校园智能送餐机器人的设计与实现

许量为 李建勇

（西北工业大学明德学院，陕西 西安 710124）

0 引言

随着科学技术的发展，科技在很大程度上改善了人们的生活。在2020 年1 月初，瑞幸咖啡在美国的发布会上表示，今后将会推出智能售卖咖啡车，在给顾客提供方便的同时，还能提升自己的销售额。2017 年，由饿了么未来物流团队打造的智能外卖机器人“万小饿”已经在上海虹桥万科中心开始服务，但是它是专门针对城市和办公写字楼的送餐机器人。2019 年，美国乔治梅森大学已经拥有了校园机器人送餐服务。目前，中国还没有一款专门针对大学校园的送餐机器人。“万小饿”的智能化程度很高，但是其自身质量很重且造价高昂。虽然续航时间长，但是每次只能送3 单外卖[1]，不适合在校园里配送1 次多单的订单。与它相比，自主研发的校园送餐机器人性价比极高，本身就有很好的发展空间，除了在各大高校中应用，它还可以在各种大型工业园区完成户外送餐的任务，可以在10 min 之内或者更短的时间内完成送餐任务。校园智能送餐机器人项目的推出可以节省时间，提高学习和工作效率，在就餐高峰时期还可以减轻食堂的就餐压力，为学生的宿舍和校园生活提供便利。

1 设计思路

1.1 设计初衷

本着以人为本的设计思路，旨在为学生的宿舍生活提供便利，该文设计了校园智能送餐机器人。现在的大学校园面积较大，饭堂、教学楼和宿舍之间的距离都很远，因此很多同学会因距离而不去吃饭，智能送餐机器人就可以很好地解决上述问题。从另一个角度来说，智能机器人还可以节省时间、提高学习效率以及节省食堂送餐的人力、物力和财力，与此同时，还可以提高商家的营业额，真正做到让学生足不出户就能吃到食堂的美味，从而很好地为学生的宿舍和校园生活提供便利。从长远的角度来看，后期应用到外部市场时，可以解放一定的人力，在节省成本的同时还可以提高销售额。

目前，校园智能送餐机器人在各大高校都有一定的商业市场，可以进一步推广应用。除了大学食堂以外，还可以在后期技术成熟时，将其推广到其他市场，例如户外、商场、大型酒店以及大型工业园区等。该技术拥有巨大的市场潜力，在未来智能化的发展背景下，该技术的应用场景会越来越大。

1.2 设计结构

校园智能送餐机器人由智能车底盘和附加的外卖箱组成，智能车底盘以STM32F103C8T6 最小系统为主控芯片，搭载TB6612FNG 电机驱动模块、超声波避障模块、18650 可充电电源模块以及红外循迹模块等模块，可以实现循迹导航、自动避障、蓝牙解锁以及电机调速等功能。外卖箱部分则分为内外2 层，外层采用EPP 保温塑料，底部配有橡胶防滑垫，具有无毒无味、不易变色、表面光滑、容易清洗、保温效果好、不怕摔碰以及可重复使用等优点。

1.3 控制系统设计

控制系统中很重要的一部分就是系统负反馈，通过程序判断各项功能是否正常、循迹是否成功、电机运转加减速是否正常以及是否有障碍物。判断结束后，如果存在问题，那么微型计算机会根据特定的算法进行计算，并对其进行调整修正，如果没有问题就正常执行任务。在该设计中，避障模块采用的算法是局部避障动态窗口法（DWA）算法，该算法可以让送餐机器人及时避让障碍物；红外循迹模块采用比例积分微分（PID）位置算法来计算它是否偏移预定轨迹（偏移了多少），便于送餐机器人调整路线；电机驱动模块则是通过MATLAB 仿真拟合出平滑的S 曲线，提出不同约束条件下的S 曲线平滑度控制指标，通过将S 曲线离散化分为多个脉冲频段来控制电机的稳定运行以及加减速，使送餐机器人适当地减速并顺利完成转弯动作。系统设计图如图1 所示。

图1 智能送餐机器人系统设计图

1.4 送餐流程

启动系统，搜索并连接蓝牙系统，连接成功后开始进行循迹，否则重复连接蓝牙步骤直到连接成功，循迹成功后继续前进，否则修正方向直到循迹成功。如果碰到障碍则原地等待，障碍被移除后继续前进直到指定位置，在指定位置停止并发送信号等待取餐，如图2 所示。

图2 送餐流程图

2 硬件系统

2.1 循迹模块

选择红外循迹模块需要考虑2 个方面，循迹点个数的多少和周围光线的变化程度。循迹点的个数越多循迹结果也越精确，因为周围光线的变化对循迹也有一定的影响，所以必须考虑周围光线的影响，选择受周围环境变化影响较小的循迹模块。该系统中的循迹部分由4 个红外循迹模块共同组成智能送餐机器人的“眼睛”，引导智能送餐机器人沿着轨道线行进。红外循迹模块使用4 个发射管发射红外光线，当光线照射到黑色轨迹和周围其他色系的环境上时，根据反射强度的不同，接收端接收到不同强度的反射光线，根据发出反射光线的强弱程度来判断轨道的位置，通过系统负反馈，基于PID 位置算法能够使智能送餐机器人及时回到正确的轨迹。如果光线到达指定位置时的颜色不是黑色，那么传感器发射出去的红外光大部分都会被反射回来[2]。模块化的设计使安装过程更加方便快捷，其电路图如图3 所示。红外循迹模块的价格低廉，体积小巧方便，工作环境也很广泛，能够在不同温度范围下使用，而且在不同的环境中都能够稳定、可靠地运转，因此该设计选用红外循迹模块。

图3 循迹模块电路图

2.2 灰度传感器模块

灰度传感器包括1 个白色高亮发光二极管和1 个光敏电阻，发光二极管照射到灰度不同的地面上返回的光是不同的，根据光（光敏电阻接受到返回的光）的强度差异，光敏电阻的阻值也不同，可以对灰度值进行测试，从而实现识别定位的功能。到达指定位置后，送餐机器人会停下来给蓝牙通信模块发送指令，然后通过蓝牙向卖家发送提示信息并等候取餐。

2.3 超声波避障模块

校园智能送餐机器人中的避障模块选用HC-SR04 模块，该模块拥有性能稳定、测度距离精确、模块高精度以及盲区小等优点。在运送途中，送餐机器人很难一直保持自身的绝对平稳和稳定，探测系统也很难精准地探测其真实的距离，1 个超声波传感器很难对整个面进行测量，而且超声波模块具有扩散性，并且超声波在不同介质中传播速度会变得更为稳定[3]，考虑上述特性，该设计在避障方面选择采用多个超声波避障模块协同运作。

2.4 电机驱动模块

该设计选择TB6612FNG 直流电机作为驱动模块，它不但可以同时驱动2 个电机，而且不需要外加散热片，外围电路设计也很简单方便，只要外部接上电源滤波电容就能直接驱动电机运行。直流电机的控制原理是根据定子的绕线来决定启动（或者关闭）换流器中功率晶体管的先后顺序，使电流依次流经线圈产生的磁场并与转子相互作用，使电机随所产生磁场的方向来转动，要使转子停止转动，则需要关闭功率晶体管。要使电机转子反向转动，则需要调换功率晶体管的开启顺序。

2.5 蓝牙通信模块

该系统使用 HC-06 无线蓝牙通信模块，HC-06 蓝牙模块的优点是配对以后默认使用全双工的串口模式，不需要了解蓝牙协议，可以使用无奇偶校验的通信模式[4]。蓝牙通信技术用无线的方式将各种数据和设备连到同一个微网下，可以在这些连接设备之间实现快捷且方便的通信。能够实现手机和送餐机器人之间的蓝牙通信，主控芯片和各部分模块接收到的指令都是通过蓝牙传输的，通过蓝牙接口传到接收端，通过A/D、D/A 之间的转换成为各种模拟信号。接收信号时，将接收端开关设置为开启状态，天线端接收射频信号后，经过蓝牙收发器将其传输给基带信号处理器。

3 软件系统设计

3.1 电机驱动控制设计

电机驱动软件是设计该机系统的基础，通过手机软件可以控制智能小车行进的快慢和转向，通过电压反馈调整其脉冲宽度调制占空比，进而调节和驱动智能送餐机器人。利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，采用差动转向来控制机器人的转向，差动转向就是一个轮子的转速比另外一个轮子快或者慢，使2 个轮子速度不一样，从而达到转向的目的。通过调节脉冲宽度来改变输出电压，通过改变周期来控制输出频率，通过改变PWM 波、脉冲宽度等方式来控制电机速度。

3.2 蓝牙程序设计

蓝牙程序一共有2 个部分：1） 主控芯片上的程序。需要对其进行初始化串口，通过编程为其收到的指令设定对应的动作逻辑，以方便控制机器人运行。2） 手机、平板以及电脑等控制端的软件程序。可以使用APICloud 开发平台制作软件，使用可视化工具快速构建应用程序，这样就可以通过该软件给蓝牙传输数据，然后通过蓝牙进行数据传输，进而控制主控芯片运行机器人。

4 运行分析

4.1 运行原理

该设计采用C 语言，通过Keil uVision5 编写程序， 设计基于机智云和主控制器核心芯STM32F103C8T6 的智能送餐系统， 配备ESP8266-01 Wi-Fi 模块、蓝牙模块、继电器控制模块、TB6612FNG 电机驱动模块、HDF70-818 摄像模块、光照传感器模块、AS608 识别模块、RCC522 模块、HC-SR04 超声波模块、LED 显示模块以及LED 显示模块，采用PCB 制板连接外围电路。当硬件部分连接并上电后， STM32F103C8T6最小系统开始工作， 因此在主程序设计部分，首先要对其各种功能进行初始化。在初始化系统时钟、GPIO 口、串口以及定时器后，再初始化各个传感器I/O 口。当传感器触发任务时， 将根据优先级按（从高到低的顺序）依次执行任务。

4.2 运行测试

选取一处封闭路段，设计黑色的运行路线轨道，为了检测机器人的减速和转向功能，将轨道设计为椭圆型，并在行进途中放置障碍物，以测试其避障功能。分别在不同的运行状态下检测智能送餐机器人的运行速度。测试结果见表1。

表1 送餐机器人运行速度测试结果

5 结语

该文设计的校园智能送餐机器人采用STM32F103C8T6最小系统为控制核心，外加HC-SR04 超声波模块、红外循迹模块、蓝牙模块以及继电器控制模块等模块，可以实现智能送餐车的自动循迹、自动避障、自动调速以及定位等功能。为餐厅节省了送餐的人力、物力和财力，与此同时，还扩大了餐厅的营业额。真正做到让学生足不出户就能吃到食堂的美味。经过实验测试，校园智能送餐机器人实现了预期的功能并且得到了商家的青睐。