基于機器視覺的餐廳機器人設計

作者/尚博陽，河南理工大學電氣工程與自動化學院

基于機器視覺的餐廳機器人設計

作者/尚博陽，河南理工大學電氣工程與自動化學院

本文設計研制了一款可以遠程控制，并提供“送餐”、“點餐”和“支付”功能的餐廳機器人。該系統以Cortex—A9四核處理芯片為處理核心，運行Linux系統，配合雙目攝像頭的機器視覺技術實現了機器人分辨地面與行人，桌椅等障礙物，并對其規避，同時具有智能送餐、點餐、支付等功能。該機器人可輔助或代替餐廳的服務員，從而幫助餐廳降低運營成本，同時滿足了現代人對智能生活的追求，增加顧客興趣。

餐廳機器人；Cortex—A9四核處理芯片；機器視覺

引言

現階段我國人均工資仍處于并將長期處于上升階段，且陷入了人口老齡化、勞動力短缺的困境，服務業成本持高不下。與此同時，我國機器人產業正蓬勃發展，成為了制造業的核心?，F已經出現餐廳機器人，例如一些餐廳機器人是按照設定的軌跡進行移動，這樣對道路的流通造成相當大的不便，使原本的高端產品出現弊端。如何使餐廳機器人的自動循跡更加智能化是個亟待解決的問題。本文便以Cortex—A9四核處理芯片為主控芯片，配合雙目攝像頭進行設計與研究。

1. 系統總體設計

為實現餐廳機器人智能分辨行人與障礙物并對其規避，同時具有送餐、點餐、支付等功能，考慮采用單片機配合外圍電路來實現。單片機考慮采用Cortex—A9四核處理芯片，該處理芯片代替龐大的計算機主板最為處理核心，運行Linux系統，價格低廉，運行功率小且效率高。整個系統由數據采集模塊、主控模塊、驅動模塊、信息交互模塊、電源模塊。整個系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2. 系統硬件設計

2.1 電源模塊設計

該餐廳機器人中所采用的各種主控板與驅動電路，由5V電壓供電即可滿足，但由于部分外設所需的驅動的電流過大接近于3A，故綜合考慮，電源模塊需選擇LM2576系列開關穩壓集成電路。該系列產品的最大輸出電流為3A，輸出電壓由3.3V、5V、12V、15V和ADJ可選?？紤]到電源模塊需向多個外設進行供電和電壓轉換，為保證設計的穩定運行，采用三個電源模塊為不同的電路進行供電。

2.2 驅動電路設計

為實現機器人的自主移動與智能送餐，所要求該機器人的反應能力應與常人無異，故對機器人的電機驅動電路有甚高的要求?？紤]于此，該設計的驅動電路采用BTN7971，和bts7960共同構成。其中，BTN7971需提供5V電源輸出；SEN是整個驅動板的使能，同時控制6個半橋；SAIN1和SAIN2控制電機A；SBIN1和SBIN2控制電機B；SCIN1和SCIN2控制電機C；ADC是通過精密電阻分壓，讓單片機采集供電電壓，以防止電池供電不足?？刂剖纠校弘姍CA正轉，占空比50%：SAIN2輸入低電平SAIN1輸入占空比50%的PWM，電機A反轉，占空比20%：SAIN2輸入高電平SAIN1輸入占空比80%的PWM。

2.3 數據采集模塊硬件設計

為保證餐廳機器人的準確運行，需保證餐廳機器人所采集的數據可靠有用。故設計數據采集模塊包括雙目攝像頭、測距模塊、人體檢測模塊；其中，雙目攝像頭用于將機器人所處環境進行圖像識別與采集，并將所采集到的圖像信息傳送到主控模塊；測距模塊用于測量機器人本體與周圍障礙物的距離，并將此距離傳送給主控模塊，主控模塊會將信息進行處理，從而避免機器人與障礙發生碰撞；人體檢測模塊用于檢測上述雙目攝像頭所看到的障礙物是否為人，將檢測到的信息傳送到主控模塊，主控模塊處理上述雙目攝像頭和人體檢測模塊所采集到的信息后，發送下一步機器人所要執行的指令。數據采集模塊硬件構成圖如圖2所示。

2.4 信息交互模塊硬件設計

為保證使用者與機器人之間的信息可靠傳輸，設計信息交互模塊包括無線傳輸模塊、語音交互模塊和觸摸顯示屏；語音交互模塊用于將使用者所傳達的信息采集，并傳送到主控模塊進行處理，語音交互模塊接收主控模塊處理后的信息進行反饋給使用者，且語音交互模塊放置在機器人的胸口處，便于與使用者進行信息交互；無線傳輸模塊用于接收主控模塊所處理過后的信息，并將其傳送給服務臺，便于服務臺做出服務，服務臺也可通過向無線傳輸模塊發送信息，再將信息返回主控模塊，由主控模塊處理之后，將信息傳送到觸摸顯示屏，由觸摸顯示屏進行呈現，且無線傳輸模塊分兩個部分，一個放置于機器人內部，另一個則設置于服務臺，便于機器人與服務臺進行溝通；觸摸顯示屏用來呈現語音交互模塊和主控模塊傳遞給使用者的信息，其中包括菜單、語音對話、餐廳建議功能。信息交互模塊如圖3所示。

圖2 數據采集模塊電路構成圖

圖3 顯示裝置與單片機的連接圖

3. 系統軟件設計

該餐廳機器人可輔助或代替餐廳的服務員，從而幫助餐廳降低運營成本，用于餐廳中對顧客進行服務，可以實現餐廳內智能路徑選擇與執行和點餐的一種機器人，代替了傳統的人工服務員。系統上電后，主控模塊通過數據采集模塊采集的信息來判斷檢測機器人所處于的路況與餐桌的序號，當數據采集模塊采集到的信息送到主控模塊進行判斷時，主控模塊根據內部算法會自動判斷餐廳內的路況，機器人會根據機器學習來判斷眼前的是否為人，若是人且有大幅度移動則主控模塊則使機器人保持原狀，若是靜止的物體或人，在主控模塊根據采集到的信息進行路徑選擇，將執行命令發送給驅動模塊，驅動模塊中的電機執行機器人所選擇的路徑。

另外，主控模塊通過信息交互模塊發送顧客所點的菜單給前臺進行匯總，前臺通過信息交互模塊進行告知顧客，點餐成功。送餐時，通過驅動模塊中雙驅動輪的用不同轉速來進行路徑執行。

4. 核心技術

立體視覺匹配算法：世界空間中一點A(X，Y，Z)在左右攝像機的成像面Cl和Cr上的像點分別為al(ul，vl)和ar(ur，vr)。確定了這兩個共軛像點之后，分別作它們與各自相機的光心Ol和Or的連線，即投影線alOl和arOr，它們的交點即為世界空間中的對象點A(X，Y，Z)。圖4為立體視覺調試示意圖。

圖4 立體視覺調試示意圖

5. 結束語

基于Cortex—A9四核處理芯片為處理核心的一種基于機器視覺的餐廳機器人設計，從硬件電路的設計開始，到零件的組裝，最后到程序的調試，最終實現了所述所有功能。經餐廳現場測試，該餐廳機器人可良好的代替餐廳人工服務人員，并且前來就餐人員對該機器人產生了極大興趣，對其進行進一步改善，相信很快可以投入市場運營。

＊ [1]李寒．基于機器視覺的番茄多目標提取與匹配[D]．農業工程學報，2012

＊ [2]陳若望．機器視覺中圖像匹配問題研究[J]．現代電子技術，2011

＊ [3]徐曉明．基于SVM機器學習的仿真網格資源調度模型[D]．武漢理工大學學報，2013