基于STM32 的送餐機器人設(shè)計

秦艷

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 淮安生物工程分院，江蘇淮安，223200）

0 引言

隨著社會技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展，機器人的應(yīng)用越來越廣泛。在極大地提升工作效率的同時，也為人們的生活提供了較多的便利。

對于送餐機器人領(lǐng)域而言，目前國內(nèi)眾多機構(gòu)開展了研究。例如：文獻[1]以ROS 平臺為基礎(chǔ)，設(shè)計了具有六個自由度的機械手臂，在食物抓取方面取得了良好的效果；文獻[2]為送餐機器人規(guī)劃了路徑并設(shè)置了避障功能，該機器人能夠比較準(zhǔn)確地將食物運輸至指定地點；文獻[3]在ROS平臺進行仿真，并展開了實驗驗證，實現(xiàn)了送餐機器人在復(fù)雜環(huán)境下的準(zhǔn)確避障功能。上述研究均是針對送餐機器人的實際應(yīng)用場景進行功能設(shè)計，達到了預(yù)期的目標(biāo)。因此，對于送餐機器人的設(shè)計而言，關(guān)鍵在于應(yīng)用場景和功能的確定。在該前提下，才能夠設(shè)計出應(yīng)用性較高的機器人。綜上所述，本文以酒店為應(yīng)用場景，擬定機器人的功能，實現(xiàn)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，達到功能完善、使用便捷的目的。

1 送餐機器人功能設(shè)定及系統(tǒng)的布局

對于本課題而言，送餐機器人的工作場景為酒店，即送餐的地點主要包括酒店大廳、客房、酒店辦公場所等地。因此，首要的步驟是通過對場景的分析，擬定機器人的基本功能。通常情況下，酒店各層的地面都較為平坦和光滑，且照明、電梯以及主要的用電設(shè)備均是二十四小時運行。故要使送餐機器人正常工作，可以不用考慮復(fù)雜的地形和環(huán)境，僅需要設(shè)計比較常規(guī)的功能即可。根據(jù)上述分析，送餐機器人的具體功能包括：循跡、避障、移動、定位、通信等。根據(jù)上述具體的功能，系統(tǒng)的基本布局，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)基本布局

2 系統(tǒng)設(shè)計思路

根據(jù)圖1 所示的系統(tǒng)基本布局可知，對于該送餐機器人的設(shè)計中，主要圍繞這幾個模塊來進行。本文的具體設(shè)計思路為：送餐機器人以主控模塊為中心，以藍牙模塊來實現(xiàn)信號傳遞、人機交互等通信功能。在藍牙通信模塊的媒介下，主控模塊可以對循跡模塊、避障模塊、驅(qū)動模塊等發(fā)送指令，讓機器人根據(jù)指令按照規(guī)劃好的路徑進行動作。與此同時，機器人的運行情況，也同時以信號的形式反饋至主控模塊，以判斷機器人的運行狀態(tài)，并適時進行調(diào)整。當(dāng)機器人達到指定地點時，通過灰度識別功能指示其停止，從而完成送餐的整個過程。送餐的具體流程，如圖2 所示。

圖2 機器人送餐流程

3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

■3.1 主控模塊設(shè)計

主控模塊是硬件設(shè)計中的關(guān)鍵步驟，合理的主控芯片選擇，對于提升系統(tǒng)的控制精度和控制效果具有舉足輕重的作用。對于本文而言，在主控芯片的選擇中，由于送餐機器人在酒店工作時，經(jīng)常會因為送餐時間要求、酒店里面的人具有不確定的行走軌跡等因素，需要經(jīng)常進行速度的變換或停止。因此，結(jié)合文獻[4-5]的研究結(jié)論，STM32F103ZET6處理器對于控制機器人速度、加速度以及定位等方面具有良好的效果，與機器人運行的需求相適應(yīng)。同時，也能夠達到較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，本課題擬選擇STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的主控芯片。芯片的基本參數(shù)如表1 所示。

表1 STM32F103ZET6主要參數(shù)

■3.2 循跡模塊設(shè)計

送餐機器人的循跡模塊，考慮到應(yīng)用場景為酒店，僅需要要求機器人按照既定路線進行運行和避障。通常而言，酒店每一層的面積并不是很大。且在酒店里面通常燈光都比較明亮。因此在循跡模塊的設(shè)計中，需要考慮燈光對于傳感器的影響因素。鑒于此，由于紅外線的波長大于可見光波長，所以受到燈光的影響很小。在一定程度上來說，也確保了導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。因此，對于實現(xiàn)路徑規(guī)劃和導(dǎo)航而言，在既定的場景中，紅外循跡是一種行之有效的方式[6]。故在循跡模塊的類型選擇中，也確定為紅外循跡方式，其模塊的基本電路如圖3 所示。

圖3 紅外循跡模塊

■3.3 避障模塊設(shè)計

在酒店里面，由于人流量比較大，且每個人的行走路線比較隨機。故送餐機器人在運行過程中，難免會遇到前方存在阻礙的情況。若不設(shè)置避障模塊，則很容易與人相撞從而發(fā)生事故。因此，避障模塊的設(shè)計是非常必要的。對于送餐機器人而言，由于本身的質(zhì)量，在移動過程中存在一定的慣性，所以若當(dāng)障礙

物距離很近的時候才判斷出來，即使識別出了障礙物，由于慣性問題也有可能無法及時停止，繼而導(dǎo)致與障礙物相撞。故在避障模塊的選擇中，主要考慮能夠在障礙物較遠的時候便識別出來，為即時停止提供緩沖距離。而超聲波傳感器則具有檢測的距離較遠、高精度以及抗干擾性良好等特點[7]。因此，選擇超聲波傳感器作為避障模塊的感應(yīng)元件。超聲波避障模塊的傳感電路如圖4 所示。

圖4 超聲波避障模塊傳感電路

■3.4 定位模塊設(shè)計

送餐機器人在運行和送餐的過程中，都需要隨時進行定位。否則，送餐的動作無法完成。因此，機器人的設(shè)計中，定位模塊也是不可缺少的一部分。在本課題中，考慮到機器人的結(jié)構(gòu)特點以及運行到停止過程中的距離，擬選擇體積較小、識別率較高的灰度傳感器實現(xiàn)便捷的定位功能[8]。

■3.5 驅(qū)動模塊設(shè)計

在機器人的行走機構(gòu)設(shè)計中，常用的行走機構(gòu)包括足式和輪式[9]。本文考慮到送餐機器人的工作場景，酒店的地面通常比較平坦和光滑。因此，在機器人的行走機構(gòu)的類型選擇中，要實現(xiàn)比較快速的行進，采用輪式的結(jié)構(gòu)比較適合。因此，在確定了輪式結(jié)構(gòu)為機器人行進的方案后，如何驅(qū)動是一個比較重要的問題。因為驅(qū)動模塊就是確保其穩(wěn)定和快速運行的關(guān)鍵。在驅(qū)動模塊的設(shè)計中，考慮到直流電機對電磁轉(zhuǎn)矩的變化控制性能較好，能夠快速實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及各級調(diào)速、且調(diào)速類型屬于無級調(diào)速、電機本身的啟停性能較優(yōu)等因素，能夠比較好地實現(xiàn)機器人的運動控制，遇見障礙物或到達目的地能夠及時停止。故在驅(qū)動模塊的設(shè)計中，選擇直流電機驅(qū)動，其驅(qū)動電路如圖5 所示。

圖5 驅(qū)動模塊

■3.6 通信模塊設(shè)計

通信模塊的設(shè)計中，由于酒店的整體空間不大，采用藍牙模塊即可滿足使用要求。故本文主要選擇HC-06 藍牙模塊。原因在于其具有功耗低、在工作范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)丟包率低以及靈敏度較高等特點[10]。HC-06 藍牙模塊的部分參數(shù)如表2 所示。

表2 HC-06基本參數(shù)

4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括驅(qū)動模塊、循跡模塊、避障模塊、定位模塊、藍牙通信模塊的程序設(shè)計。其中，驅(qū)動模塊主要根據(jù)機器人的運動，通過PWM 占空比對其進行驅(qū)動來完成。而循跡、避障以及定位模塊是工作的重點。其軟件設(shè)計的具體步驟為：(1)在循跡模塊中，先完成紅外傳感器的光電對管初始化操作，對GPIO 端口的速度進行配置，并對三個光電對管控制機器人的動態(tài)進行判斷；(2)根據(jù)舵機控制避障模塊的方向，讓該模塊能夠在最大的范圍內(nèi)識別障礙物，并做出對應(yīng)的動作；(3)灰度傳感器將獲得的參數(shù)與程序中設(shè)定的閾值進行對比，判斷送餐機器人是否抵達了預(yù)期的位置，并進行信號反饋，讓系統(tǒng)開展對應(yīng)的動作指令。

在藍牙模塊的軟件設(shè)計中，主要包括兩個部分：(1)對送餐機器人主控芯片的程序進行初始化串口通信，系統(tǒng)需要對接收到的信號進行對應(yīng)的邏輯處理，由此控制送餐機器人的動作；(2)上位機程序采用App Inventor 2 平臺進行開發(fā)，實現(xiàn)人機交互界面和邏輯設(shè)計。

5 系統(tǒng)性能測試及優(yōu)化改進

完成送餐機器人的軟件和硬件系統(tǒng)設(shè)計后，需要測試系統(tǒng)的性能，以驗證設(shè)計是否合理。因此，本文采用幾何相似原理，建立了送餐機器人的模型，并在一個50m×40m 的空間進行系統(tǒng)的測試。測試內(nèi)容主要包括機器人循跡的精度、避障效果、定位精度、系統(tǒng)的響應(yīng)以及穩(wěn)定性等，將各測試指標(biāo)按照：最佳、良好、一般、較差以及極差五個等級進行評定[11]。測試的基本結(jié)果如表3 所示。

表3 系統(tǒng)性能測試基本結(jié)果

從表3 所示的系統(tǒng)性能測試基本結(jié)果來看，系統(tǒng)的循跡精度、定位精度、響應(yīng)速度以及穩(wěn)定性都處于良好的等級，說明這些基本的指標(biāo)都能夠滿足使用要求。但是，從避障效果來看，僅為一般的等級，說明系統(tǒng)在避障方面存在一定的問題。通過分析，基本原因在于，避障模塊的設(shè)計中，雖然超聲波傳感器比較適合于遠處存在障礙物的識別，但是面對障礙物較近或是面對突如其來的近處障礙物時，其識別效果不甚理想。很容易導(dǎo)致機器人與障礙物相撞的情況。因此，根據(jù)測試的結(jié)果，需要對該模塊進行改進，即在原超聲波傳感器模塊的基礎(chǔ)上，再添加紅外傳感器。將原先單一的超聲波避障替換為超聲波+紅外傳感器聯(lián)合避障的系統(tǒng)[12～14]，如此一來可以有效解決單一傳感器的弊端，達到良好的避障效果。

6 結(jié)論

對應(yīng)用于酒店場景的送餐機器人設(shè)計中，在確定功能的基礎(chǔ)上，擬定了系統(tǒng)的各模塊。并完成了該系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計。通過性能測試發(fā)現(xiàn)，由于系統(tǒng)的避障效果不佳，故將原超聲波傳感器避障的設(shè)計方案改進成了超聲波和紅外傳感器聯(lián)合避障的結(jié)構(gòu)，為后續(xù)該送餐機器人投入實際的使用，提供了依據(jù)。