基于高精度的校園送餐機器人的設計

劉睿

摘要：隨著物質生活的提高，人們越來越依賴足不出戶的生活方式。就快遞行業來說，存在配送難、配送慢、配送人力高的痛點問題。高校學生因排隊難，導致放棄吃飯直接去課堂的情況屢見不鮮，嚴重影響學習效率和身心健康。因此，研發一個能上樓能定位教室的送餐機器人刻不容緩。

關鍵詞：校園;送餐;機器人;設計

基金項目：貴州省教育廳質量提升工程項目-數智交通協同創新中心。

一、概述

當今社會，市場對各行各業的要求越來越高，每個行業的每個崗位的分工也越來越精細化。物質生活水平的提高，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、枯燥或是危險的事情、而借助機器人來替代我們工作是恰逢其時。

二、市場現狀

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

人工智能現狀。中國人工智能發展十分迅速，2017年中國的市場規模約70億美元，前五年的年均增長率達到28%。據統計，工業智能機器人連續五年占據全球行業的交易頭牌，在快遞及餐廳服務行業，國內外的快遞機器人和餐廳機器人都有商業應用場景落地。例如：普渡科技的“歡樂頌”送餐機器人、大陸科技的“大陸”送餐機器人、愛沙尼亞星艦科技“星艦”快遞機器人、餓了么“萬小餓”快遞機器人。

市場需求。機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。智能機器人可以節約等候時間提供便捷的優質送餐服務，幫助食堂商家自我宣傳及拓寬銷路，帶動企業利潤最大化，最終達到三方共贏。

三、總體設計

校園送餐機器人采用STM32主控芯片，前面兩輪安裝飛機輪、后面兩輪安裝單向輪，既平穩結實又方便轉彎。硬件由電機驅動組件群、傳感器組件群、通信組件群構成;軟件設計采用QT框架和cocos2d-x框架及C++語言。[1]

四、技術難題

目前，全球智能機器人在商業上已落地，循跡、避障、調速等技術環節基本實現應用需求，理論研究上正在探究數據處理響應速度、過程處理平穩程度、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的精準度上仍沒有可靠的解決辦法。[2]

平面精度。國內，通常使用美國GPS全球衛星定位系統和中國BDS北斗衛星導航系統，前者衛星覆蓋廣、數據分析模型完善、信號穩定性強;后者安全性高、國內定位精度準、使用成本低。盡管近幾年來GPS據有全球視野、算法不斷優化、北斗的衛星數量增多，國內精確理論值達到2.34米，但兩者都受基于空間冗余數據的分析的最小二乘和基于時間冗余數據的分析的卡爾曼濾波算法的影響，在不同經度和維度表現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，水平方向的定位精度低于高程方向，DBS的精度低于GPS精度，這是由衛星數量和監控站數量決定。[3]

五、設計特色

1、平面技術特色

問題概述：考慮到教室外走廊和教室內課桌復雜的平面結構，傳統的定位系統是無法找到教室大門再找到學生的具體座位，將外賣精確送貨到桌。在所有的走廊鋪設磁條路徑成本過高，采用紅外反射技術也會受到光線強度或地面顏色的影響;采用基于欄格法的環境地圖建模也不適用在平面尺寸不統一的建筑物中，試錯成本較高，容易出現碰撞機器人的情形。[4]

解決方案：機器人的循跡主要依托2D激光雷達SLAM同步定位與地圖構建，配合GPS和BDS雙系統算法上進行誤差矯正和精度優化，找到教室門口此時機器人停止等待指令。增加RFID技術，在機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，減少人送餐出現的視覺影響，提升了科技信息化的帶入感。[5]

2、空間技術特色

問題概述：在教室等建筑物中，框架結構復雜及建筑材料厚度，無論是那種定位系統都不能檢測出具體高程距離，這也給送餐機器人判斷樓層產生瓶頸;傳統的藍牙或wifi技術，組網也會受到阻隔而信號衰減;采用爬樓機器人，保溫箱托盤里的食物有顛簸的風險，這也不是首選辦法。

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

參考文獻

[1]成俊，謝存.基于Turtlebot的送餐機器人控制系統的設計與實現[J]湖北理工學院學報，2019，35（4）：29-32

[2] 陳新欣.基于STM32的示教型送餐機器人的設計[J]科學創新導報，2019（15）：13-15

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

[4] 嚴文娟、費樹岷.列車用送餐機器人路徑規劃研究及軟件設計[J]軟件導刊，2019，18（9）：27-29

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