基于高精度的校园送餐机器人的设计

刘睿

摘要：随着物质生活的提高，人们越来越依赖足不出户的生活方式。就快递行业来说，存在配送难、配送慢、配送人力高的痛点问题。高校学生因排队难，导致放弃吃饭直接去课堂的情况屡见不鲜，严重影响学习效率和身心健康。因此，研发一个能上楼能定位教室的送餐机器人刻不容缓。

关键词：校园;送餐;机器人;设计

基金项目：贵州省教育厅质量提升工程项目-数智交通协同创新中心。

一、概述

当今社会，市场对各行各业的要求越来越高，每个行业的每个岗位的分工也越来越精细化。物质生活水平的提高，逐渐暴露出人性的懒惰，人们不断尝试用所谓的“模拟人”去完成那些单调、枯燥或是危险的事情、而借助机器人来替代我们工作是恰逢其时。

二、市场现状

学生饮食现状。大学校园各种新鲜的手机应用充斥着我们的学习和娱乐。大学生常常会有晚睡早起、空腹上课、饮食不规律的情况。大多数学生因晚起而没有足够的时间吃早餐，课程严格考勤，学生通常匆匆赶去课堂，四节课后早餐和中餐合在一起吃;也有学生因饮食不规律到正常饭点而不吃饭，随后饥饿发生在课堂，严重影响学习效率;也有学生不愿意排长队，每天这只吃一餐，暴饮暴食容易患消化道疾病，会影响大脑发育及反应迟钝。

人工智能現状。中国人工智能发展十分迅速，2017年中国的市场规模约70亿美元，前五年的年均增长率达到28%。据统计，工业智能机器人连续五年占据全球行业的交易头牌，在快递及餐厅服务行业，国内外的快递机器人和餐厅机器人都有商业应用场景落地。例如：普渡科技的“欢乐颂”送餐机器人、大陆科技的“大陆”送餐机器人、爱沙尼亚星舰科技“星舰”快递机器人、饿了么“万小饿”快递机器人。

市场需求。机器人送餐充满科技感和时代感，同时也存在着巨大的市场需求。智能机器人可以节约等候时间提供便捷的优质送餐服务，帮助食堂商家自我宣传及拓宽销路，带动企业利润最大化，最终达到三方共赢。

三、总体设计

校园送餐机器人采用STM32主控芯片，前面两轮安装飞机轮、后面两轮安装单向轮，既平稳结实又方便转弯。硬件由电机驱动组件群、传感器组件群、通信组件群构成;软件设计采用QT框架和cocos2d-x框架及C++语言。[1]

四、技术难题

目前，全球智能机器人在商业上已落地，循迹、避障、调速等技术环节基本实现应用需求，理论研究上正在探究数据处理响应速度、过程处理平稳程度、电子罗盘抗干扰能力。但在解决楼层空间高度定位和教室平面GPS的精准度上仍没有可靠的解决办法。[2]

平面精度。国内，通常使用美国GPS全球卫星定位系统和中国BDS北斗卫星导航系统，前者卫星覆盖广、数据分析模型完善、信号稳定性强;后者安全性高、国内定位精度准、使用成本低。尽管近几年来GPS据有全球视野、算法不断优化、北斗的卫星数量增多，国内精确理论值达到2.34米，但两者都受基于空间冗余数据的分析的最小二乘和基于时间冗余数据的分析的卡尔曼滤波算法的影响，在不同经度和维度表现出来定位误差波动很大。

空间高度。高程是指某沿铅垂线方向到绝对基面的距离，简单来说就是空间高度，各地区对高程的测量方式不一样。高程的精度会随着维度的增加逐步减少，在南北纬45°间的地区GPS和BDS的精度较高，均在5-10米范围浮动;在45°以上中高纬地区，水平方向的定位精度低于高程方向，DBS的精度低于GPS精度，这是由卫星数量和监控站数量决定。[3]

五、设计特色

1、平面技术特色

问题概述：考虑到教室外走廊和教室内课桌复杂的平面结构，传统的定位系统是无法找到教室大门再找到学生的具体座位，将外卖精确送货到桌。在所有的走廊铺设磁条路径成本过高，采用红外反射技术也会受到光线强度或地面颜色的影响;采用基于栏格法的环境地图建模也不适用在平面尺寸不统一的建筑物中，试错成本较高，容易出现碰撞机器人的情形。[4]

解决方案：机器人的循迹主要依托2D激光雷达SLAM同步定位与地图构建，配合GPS和BDS双系统算法上进行误差矫正和精度优化，找到教室门口此时机器人停止等待指令。增加RFID技术，在机器人顶部和底部安装RFID读写器，读取地板及天花板的隐形二维码，规划路线教室里课桌的位置来循迹及避障，最终送货到桌。送餐过程平稳，减少人送餐出现的视觉影响，提升了科技信息化的带入感。[5]

2、空间技术特色

问题概述：在教室等建筑物中，框架结构复杂及建筑材料厚度，无论是那种定位系统都不能检测出具体高程距离，这也给送餐机器人判断楼层产生瓶颈;传统的蓝牙或wifi技术，组网也会受到阻隔而信号衰减;采用爬楼机器人，保温箱托盘里的食物有颠簸的风险，这也不是首选办法。

解决方案：送餐机器人不与电梯直接接触，避免机械故障破坏电梯美观，而是与电梯进行不接触信息交互。当机器人来到电梯前，电梯RFID读卡器接收到机器人前面自带的RFID电子标签信息，升降梯立即响应来到此层开门，机器人通过底部灰度传感器判断电梯是否安全，以免出现开门后没地板踩空坠落引起二次事故发生，进门后机器人通过上方和下方的红外传感器向电梯发送指令选择楼层。

参考文献

[1]成俊，谢存.基于Turtlebot的送餐机器人控制系统的设计与实现[J]湖北理工学院学报，2019，35（4）：29-32

[2] 陈新欣.基于STM32的示教型送餐机器人的设计[J]科学创新导报，2019（15）：13-15

[3] 杜玉军等.北斗系统在远洋及南极地区的定位性能分析[J]极地研究，2015，27（1）：91-97

[4] 严文娟、费树岷.列车用送餐机器人路径规划研究及软件设计[J]软件导刊，2019，18（9）：27-29

[5] 张博等.浅谈基于ROS的送餐服务机器人[J]科学与信息化， 2020（18）：176-177