餐廳服務機器人控制系統設計與實現

蔡俊杰，吳益飛，徐航宇，章 偉

(南京理工大學 自動化學院，南京 210094)

餐廳服務機器人控制系統設計與實現

蔡俊杰1，吳益飛2，徐航宇3，章 偉4

(南京理工大學 自動化學院，南京 210094)

通過對餐廳服務機器人控制系統需求進行分析，提出了以微控制器MSP430F5438為核心的餐廳服務機器人控制系統總體設計方案;該方案采用模塊化方法完成了控制系統硬件電路設計，主要包括：主控模塊、電源及管理模塊、運動控制模塊、無線通信模塊、導航定位模塊、安全避障模塊和人機交互模塊等;介紹了控制系統軟件的總體流程，完成了控制系統嵌入式軟件的設計;實驗結果表明，所設計的控制系統應用于餐廳服務機器人可以實現送餐的功能，控制效果良好，實用性強，具有顯著的推廣應用價值。

餐廳服務機器人；送餐；控制系統

0 引言

隨著社會老齡化問題日趨加劇，社會人力成本不斷增長，各行各業普遍面臨著成本上漲和招工難等問題，特別是規模不斷擴大的餐飲業，雖然不斷提高服務人員的工資待遇，但仍然存在招工難的問題，其主要原因是服務人員的工作單調辛苦，年輕人不愿意從事此類工作[1-2]。

隨著科學技術的迅速發展，機器人正逐步從傳統的工業應用領域走進人們的日常生活[3]。服務機器人作為機器人的一個新的發展方向，是當前機器人應用研究領域的難點和重點，也是今后很長一段時間內機器人發展的主要方向[4]。中國在服務機器人研究領域起步較晚，與日本、美國、德國等發達國家存在的差距較大[5]。作為機器人市場占有量最大的國家，中國正高度重視機器人技術和產業的發展[6]。因此，餐廳服務機器人的研究與開發變得十分必要。

本文提出了一種餐廳服務機器人控制系統，在接收上位機發送送餐指令后，可控制餐廳服務機器人運動到目標餐桌，實現自主送餐功能。

1 控制系統總體設計

圖1所示為餐廳服務機器人控制系統總體設計框圖，餐廳服務機器人系統可分為機械結構系統、嵌入式系統、終端機監控系統等。

圖1 機器人控制系統總體設計框圖

圖2 機器人結構分布圖

機器人結構分布如圖2所示，機器人頭部位置安裝的器件有語音報警模塊和LED顯示模塊；在軀干部分安裝的器件有紅外測距傳感器、觸摸屏模塊以及開關、急停按鈕；下肢部分為中空設計，便于布線；在底盤部位安裝的器件有底盤模組、驅動模塊、紅外傳感器模塊、導航定位模塊、主控板模塊和電源模塊等。

餐廳服務機器人控制系統總體結構框圖如圖3所示。

圖3 機器人控制系統總體結構框圖

控制系統由主控模塊、電源及管理模塊、運動控制模塊、無線通信模塊、導航定位模塊、安全避障模塊和人機交互模塊組成[7]。主控模塊以微控制器MSP430F5438為核心；電源及管理模塊包括電池和電池電量監測模塊，為其他模塊提供可靠穩定的電能并及時反饋電量信息；運動控制模塊包括電機、電機驅動器和編碼器，接收主控制信號并驅動電機完成尋跡功能；無線通信模塊用于實現機器人與終端機系統的無線通信；導航定位模塊包括地標讀取模塊和磁導航傳感器模塊，實現機器人定位和導航；安全模塊使用紅外測距傳感器，監測障礙物，保障安全；人機交互模塊包括語音報警模塊、LED顯示模塊及觸摸屏模塊，其中語音報警模塊用于機器人遇到障礙物時語音報警以及送餐時對客戶的溫馨提示，LED顯示模塊可顯示不同的圖案或文字，作裝飾使用，觸摸屏模塊用于顯示目標餐桌編號及機器人運行狀態信息。

2 控制系統硬件設計

2.1 主控模塊設計

本文選用TI公司的MSP430F5438微控制器作為核心。該主控芯片處理數據能力強，是16位微控制器，主頻最高可達18 MHz；超低功耗，工作電壓2.2～3.6 V，適合工作于電池供電的系統；芯片端口資源豐富，I/O口數量眾多，成本低，性價比高。

主控芯片資源分配圖如圖4所示，通過USCI串口通信模塊UART模式實現異步串行通信和語音播報、LED及觸摸屏顯示、地標讀取；通過帶中斷能力的P1和P2口接收紅外傳感器和編碼器反饋信號；通過具有捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_B產生電機驅動信號，驅動底盤小車電機；通過多路I/O口接收功能指令按鍵、磁導航傳感器及電壓等信息。

圖4 主控芯片資源分配圖

2.2 電源及管理模塊設計

電源及管理模塊電路電壓分配如圖5所示，由圖可知，電源模塊包括：電池、24 V穩壓模塊和電源轉換模塊。

圖5 控制系統電源模塊電路圖

對于主控芯片，供電電壓為3.3 V，先采用二極管1N4007進行整流、穩壓二極管1N4148進行穩壓及旁路濾波電容進行濾波，然后采用1個隔離型DC/DC轉換模塊HZD10W-24S05將電池24 V轉換為5 V，再由1塊TPS7333芯片將5 V轉換為3.3 V供給主控芯片。

電壓檢測模塊，用于實時監測機器人電量信息，防止電量過低損傷電池。采用精密電阻分壓，通過檢測分壓電阻兩端電壓計算電池電壓，電源電壓檢測電路如圖6所示。

圖6 電源電壓檢測電路

2.3 運動控制模塊設計

運動控制模塊主要包括：電機、電機驅動器和編碼器。

直流電機結構簡單，調速效果好，控制方式簡單，選用直流電機驅動機器人運動。

餐廳服務機器人總質量為m=60 kg，最大運行速度為v=0.2 m/s，機器人最大加速度為a=1 m/s2，驅動輪與地面摩擦系數μ=0.2，驅動輪半徑為r=0.05 m，機械傳動效率η=0.8，則機器人運動功率為:

(1)

在啟動過程中，還需要考慮靜摩擦力，取靜摩擦系數k=1.5，默認兩個電機特性完全一致，則單個直流電機功率為：

(2)

單個直流電機所需轉矩為：

T=fr=μmgr=0.2×60×9.8×0.05=5.88N·m

(3)

單個直流電機所需轉速為：

(4)

經過市場調研，最終選用maxon公司的24 V、70 W、5 530 r/min、78.2 mN·m的RE36-118798直流電機和配套的103:1齒輪箱型以及maxon光電編碼器HEDL5540。

直流電機采用脈寬調制控制，通過主控芯片MSP430F5438定時器Timer_B產生PWM控制信號，經過SN74HCT245芯片，電平由+3.3 V轉換成+5 V信號輸出，完成信號電平的轉換后提供給DC24RT40BL-PC3型直流電機驅動器。通過調節PWM信號的占空比來控制直流電機正反轉及旋轉速度[8]。PWM輸出接口電路如圖7所示。

圖7 PWM輸出接口電路圖

光電編碼器集電極開路輸出，所以其輸出信號均需通過上拉電阻上拉至5 V，而主控芯片端口的輸入電壓最大不允許超過+3.6 V，所以必須對編碼器信號進行電平轉換，將+5 V電平信號轉換為+3.3 V電平信號，編碼器輸入接口電路如圖8所示。

圖8 編碼器輸入接口電路圖

2.4 無線通信模塊設計

無線通信模塊電路如圖9所示，通過主控芯片MSP4-30F5438的USCI_A串行接口以RS485協議通信，用MAX3485芯片實現電平轉換，將主控芯片輸出的TTL電平轉換為RS485差分信號。

圖9 RS485通信電路圖

2.5 導航定位模塊設計

導航定位模塊主要由磁導航傳感器和地標讀取模塊構成。本文選用深圳佳順偉業科技有限公司的型號為CA-16型磁導航傳感器，其供電電壓為+24 V，輸出為+5 V高低電平信號。因為有16路I/O信號，所以需要2片SN74HCT245進行轉換，磁導航傳感器信號電平轉換電路如圖10所示。地標讀取模塊選用北京芯拓未來機器人科技公司的CCF-RFID1傳感器，感應距離0～5.5 cm，輸出接口為RS232或RS485，設計的地標讀取模塊接口電路圖與圖9相同。

圖10 磁導航傳感器信號電平轉換電路圖

2.6 安全避障模塊

安全避障模塊選擇歐姆龍E3Z-D62紅外光電開關，+12～+24 V供電，有效檢測范圍為0～1 m。紅外測距傳感器用于檢測機器人前方障礙物，保障就餐人員安全，安全避障模塊接口電路圖如圖11所示。

圖11 安全避障模塊接口電路圖

2.7 人機交互模塊

人機交互模塊包括語音報警模塊、LED顯示模塊及觸摸屏模塊，分別選用深圳艾智威科技有限公司的艾智威音樂報警器、深圳雨藝光電有限公司的LED顯示模塊和深圳顯控自動化技術有限公司SK系列觸摸屏。四個模塊均采用串口通信，接口電路圖與圖10相同。

3 控制系統軟件設計

機器人控制系統嵌入式軟件主要針對微控制器MSP430F5438進行設計，基于IAR Embedded Workbench for MSP430，采用C語言開發，主要包括主函數、電機控制模塊和無線通信模塊。

主函數主要包括系統初始化和對子程序的調用等。初始化包括時鐘、I/O端口、定時器、串口、AD采集等初始化。初始化完成后，進入while(1)循環，等待中斷，即等待上位機發送的控制命令，當接收到控制命令后，開中斷，解析命令并執行相應動作，執行完相應動作后繼續等待下一個命令。主函數流程如圖12所示。

圖12 主函數流程圖

電機控制模塊設計如圖13所示，電機控制包括速度控制和方向控制。速度控制采用分區PID控制算法，周期為100 ms。方向控制利用磁導航傳感器檢測信息計算方向偏移量作為誤差，采用PD控制算法，進行方向控制。

圖13 電機控制模塊設計框圖

嵌入式系統無線通信包括接收終端機指令信號和向終端機發送狀態信息。其中接收終端機指令信號通過無線信號中斷觸發，每10 ms定時發送一次，波特率115 200 bps。終端機向嵌入式系統下發指令包括送餐指令和啟動/停止指令。控制命令通過數據幀的形式發送，格式為：“幀頭+內容+幀尾”，餐廳服務機器人控制指令協議如表1所示。

機器人控制系統上位機監控軟件基于Windows操作系統設計，主要包括餐廳服務機器人操作平臺和機器人運行狀態監控平臺兩個界面。其中餐廳服務機器人操作平臺主要包括：選擇餐桌編號、給機器人發送送餐指令以及停止、啟動、監控等

表1 控制命令協議

輔助按鍵。機器人運行狀態監控平臺用于監控機器人運動狀態，主要包括：餐廳示意圖、模擬機器人位置、機器人狀態和機器人速度設置等。

4 控制系統實驗

在實驗中，通過上位機向機器人發送送餐命令“0xfb 0x01 0x00 0xfb”，機器人從起始位置出發，沿著磁條鋪設的線路向目標餐桌移動。在運動過程中，遇到障礙物，機器人停止運動并語音播報“請您讓一讓”。當機器人到達目標餐桌，停止并語音播報“請享用美味”，按下確定按鈕，機器人開始返回初始位置。在整個過程中，每隔10 ms機器人向終端機發送狀態信息。

結果表明：機器人在所設計的控制系統控制下，能夠準確地完成終端機下發的送餐任務并返回等待區，并及時向上位機反饋機器人狀態信息。

5 結語

本文設計并實現了一種以微控制器MSP430F5438為核心的餐廳服務機器人控制系統，該控制系統采用模塊化方法設計，包括：主控模塊、電源及管理模塊、運動控制模塊、導航定位模塊、安全避障模塊、無線通信模塊和人機交互模塊等。各模塊間相互配合，較好地完成了餐廳環境下機器人自主送餐的功能。實驗結果表明所設計的控制系統，控制效果良好，具有顯著的推廣應用價值。

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Design and Implementation of Control System for a Restaurant Service Robot

Cai Junjie1,Wu Yifei2, Xu Hangyu3, Zhang Wei4

(School of Automation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Through the analysis of demand about the restaurant service robot control system, an overall design scheme of the restaurant service robot control system with MCU MSP430F5438 as the core is proposed. The control system hardware circuit is designed by a modular design method, mainly including the main control module, power supply and management module, motor control module, wireless network communication module, navigation module, safe obstacle avoidance module and human-computer interaction module. The overall flow of the control system software is introduced and the embedded software of the control system are designed. Experiment results show that the designed control system applied to the restaurant service robot can achieve the function of meal delivery service and has good control effect, strong practicability and significant application value.

restaurant service robot;food delivering;control system

2016-04-07；

2016-06-21。

國家自然科學基金(61304136)。

蔡俊杰(1991-)，男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要從事機器人控制方向的研究。

1671-4598(2017)02-0077-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.021

TP311

A