基于餐廳服務機器人傳感器的完善研究

顧振濤 董鈞逸 張恒 郭二廓

摘要：近年來，由于服務機器人潛在的價值，我國也加強了在服務機器人領域的研究，并取得一定的成績，但是我國餐廳服務機器人雖然有著自動化高的優勢，但存在更多的如起步晚、智能化水平不高等等方面問題。在目前室內機器人定位技術不成熟，定位精度不能滿足機器人任務需求的大背景下，本項目研究旨在減少餐廳服務機器人在實際餐廳中的應用受到的較大限制，提升餐廳服務機器人的自動化、智能化水平，從而進一步的擴展市場化前景。以餐廳機器人為研究對象，并針對餐廳機器人在室內的導航定位問題，提出的基于磁傳感器等傳感器的服務型機器人導引控制方法，該方法通過安裝于機器人底部的磁傳感器感知地面上的磁條信息，使得機器人能夠按照預先設定的路徑運動，并完成相應的服務任務。

關鍵詞：磁傳感器;紅外傳感器;語音模塊;餐廳機器人

引言

研究服務型機器人具有廣泛的社會需求，必將成為本世紀最具潛力的應用領域之一。目前，世界主要發達國家都非常重視對服務機器人的研究，并將其列入國家的中遠期研究計劃，我國也在2006年將“智能機器人技術”列為863計劃專題，為服務機器人的研究提供有利支持。目前國內外的發展趨勢是發展一套具有自主性、適應性和交互性的綜合系統、集成了移動機器人技術、多任務集成、人機交互、多模態分析、路徑規劃等技術的服務型機器人。

一、利用磁傳感器和地標讀取模塊控制機器人的行徑

安裝磁傳感器在機器人的底部，并且和預埋磁條相互垂直。以機器人前進方向為參考正方向，磁傳感器安裝在機器人底盤的前部，以便于校正移動機器人行徑方向，來提前判斷并改正機器人錯誤的行進路徑信息。由于磁傳感器和磁條間的距離會會很大程度上影響路徑信息的準確度，因此在機器人底部磁傳感器上安裝高度調節裝置，通過不斷調整距離來提高精密度。

磁傳感器的設計如下：根據本項目的設計需求，采用一路方向磁感線檢測電路。由于餐廳送餐機器人的循跡是根據事先鋪設成的軟磁條實現，磁敏電阻檢測到的信號強度會根據磁條的磁場強度決定，考慮到軟磁條的磁條強度一般相對較小，因此在電路的輸出端設計了一個差分放大電路，為了增大磁敏傳感器輸出端的2路電壓差，以達到靈敏的檢測到磁場強度的目的。

導航系統的磁傳感器采用8路采樣點，每個采樣點都具有磁敏傳感器電路具有相應的差分放大電路和處理芯片。由于本系統采用的循跡軟磁條的寬是30mm，所以8路采樣點的每個芯片的間隔為10mm平均分布，檢測到磁條通過串口輸出數據，檢測狀態燈指示各采樣點檢測到信號。因此此設計可以在送餐機器人在送餐循跡時靈敏的檢測出磁條的位置，達到準確循跡的效果。

二、利用紅外避障傳感器來提高循跡的精確度

本項目采用的是紅外避障傳感器。紅外傳感器是對入射角敏感的光電傳感器，它的工作原理是利用物體的反射性質。當紅外線遭遇其他物體阻礙時，反饋回來來判斷距離，一般紅外傳感器選擇三角測量的方法來加以核算，從而得出精確的距離數值，并以一種較小的角度來測量，來提高其工作效率。

不同于傳統一般的紅外傳感器，本項目采用的是新型的紅外集成傳感器DRS3100，在具備高精度的避障運算的同時，也有能改善大部分紅外線傳感器由于采集點太少而導致的左右晃動的現象、減少一般紅外線傳感器在尋跡過程中不斷調整小車的運行角度導致電機停止運轉而產生的顫抖頻率和強度等諸多優點。

總的來說，當機器人需要躲避其阻擋物的情況下，就可以利用傳感器的作用來達到這一目的，進一步提高其效率。依靠紅外傳感器的作用，一旦察覺到外部產生阻礙，就能夠反饋至機器人、作出相應的處理。

三、通過語音模塊來實現語音點餐

本文設計的語音點餐系統主要由兩大部分構成，分別為：非特定人語音識別電路部分、主控MCU部分。其中語音識別電路采用的語音識別芯片為ICRoute公司的非特定人語音識別芯片LD3320，主控MCU選擇了STM32開發板。本文中的語音識別電路通過STM32開發板來調試，開發板的主控MCU型號是意大利半導體公司設計生產的STM32F103ZET6，語音識別電路和開發板的通信方式為SPI通信。

本文為了實現語音點餐采用的的芯片是MXH404語音芯片。本芯片的語音長度可達到40秒，最多達到80秒。有兩種音頻輸出方式，分別為PWM和DAC音頻輸出方式，最大可存放700個語音文件，并可加載62段地址的語音，擁有多種按鍵觸發方式，并具有多種可選擇的控制模式。在本設計中，主要采用的是按鍵控制模式，并通過STM32單片機的2口來觸發語音播報。

四、利用位姿檢測傳感單元來實時監控機器人和周圍環境信息

利用全姿態陀螺儀來獲取機器人當前的航向角、運動速度等信息，為了掌握周圍環境的信息，機器人通過無線局域網來讀取安裝在天花板攝像頭的視覺圖像，進一步實現對餐廳環境的實時監控。餐廳服務機器人采用雙目立體視覺系統識別定位環境中的特征目標，從而獲得有效的目標信息、做到精確的目標檢測。

五、實際運用價值和現實意義

本研究基于磁傳感器和地標讀取模塊控制機器人的行徑來改善餐廳服務機器人室內定位精度低、定位不穩定、存在著誤判斷等問題。通過使用語音系統實現語音點餐，一定程度上加快了點餐、送餐的智能化過程，也給顧客帶來了一定的娛樂性。實現多個服務機器人協調工作，比起人工服務做到了準確性與快速性和便利性，進而提高服務效率、整體運營效率，建立餐廳特色，打造餐廳品牌，創造更多的社會價值。實現餐廳智能機器人化可以減少工作人員的數量，最大程度上減少餐廳運營成本、亦能減少人口老齡化導致的勞動力不足對服務業產生的不利影響。