校園快遞機器人的設計與實現(xiàn)

計雅婷 劉暢言 郭誠 王元茂

摘要：隨著網絡的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網、云計算等相關技術都得到廣泛應用。在此背景下，人工智能產業(yè)的發(fā)展成為必然的趨勢。與此同時，聯(lián)動之下互聯(lián)網帶動了電商行業(yè)和快遞服務行業(yè)的發(fā)展。快遞的發(fā)展引起的一系列問題已經成為人們最關心的問題。該課題主要研究在現(xiàn)有的機器人技術下，制作校園快遞機器人，也為解決快遞行業(yè)快遞服務滯后的問題。

關鍵詞：校園快遞；大學生需求；機器人；單片機；3D打印

中圖分類號：TP18 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）28-0040-03

1 設計背景

21世紀的科技水平已經不可同日而語，由于人們對科技行業(yè)的不斷探索與追求，科學技術發(fā)展水平全面提升，全世界的科技領域也在不斷向新的領域進發(fā)，新的科技形勢也在向我們揮手，這對整個世界的科學技術的發(fā)展和人類智慧的進步都產生了很大的而且深遠的影響。同樣，在中國，越來越多高科技產品橫空出世，科學家們對自動化技術的研究讓機器人的出現(xiàn)變得不那么難以接受。隨著機器人相關的科學技術的進步，各種各樣功能的機器人被創(chuàng)造出來以滿足人們在各個領域的需求。機器人技術被普遍認為將會成為未來最具商業(yè)以及科技以及高技術之一，在計算機技術、網絡通信技術、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網等新技術發(fā)展的推動和帶領下， 機器人技術也正從傳統(tǒng)的大型工業(yè)制造領域向醫(yī)療器械、野外勘測、戶外救援、生物工程研究以及家庭服務等領域迅速擴展，所以便有更多擁有不同技術的機器人系統(tǒng)被科學家們進行深入的研究和開發(fā)[1]。

2019年11月19日，大家熟知的著名公司京東則在北京召開了全球科技探索者大會。在大會召開的過程中，京東集團的副總裁以及事業(yè)部總裁肖軍宣布了此次會議主要是介紹最新研發(fā)設備——配送機器人4.0，他說“和以前相比，這次集團里設計研發(fā)最新設備具有跨革命的科學技術研究開拓的意義，不僅實現(xiàn)了從最初的設計、研發(fā)、測試到正式運用于商業(yè)的歷史性跨越，同時無論是機器人相關算法的準確度或者是機器人智能識別和探測的精準率，還是各種不同配送環(huán)境的適應性以及匹配性，都得到了極大的提高”。由此可見快遞機器人的市場前景是大勢所趨。由此看來，快遞機器人行業(yè)的發(fā)展前景是非常光明的，同時在這個機器人的開發(fā)背景下，我們也可以更好地對快遞機器人展開更深入的研究[2] 。

中國國防科學技術大學已經研制開發(fā)了KDW系列雙足機器人，同時也研制了仿人機器人“先行者”。清華大學研制開發(fā)了仿人機器人THBIP-I。機器人在家庭生活、戶外救援、醫(yī)療器械、社會服務和交通運輸?shù)阮I域都有廣泛的應用前景。在這些領域，機器人需要在未知、復雜、不同的環(huán)境下完成不同類型的工作任務，這就對機器人的人機交互、移動系統(tǒng)、避障系統(tǒng)以及對環(huán)境的適應性都提出了更高的要求[3]。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 移動系統(tǒng)

校園快遞機器人使用的是常規(guī)輪式機器人，兩個常規(guī)輪，一個全方向輪。兩個常規(guī)輪可以進行前進和倒退，一個全方向輪可以在避障的時候快速旋轉改變機器人位置。系統(tǒng)是以檢測電磁線為基礎，通過單片機處理信號實現(xiàn)對車體控制，實現(xiàn)車體能夠準確沿著預設路徑尋跡。系統(tǒng)電路部分需要包括單片機控制單元、電機驅動電路等部分，除此之外系統(tǒng)還需要一些外部設備，例如編碼器測速、伺服器控制轉向直流電機驅動車體[4]。小車的程序主要采用順序結構，使用中斷向量進行嵌套控制，通過合理安排各個任務之間的執(zhí)行時間，提高程序的穩(wěn)定性和效率。

機器人在道路中的轉向是否及時準確以及路徑汽車姿態(tài)是否良好大部分決定于舵機轉向的好壞。單片機通過在道路上的位置進行電磁位置解算，計算出位置偏差和位置偏差率，繼而將這兩個量輸入到舵機轉向控制器，并儲存記憶上一次的若干數(shù)據(jù)，進而輸出某個PWM給舵機，讓舵機打角，完成舵機在道路中的轉向。總結原理如下：舵機轉向線程開始從道路位置開始結算，通過計算位置偏差和計算位置偏差率反復調試，由舵機轉向控制器輸出PWM到舵機，至此舵機轉向線程結束。

機器人的程序主要采用順序結構，使用中斷向量進行嵌套控制，通過合理安排各個任務之間的執(zhí)行時間，提高程序的穩(wěn)定性和效率。軟件主要包括功能如圖1所示。

機器人運行的基礎流程：開始是各模塊的初始化，接下來開啟攝像頭場中斷，繼續(xù)開啟中斷總開關，隨后檢測圖像采集標志位根據(jù)標志位判斷是否采集完成一幀圖像，中線處理獲得偏差使得PID運算舵機打角，從而獲得速度偏差，通過PID運算出電機占空比回到檢測圖像采集標志位這步，顯示參數(shù)然后返回到檢測圖像采集繼續(xù)之前的操作直到完成任務。

2.2 電路控制系統(tǒng)

整個智能車系統(tǒng)的核心結構是由作為主流機型的8位CPU和存儲器、定時計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、輸入輸出接口、總線和其他功能的器件組合在一塊芯片的51單片機。51單片機的使用，讓實現(xiàn)預期的性能指標成為可能。51單片機的芯片運行速度快，抗干擾能力強，且簡單易上手。整個電路的控制系統(tǒng)需要解決的問題在于如何實現(xiàn)小車的自動控制。對于這點，單片機就擁有很強的優(yōu)勢——控制簡單、方便、快捷。在這方面，單片機足以滿足快遞小車的設計需求。51單片機可靠性高、便于擴展、控制功能強、運行速度快、功耗低、體積小、抗干擾能力強、同時技術成熟且價格低廉。在單片機系統(tǒng)中，復位電路是必不可少的一環(huán)，因為在實驗過程中出現(xiàn)程序不正常運行或者死機、停止運行等問題是最有可能發(fā)生的，所以要提前解決這個問題。則需要利用復位電路進行下一步操作。MCS-51系列單片機的復位引腳RST（9管腳）出現(xiàn)24個時鐘以上的高電平，系統(tǒng)便立即執(zhí)行復位操作。同時單片機的復位操作可以是自動復位，也可以是手動復位。這樣便解決了如上問題。同時可以體現(xiàn)出單片機在整個電路中的重要性[5]。

2.3 路徑分析系統(tǒng)

按路徑可分為兩種情況：

第一種：靜態(tài)已知環(huán)境

首先收集機器人運行路段的相關數(shù)據(jù)，比如起始路徑以及驛站到宿舍樓下的固定障礙物所在位置，規(guī)劃出一條可以避免碰撞的路徑。

第二種：動態(tài)不確定環(huán)境

對于移動中的物體，比如來往的學生教師，車輛，機器人將會進行紅外掃描以及根據(jù)傳感器信息不斷更新周圍局部障礙物分布并自動避障且重新規(guī)劃路線。在重新規(guī)劃路線之前，需要對驛站到宿舍樓的路段進行唯一標記，使機器人在避障后能進行最短的移動路徑規(guī)劃，得到最優(yōu)路徑。另外機器人經過掃描承載貨物的高度和寬度進行路徑計算，確保在行駛的過程中不碰到來往的行人和車輛。最后控制機器人行駛速度，通過計算選擇適當?shù)乃俣惹斑M。

全局路徑規(guī)劃可以用以下兩種方法：

可視頂點圖法；根據(jù)障礙物的頂點建立，連接一個障礙物與另一個障礙物的頂點，最短路徑即經過障礙物頂點。

自由空間法：把機器人的工作空間分為自由空間和障礙物空間。在經過障礙物附近的時候它能對兩者空間的計算來保證最大允許誤差，避免與障礙物相碰。

3 樣機制作（3D打印技術）

本款產品是以3D建模技術為基礎的一款新型產品，先通過3D建模來構思機器人，設計出其主要的器件，如電池盒、萬向輪、螺柱、小車底板、馬達固定板、主板、萬向輪支架、萬向輪連接板、超聲波小板、紅外小板、舵機座、舵機、馬達、車輪等，然后運用3D建模命令以及具體的參數(shù)將它們組合起來進行繪制，便可以得到一個基本的模型，從而能夠充當實體機器人的一個模型。主要通過一些具體的指令來進行操作，例如在繪制小車底板時，則需要先繪制出小車底板的大致輪廓，然后點擊草圖繪制的矩形命令，給底板進行大小輪廓的確定，然后輸入相對的數(shù)值。同時對其四個角進行倒角設計，選中矩形的四條邊，然后點擊倒角，輸入相應的值，再通過拉伸切除功能繪制一些安裝孔，小車底板的設計便完成了[5]。

4 機器人存在的缺陷

本校園快遞機器人基于現(xiàn)有技術設計出來，具有很高的實用性，但是仍然存在較多的缺陷未能改進。缺乏安全的防盜技術，在無人看管機器人的情況下可能會使得機器人和其上的快遞的安全沒有保障，如果有心思不軌的人破壞機器人也無法及時阻止；定位沒有精確到點，目前個人的能力只能設計機器人運送快遞到寢室樓下把那一棟樓的快遞統(tǒng)一安放，沒法精確到具體樓層；成本雖然不高但是損壞率很高，因使用的材料屬于低成本的芯片和塑料板制作出的樣板，所以難免保證不了機器人的長期使用情況，需要定期去檢修；靈活性不高，機器上方的部位存放要運送的快遞件，大量快遞的堆積使得機器人的行動極其不便利，活動起來就無法避免靈活性不高的缺點；無法大規(guī)模普及充電樁，機器人使用的是電池補充能量的方法，校園內目前還沒有普及大規(guī)模的充電樁，運行中的機器人如果半路沒有電了，如何給其充電就成了一件麻煩事。

5 總結

通過對大學校園內的快遞投送的問題思考與分析，緩解快遞的配送難題、避免大學同學沒有時間取快遞的問題，以及某一時間段內取快遞的人群出現(xiàn)人流高峰期的問題。在國內技術現(xiàn)有的理論基礎上進行校園快遞這一模塊上的應用，進而研究出該校園快遞機器人。通過此課題的應用，不僅可以縮短學生用在取快遞上面的時間，也可以錯開人群高峰，進一步提升學生的生活效率和品質。另一方面，雖然技術和理論以及實際應用上仍然存在缺陷和不足，但是基本的設計方法已經實施了，在后期的研究發(fā)展中會進一步完善這些問題。

參考文獻：

[1] 王茹，牟維哲，劉敏，等.基于校園最后一公里的物流配送問題研究[J].北方經貿，2018（12）：74-77.

[2] 趙珣.以客戶為中心的第三方物流企業(yè)服務質量評價研究[J].商場現(xiàn)代化，2017（1）：29-30.

[3] 李寧，范婷婷.菜鳥物流的模式及發(fā)展分析[J].現(xiàn)代商業(yè)，2017（4）：20-21.

[4] 張寶寧，張洋.關于高校物流領和配送問題的探討——基于沈陽師范大學高校物流最后一公里項目的研究[J].科技視界，2019（31）：238-239，186.

[5] 張秋燕.關于智能快遞自提柜的研究及應用分析——以亞馬遜為例[J].科技廣場，2014（10）：141-145.

【通聯(lián)編輯：光文玲】