)間和精力往返于宿舍和餐廳之間。這種現(xiàn)象不僅浪費(fèi)了學(xué)生寶貴的學(xué)習(xí)和休息時(shí)間，也對(duì)學(xué)生的生活質(zhì)量造成了一定的影響。另外，在惡劣天氣條件下，校園飲食配送服務(wù)常常面臨種種困擾。傳統(tǒng)的人工配送在極端天氣下難以順利進(jìn)行，這既影響了學(xué)生的飲食安排，也增加了校園管理的難度。盡管市場(chǎng)上已經(jīng)存在一些配送機(jī)器人，但普遍存在著自身質(zhì)量重、造價(jià)高、配送數(shù)量有限等問題，無法滿足高校校園內(nèi)多單配送的需求。目前雖然有“萬(wàn)小餓”這樣專門針對(duì)城市和辦公寫字樓的配送機(jī)器人，但是其自身質(zhì)量較重且造價(jià)高昂，每次只能送3 單外賣，不適合在校園里完成一次多單的配送任務(wù)[1]。

為了解決這一問題，本研究提出了一種新型的智能飲食配送機(jī)器人方案。旨在充分利用先進(jìn)的技術(shù)手段，通過設(shè)計(jì)一種智能送餐機(jī)器人，以分擔(dān)短距離的送餐任務(wù)或與送餐員接力運(yùn)送[2]，從而為學(xué)校提供更加便捷、高效、安全的餐食配送服務(wù)，提升校園生活的便利性和舒適度。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)主要由前擋板、后擋板、側(cè)擋板、橫杠條、排水板、底板、第二層支撐板、紅外光電傳感器、前置支架、前置支架固定件、攝像頭、電機(jī)、電機(jī)支架、車輪組成，機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)包括兩塊側(cè)擋板，上端具有凹槽，用于固定橫杠條和取餐結(jié)構(gòu)。側(cè)擋板上部中部有凹槽，用于安裝排水板，以保護(hù)機(jī)器人內(nèi)部控制元件不被雨水侵壞。排水板傾斜安裝，起到有效排水的作用。機(jī)器人四周配有紅外光電傳感器，前部傳感器安裝在前置支架上，前擋板有空洞供傳感器檢測(cè)障礙物。前置支架可調(diào)節(jié)夾角并用螺栓固定，攝像頭位于前擋板上，用于捕捉周圍圖像信息。底部有四個(gè)電機(jī)，各有電機(jī)支架固定在底板上。機(jī)器人主體內(nèi)有支撐架，用于放置電子元件，充分利用內(nèi)部空間。

圖1 機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該智能配送機(jī)器人的硬件系統(tǒng)要求包括STM32單片機(jī)模塊、自主設(shè)計(jì)的PCB 電路、激光測(cè)距模塊、北斗定位模塊、攝像頭、紅外傳感器等。系統(tǒng)需具備高性能、低功耗、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，確保在校園環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

自主設(shè)計(jì)的PCB 電路板主要集成了主控STM32單片機(jī)、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及傳感器和上位機(jī)的供電與信號(hào)傳輸模塊。

電源模塊的核心為MP2236 芯片，是一款高頻同步整流降壓開關(guān)變換器，通過調(diào)整其前饋電容至22 μF 可得到模塊的最佳輸出電壓[3]。在運(yùn)動(dòng)控制方面，機(jī)器人采用BTN7971B 驅(qū)動(dòng)芯片，其優(yōu)越的電機(jī)控制性能和高效率，可以確保機(jī)器人平穩(wěn)、精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)。該芯片具有卓越的功率轉(zhuǎn)換效率和溫度穩(wěn)定性，可為機(jī)器人系統(tǒng)提供可靠動(dòng)力支持，確保高效運(yùn)作。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理（部分）如圖2 所示。

圖2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理（部分）

2.3 定位模塊

機(jī)器人采用ATGM332D 定位模塊，支持北斗和GPS 等多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該模塊通過測(cè)量已知空間位置的衛(wèi)星到機(jī)器人接收機(jī)的距離和角度，綜合衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)器人具體位置。此外，通過串口連接可查看定位數(shù)據(jù)，包括定位時(shí)間、緯度、經(jīng)度、高度和所用衛(wèi)星數(shù)等。

2.4 傳感器

機(jī)器人的主要傳感器為分布在機(jī)體外部各處的紅外光電傳感器。該類型傳感器是一種集發(fā)射與接收于一體的紅外光漫反射式光電傳感器[4]，5 V 供電，最大檢測(cè)距離為80 cm，受可見光影響較小，通過發(fā)射和接收紅外光線檢測(cè)物體存在，并向上位機(jī)輸出信號(hào)。同時(shí)，搭載VL53L0X 激光測(cè)距模塊，該脈沖式激光測(cè)距的原理和過程是測(cè)距儀器發(fā)射出的激光經(jīng)被測(cè)物體反射后由接收端接收回射激光，測(cè)距儀器記錄激光往返時(shí)間[5]。測(cè)距范圍為30 mm～2 000 mm，采用脈沖式激光測(cè)距原理。機(jī)器人采用連續(xù)測(cè)量模式，實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)距并在每次測(cè)量結(jié)束后自動(dòng)執(zhí)行下一次測(cè)量任務(wù)。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 定位與導(dǎo)航系統(tǒng)

定位功能主要由ATGM332D 定位模塊實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，機(jī)器人上搭載一塊LCD 顯示屏用于顯示相關(guān)定位信息。在啟動(dòng)定位程序前，控制系統(tǒng)首先打開串口，實(shí)時(shí)接收由ATGM332D 定位模塊循環(huán)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，按需求使用strstr 函數(shù)從中選取字段（定位數(shù)據(jù)），以此獲得相關(guān)信息并顯示在LCD屏上。

根據(jù)NMEA-0183 協(xié)議，定位模塊共循環(huán)發(fā)送GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPGLL、GPRMC 以及GPVTG 這6 種數(shù)據(jù)幀，其分別代表不同信息，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀信息

該機(jī)器人主要使用代表定位信息的GPGGA 數(shù)據(jù)幀。對(duì)于單一GPGGA 數(shù)據(jù)幀，除去幀頭外共含有15 個(gè)字段，分別代表各種定位數(shù)據(jù)，包括世界時(shí)間（UTC）、經(jīng)度、緯度、高度等[6]。其中，不同字段之間由逗號(hào)相隔，因此可使用逗號(hào)作為標(biāo)記符，通過統(tǒng)計(jì)逗號(hào)出現(xiàn)的次數(shù)，獲取相關(guān)順序的字段，并在程序上通過strstr 函數(shù)進(jìn)行查找與選取，得到相應(yīng)的定位數(shù)據(jù)，如：GPGGA 數(shù)據(jù)幀的第二與第四字段分別為緯度與經(jīng)度數(shù)據(jù)[7]，通過strstr 函數(shù)查找“2”和“4”即可獲得機(jī)器人當(dāng)前經(jīng)緯度信息。但定位模塊會(huì)受到衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)弱的影響，信號(hào)較弱時(shí)容易發(fā)出錯(cuò)誤的定位信息，此時(shí)引入GPRMC 數(shù)據(jù)幀，利用strstr 函數(shù)查找其第二字段，若字段中含有“V”字符，則判定本次數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)。該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)定位功能的相關(guān)程序流程如圖3所示。

圖3 定位程序流程

在實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能前，控制系統(tǒng)中會(huì)預(yù)先設(shè)置多條固定的配送路徑，由負(fù)責(zé)配送的工作人員進(jìn)行選擇。其中每條預(yù)設(shè)路徑包含多個(gè)路徑節(jié)點(diǎn)，分布在道路的十字路口、轉(zhuǎn)彎處、直行處以及宿舍樓門前，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有各自的坐標(biāo)，包含高度以及經(jīng)緯度，同時(shí)，所有的路徑節(jié)點(diǎn)會(huì)按照固定順序進(jìn)行排列。以廣東海洋大學(xué)湖光校區(qū)的西區(qū)學(xué)生公寓為例，預(yù)設(shè)路徑如圖4所示。

圖4 預(yù)設(shè)路徑

在機(jī)器人到達(dá)當(dāng)前路徑節(jié)點(diǎn)后，控制系統(tǒng)通過定位系統(tǒng)中獲取的定位信息與下一路徑節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，獲得經(jīng)緯度預(yù)設(shè)值和實(shí)際值之間的偏差值，然后通過兩個(gè)偏差值得出轉(zhuǎn)向角度，再對(duì)數(shù)值進(jìn)行取整，控制機(jī)器人兩側(cè)電機(jī)按照一定延時(shí)反轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)向達(dá)到相應(yīng)角度后，執(zhí)行直行程序。偏差值與轉(zhuǎn)向角度關(guān)系如式（1）所示：

式中，θ為確定轉(zhuǎn)向角度，X為緯度偏差值，Y為經(jīng)度偏差值。

控制系統(tǒng)每隔3 s 進(jìn)行一次角度修正，而在機(jī)器人直行過程中，會(huì)利用攝像頭以及分布在機(jī)體各處的傳感器進(jìn)行緊急避障，包括剎車和避讓等，避開行人、行車和各種障礙物，然后再重新進(jìn)行一次角度修正。與使用激光雷達(dá)或者視覺建模進(jìn)行定位相比，該定位方式可以減少數(shù)據(jù)處理量，同時(shí)降低控制算法復(fù)雜性，在保證滿足定位需求的同時(shí)可大大降低開發(fā)成本[8]。

3.2 圖像識(shí)別與處理

該設(shè)計(jì)的視覺識(shí)別系統(tǒng)包括一個(gè)360°旋轉(zhuǎn)的攝像頭、樹莓派4B 微型電腦板和內(nèi)部運(yùn)行的OpenCV。在配送任務(wù)執(zhí)行過程中，攝像頭持續(xù)捕獲周圍環(huán)境的圖像信息，樹莓派4B 使用OpenCV 庫(kù)對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別和分析。識(shí)別得到的環(huán)境圖像數(shù)據(jù)被傳遞給下位機(jī)的STM32 單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的精準(zhǔn)識(shí)別。機(jī)器人圖形識(shí)別與數(shù)據(jù)分析思路如圖5所示。

圖5 機(jī)器人圖形識(shí)別與數(shù)據(jù)分析思路

該機(jī)器人使用的OpenCV 數(shù)字圖像處理技術(shù)可以很方便地對(duì)圖像進(jìn)行采集、底層處理，為周圍物體的識(shí)別和取件時(shí)的人臉識(shí)別功能提供高質(zhì)量的圖像[9]。該機(jī)器人具備的人臉識(shí)別功能，是先利用攝像頭進(jìn)行視頻采集，轉(zhuǎn)換成靜態(tài)幀信號(hào)；對(duì)每一幀利用OpenCV 進(jìn)行圖片預(yù)處理，然后進(jìn)行人臉檢測(cè)，識(shí)別人臉位置，得到邊框數(shù)據(jù)；將待比對(duì)的圖像進(jìn)行特征提取以及人臉庫(kù)的預(yù)提取，用于之后的比對(duì)[10]。人臉識(shí)別功能不僅提高了機(jī)器人的身份認(rèn)證準(zhǔn)確性和識(shí)別效率，還增強(qiáng)了機(jī)器人送餐過程的安全性。

機(jī)器人的圖像數(shù)據(jù)傳輸和處理主要依賴樹莓派4B微型電腦板。樹莓派4B可編寫和運(yùn)行代碼，是嵌入式深度學(xué)習(xí)的理想平臺(tái)[11]。它負(fù)責(zé)收集、計(jì)算、分析攝像頭和傳感器的識(shí)別數(shù)據(jù)，確定障礙物的大小和位置，并通過串口通信將檢測(cè)結(jié)果傳遞給下位機(jī)STM32單片機(jī)，控制系統(tǒng)依此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障功能。

3.3 電機(jī)控制

在面對(duì)坡路時(shí)，機(jī)器人電機(jī)的固定功率輸出可能導(dǎo)致動(dòng)力分配不合理，使機(jī)器人無法正常上下坡，甚至失控溜車。這是因?yàn)榈厍蛞υ谶\(yùn)動(dòng)方向上會(huì)對(duì)機(jī)器人造成影響。針對(duì)上述情況，本設(shè)計(jì)基于PWM控制方式，引入了PID 算法。PWM 通過改變占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，在上坡時(shí)增加電機(jī)電壓以加速上升，在下坡時(shí)降低電機(jī)電壓，利用電機(jī)的牽引力減速下行。通過調(diào)節(jié)PID 參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在坡路和平路上的勻速行駛，且設(shè)計(jì)的PID 控制算法通過仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。機(jī)器人PID 控制算法的仿真模型如圖6所示。

圖6 PID 控制算法仿真模型

該機(jī)器人使用的是位置式PID 算法，PID 的本質(zhì)就是非線性的控制，在機(jī)器人的應(yīng)用中一般表現(xiàn)在單片機(jī)的控制上，這是一種進(jìn)行過量化的過程，對(duì)于運(yùn)行軌跡偏差不斷采樣并進(jìn)行量的控制。因此本質(zhì)上也是數(shù)字控制的一種[12]，其基本數(shù)學(xué)公式如式（2）所示。

式中，u(t)是算法的輸出信號(hào)，e(t)是偏差值，Kp是比例增益參數(shù)，Ki是積分增益參數(shù)，Kd是微分增益參數(shù)。

積分增益的作用在于消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，使系統(tǒng)能夠逐漸趨近目標(biāo)值并最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。其大小影響著積分的速度和效果，過大的積分增益可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。另外，積分增益還有助于減小系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，從而減少超調(diào)和振蕩。

4 結(jié)論

本文介紹了一款專為高校校園內(nèi)飲食配送服務(wù)設(shè)計(jì)的智能配送機(jī)器人，該機(jī)器人具備室外工作能力，主體結(jié)構(gòu)防雨，儲(chǔ)物結(jié)構(gòu)能保護(hù)和保溫食品，硬件性能穩(wěn)定可靠。為解決實(shí)際問題，采用固定路徑和路徑節(jié)點(diǎn)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，確保機(jī)器人按預(yù)定路徑精準(zhǔn)配送。同時(shí)，引入攝像頭和樹莓派微型電腦，結(jié)合OpenCV 庫(kù)實(shí)現(xiàn)智能感知和判斷，避免障礙物碰撞，提高配送精準(zhǔn)度。在處理機(jī)器人上下坡平衡問題時(shí)，引入PID 算法進(jìn)行精確控制，確保機(jī)器人在各種坡度上穩(wěn)定通過，保障配送過程的安全性和穩(wěn)定性。