基于高精度的校園送餐機(jī)器人的設(shè)計

劉睿

摘要：隨著物質(zhì)生活的提高，人們越來越依賴足不出戶的生活方式。就快遞行業(yè)來說，存在配送難、配送慢、配送人力高的痛點問題。高校學(xué)生因排隊難，導(dǎo)致放棄吃飯直接去課堂的情況屢見不鮮，嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)效率和身心健康。因此，研發(fā)一個能上樓能定位教室的送餐機(jī)器人刻不容緩。

關(guān)鍵詞：校園;送餐;機(jī)器人;設(shè)計

基金項目：貴州省教育廳質(zhì)量提升工程項目-數(shù)智交通協(xié)同創(chuàng)新中心。

一、概述

當(dāng)今社會，市場對各行各業(yè)的要求越來越高，每個行業(yè)的每個崗位的分工也越來越精細(xì)化。物質(zhì)生活水平的提高，逐漸暴露出人性的懶惰，人們不斷嘗試用所謂的“模擬人”去完成那些單調(diào)、枯燥或是危險的事情、而借助機(jī)器人來替代我們工作是恰逢其時。

二、市場現(xiàn)狀

學(xué)生飲食現(xiàn)狀。大學(xué)校園各種新鮮的手機(jī)應(yīng)用充斥著我們的學(xué)習(xí)和娛樂。大學(xué)生常常會有晚睡早起、空腹上課、飲食不規(guī)律的情況。大多數(shù)學(xué)生因晚起而沒有足夠的時間吃早餐，課程嚴(yán)格考勤，學(xué)生通常匆匆趕去課堂，四節(jié)課后早餐和中餐合在一起吃;也有學(xué)生因飲食不規(guī)律到正常飯點而不吃飯，隨后饑餓發(fā)生在課堂，嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)效率;也有學(xué)生不愿意排長隊，每天這只吃一餐，暴飲暴食容易患消化道疾病，會影響大腦發(fā)育及反應(yīng)遲鈍。

人工智能現(xiàn)狀。中國人工智能發(fā)展十分迅速，2017年中國的市場規(guī)模約70億美元，前五年的年均增長率達(dá)到28%。據(jù)統(tǒng)計，工業(yè)智能機(jī)器人連續(xù)五年占據(jù)全球行業(yè)的交易頭牌，在快遞及餐廳服務(wù)行業(yè)，國內(nèi)外的快遞機(jī)器人和餐廳機(jī)器人都有商業(yè)應(yīng)用場景落地。例如：普渡科技的“歡樂頌”送餐機(jī)器人、大陸科技的“大陸”送餐機(jī)器人、愛沙尼亞星艦科技“星艦”快遞機(jī)器人、餓了么“萬小餓”快遞機(jī)器人。

市場需求。機(jī)器人送餐充滿科技感和時代感，同時也存在著巨大的市場需求。智能機(jī)器人可以節(jié)約等候時間提供便捷的優(yōu)質(zhì)送餐服務(wù)，幫助食堂商家自我宣傳及拓寬銷路，帶動企業(yè)利潤最大化，最終達(dá)到三方共贏。

三、總體設(shè)計

校園送餐機(jī)器人采用STM32主控芯片，前面兩輪安裝飛機(jī)輪、后面兩輪安裝單向輪，既平穩(wěn)結(jié)實又方便轉(zhuǎn)彎。硬件由電機(jī)驅(qū)動組件群、傳感器組件群、通信組件群構(gòu)成;軟件設(shè)計采用QT框架和cocos2d-x框架及C++語言。[1]

四、技術(shù)難題

目前，全球智能機(jī)器人在商業(yè)上已落地，循跡、避障、調(diào)速等技術(shù)環(huán)節(jié)基本實現(xiàn)應(yīng)用需求，理論研究上正在探究數(shù)據(jù)處理響應(yīng)速度、過程處理平穩(wěn)程度、電子羅盤抗干擾能力。但在解決樓層空間高度定位和教室平面GPS的精準(zhǔn)度上仍沒有可靠的解決辦法。[2]

平面精度。國內(nèi)，通常使用美國GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和中國BDS北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，前者衛(wèi)星覆蓋廣、數(shù)據(jù)分析模型完善、信號穩(wěn)定性強(qiáng);后者安全性高、國內(nèi)定位精度準(zhǔn)、使用成本低。盡管近幾年來GPS據(jù)有全球視野、算法不斷優(yōu)化、北斗的衛(wèi)星數(shù)量增多，國內(nèi)精確理論值達(dá)到2.34米，但兩者都受基于空間冗余數(shù)據(jù)的分析的最小二乘和基于時間冗余數(shù)據(jù)的分析的卡爾曼濾波算法的影響，在不同經(jīng)度和維度表現(xiàn)出來定位誤差波動很大。

空間高度。高程是指某沿鉛垂線方向到絕對基面的距離，簡單來說就是空間高度，各地區(qū)對高程的測量方式不一樣。高程的精度會隨著維度的增加逐步減少，在南北緯45°間的地區(qū)GPS和BDS的精度較高，均在5-10米范圍浮動;在45°以上中高緯地區(qū)，水平方向的定位精度低于高程方向，DBS的精度低于GPS精度，這是由衛(wèi)星數(shù)量和監(jiān)控站數(shù)量決定。[3]

五、設(shè)計特色

1、平面技術(shù)特色

問題概述：考慮到教室外走廊和教室內(nèi)課桌復(fù)雜的平面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)是無法找到教室大門再找到學(xué)生的具體座位，將外賣精確送貨到桌。在所有的走廊鋪設(shè)磁條路徑成本過高，采用紅外反射技術(shù)也會受到光線強(qiáng)度或地面顏色的影響;采用基于欄格法的環(huán)境地圖建模也不適用在平面尺寸不統(tǒng)一的建筑物中，試錯成本較高，容易出現(xiàn)碰撞機(jī)器人的情形。[4]

解決方案：機(jī)器人的循跡主要依托2D激光雷達(dá)SLAM同步定位與地圖構(gòu)建，配合GPS和BDS雙系統(tǒng)算法上進(jìn)行誤差矯正和精度優(yōu)化，找到教室門口此時機(jī)器人停止等待指令。增加RFID技術(shù)，在機(jī)器人頂部和底部安裝RFID讀寫器，讀取地板及天花板的隱形二維碼，規(guī)劃路線教室里課桌的位置來循跡及避障，最終送貨到桌。送餐過程平穩(wěn)，減少人送餐出現(xiàn)的視覺影響，提升了科技信息化的帶入感。[5]

2、空間技術(shù)特色

問題概述：在教室等建筑物中，框架結(jié)構(gòu)復(fù)雜及建筑材料厚度，無論是那種定位系統(tǒng)都不能檢測出具體高程距離，這也給送餐機(jī)器人判斷樓層產(chǎn)生瓶頸;傳統(tǒng)的藍(lán)牙或wifi技術(shù)，組網(wǎng)也會受到阻隔而信號衰減;采用爬樓機(jī)器人，保溫箱托盤里的食物有顛簸的風(fēng)險，這也不是首選辦法。

解決方案：送餐機(jī)器人不與電梯直接接觸，避免機(jī)械故障破壞電梯美觀，而是與電梯進(jìn)行不接觸信息交互。當(dāng)機(jī)器人來到電梯前，電梯RFID讀卡器接收到機(jī)器人前面自帶的RFID電子標(biāo)簽信息，升降梯立即響應(yīng)來到此層開門，機(jī)器人通過底部灰度傳感器判斷電梯是否安全，以免出現(xiàn)開門后沒地板踩空墜落引起二次事故發(fā)生，進(jìn)門后機(jī)器人通過上方和下方的紅外傳感器向電梯發(fā)送指令選擇樓層。

參考文獻(xiàn)

[1]成俊，謝存.基于Turtlebot的送餐機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]湖北理工學(xué)院學(xué)報，2019，35（4）：29-32

[2] 陳新欣.基于STM32的示教型送餐機(jī)器人的設(shè)計[J]科學(xué)創(chuàng)新導(dǎo)報，2019（15）：13-15

[3] 杜玉軍等.北斗系統(tǒng)在遠(yuǎn)洋及南極地區(qū)的定位性能分析[J]極地研究，2015，27（1）：91-97

[4] 嚴(yán)文娟、費樹岷.列車用送餐機(jī)器人路徑規(guī)劃研究及軟件設(shè)計[J]軟件導(dǎo)刊，2019，18（9）：27-29

[5] 張博等.淺談基于ROS的送餐服務(wù)機(jī)器人[J]科學(xué)與信息化， 2020（18）：176-177