陈 涛 张煊赫 余 春

（重庆交通大学 信息科学与工程学院，重庆400074）

1 系统硬件结构设计

本设计的服务机器人由10 个硬件功能模块构成，分别是电机驱动模块，用以实现机器人的正常行进；陀螺仪模块，结合PID 算法用以实现机器人的稳定行进；RFID 射频模块，用以识别指定轨迹上的定位卡，实现机器人在配送终点的精确停靠；循迹模块，用以机器人对轨迹的边缘检测，实现机器人轨迹行进的稳定性，不脱轨、不偏轨；GSM 模块，用以实现机器人在到达目的寝室后，向下单人发送短信验证码，确定取货人身份；键盘输入和LCD显示屏，用于取货人输入4 位短信验证码和显示输入；无线通信模块，用于机器人与管理终端和客户终端的实时通信，实现管理人员和客户对机器人实时位置的查看；电磁锁和继电器模块，用于打开和关闭货箱，实现开箱关箱的电控过程，系统硬件结构图如图1 所示。

2 系统主要模块

2.1 RFID 射频模块

本设计中对于目的寝室和机器人实时定位采用了室内普遍使用的RFID 技术，定位方案为机器人车载RFID RC522 射频模块，轨道铺设RFIDIC 卡电路，在机器人行进的过程中能够高效地读取当前位置并根据IC 卡编号判断是否为终点寝室位置，从而控制机器人继续前进或者在当前位置停止。RC522 是一种非接触式的读写卡芯片，数据传输速率非常高，适合应用于机器人快速行驶中进行识别。

2.2 循迹模块

本设计循迹模块采用TCRT5000 传感器，利用红外光探测，具有高灵敏度、高抗干扰、性能稳定等特性。轨迹使用6cm 宽白线，所以采用5 路TCRT5000 传感器进行轨迹边缘检测，当发生脱轨、偏轨等情况时，进行检测纠正。

2.3 无线通信模块

本设计机器人与管理员终端的无线通信采用NRF24L01 无线收发模块，此模块使用2.4G 通信技术，拥有全双工、透明传输方式、高速率迟延小、不限包长、大数据传输、性能优异等特点。能够实现机器人将实时位置信息快速传回管理员终端的功能，并且能够将管理员终端的控制信息同时高速传输至机器人端，实现机器人的实时位置监控与配送流程反馈。

图1 系统硬件系统图

2.4 陀螺仪模块

在机器人行驶过程中，最为重要的姿态判断分析传感器即为陀螺仪传感器，通过陀螺仪机器人可以分析出当前行驶的偏航角度，并结合PID 算法及时作出调整，保证机器人行驶的稳定。在机器人行驶，三维空间中通过判断Z 轴角度，即机器人车体的航偏角，即可判断机器人是否行驶为直线，而Z 轴在运动情况下有累积误差。因为Z 轴角度是通过对角速度积分计算出来的，没有观测量滤波，所以漂移是不可避免的。X，Y 轴是有重力场滤波，所以不会有漂移，Z 轴只能用短时间内的相对测量量。所以相对于MPU-6050 裸电路，我们选用基于MPU-6050 芯片的HWT101 陀螺仪模块，此陀螺仪模块相对于裸电路，此模块输出高精度的单轴石英晶体(水晶)陀螺仪，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出产品当前的实时运动姿态;且采用数学积分及运动估算，解算出高精度旋转角度，避免出现大幅度误差;使用了先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。模块内部集成了姿态解算器，能够在动态环境下精准输出产品的当前姿态，姿态测量静态精度0.1 度，稳定性极高。通过后期的测试，完成30 分钟的机器人配送任务陀螺仪Z 轴角度累计误差<1°，不影响机器人的正常配送过程。

3 系统机械结构设计

配送机器人采用了车型机器人的结构，机械结构主要包括了车体底盘部件、顶部货箱部件以及矩阵按键与LCD 显示屏。机器人车体底盘车轮按照同边同接进行控制安装，即同一边的车轮转速采取同一PWM 波进行调制，保持大致相同转速，方便控制。车体底盘选用金属材质，保证其强度和载货稳定度，在调试过程中，进行碰撞测试时，保证其刚度和碰撞强度。车体轮胎选用内填泡沫型，能够对车体进行缓冲，保证其行驶过程中过障的稳定性，以增强其对地形的适应性。

机器人整体架构采用了三层结构，上层搭建配送货箱，并嵌入键盘矩阵和LCD 显示屏，实现一体化，将货箱置于顶层有利于用户进行输入取货码、取货等操作；中层放置机器人电路模块、续航电池并搭建整体电路，保证了电路运行的稳定性和隐秘性，减少外界对电路的破坏，并且作为中层，有利于对顶层和底层模块进行供电和控制；底层放置了RFID 射频模块和循迹模块，主要是基于这些模块的识别和检测距离，有利于循迹模块对行驶轨迹的边缘检测，RFID 射频模块对轨道IC 卡的识别。

4 算法系统设计

机器人配送主要过程如图2 所示，首先等待管理员终端的配送信号，客户下单之后，管理员对订单进行查看，将货物装入机器人货箱中，发送开始配送信号。机器人接收到开始信号后，开始循迹前进，并同时识别轨道IC 卡，判断当前寝室是否为送货终点，若为终点，则停止前进，向用户预留手机号码发送验证码短信，等待用户取货。用户通过键盘输入验证码，若错误则重新发送短信，若正确则打开货箱。在货箱关闭之后，则自动返程，返回发货起点，完成一单货物配送，如图2。

4.1 通信协议制定

机器人与管理员终端使用无线通信模块进行通信，该模块的特点是全双工透传模式，本设计通信过程也采用这种模式。但在通信过程中，双方采取的接收和发送方式不同，且开发环境不同，所以采用的传输数据格式、解析方式、传输速率也十分重要。本设计在传输中采取9600bps 速率的串口透传，根据电脑终端通过串口发送时，需要将帧头设置为0x00 数据的特点，同时，电脑终端需要向机器人传输1 位寝室号信息、11 位预留电话号码信息、4 位取货码信息，需要信息包括16 字节数据，所以制定电脑终端向机器人数据传输一帧为19 字节，其中包括2 字节帧头，作为数据信息开始标志，16 字节数据信息，以及1 字节帧尾，作为每帧数据结束标志，以此规定数据传输协议，如表1所示。

表1 通信协议数据格式

4.2 机器人运动算法——PWM 调制

对于机器人运动采用的主要控制策略为通过控制电机的电压，即可控制电机达到指定的转速。本设计中的机器人采用了4个电机，即4 个电机转速相同时，即可使机器人前进、后退；右行走轮系转速大于左行走轮系时，即可使机器人右转；左转同理。本设计采用PWM 调制的方法来控制电机的转速。对于机器人的主控芯片STM32 而言，可以采用STM32 自带的定时器做为脉宽控制定时方式，以此产生的脉冲宽度非常精确，误差范围仅在微秒级别采用的L298N 电机驱动模块，控制单个电机使用3 个引脚，分别为2 个电平输出引脚和1 个电机使能引脚，所以只需将使能引脚接入STM32 的一个定时器控制引脚，采用PWM 调制，控制STM32 输出信号的占空比，控制电机驱动模块的使能性，即可在电机端输出不同的电压，完成对不同电机的调速。

4.3 行驶稳定性——PID 算法

由于机器人运行的环境不同，同时电机安装的硬件稳定性也不同，所以仅仅采用PWM调制方式对机器人的行走进行控制远远不够，即使电机转速相同，机器人行驶过程中可能会偏离指定方向。为了使机器人更加稳定地行驶，本设计采用陀螺仪测量结合PID 算法控制的方式。相较于常用的增量式和位置式PID 控制算法，增量式PID 算法得出的控制量对应的是近几次与目标误差的增量，而不是位置式PID 控制算法得出的实际位置和预期位置的偏差，采用增量式PID 算法能够在本设计获得比较好的控制效果，同时，当系统突发问题时，增量式不会严重影响系统的工作。本设计采用以机器人动力系统作为类比，陀螺仪模块为测量器，增量式PID 算法根据陀螺仪测量偏离角度数据和初始化三大系数输出调整的PWM 调制波控制车轮转速，减小偏角，再测量偏角，构成闭环反馈系统，完成对机器人行驶过程中方向的控制，使机器人以直线行驶，提高其行驶稳定性。

结束语

本自动配送服务机器人通过STM32 主控芯片控制其行进与通信，经过陀螺仪和PID 算法控制机器人稳定行进，依靠RFID射频和循迹模块准确定位，进行指定路线配送与返程。经测试，目前机器人能够胜任对单个用户下单的精准配送，完成自主配送、自动返回，整个系统能够完成用户网上下单、管理员接单、机器人自动配送并返回的整体过程。对后续也将对机器人的结构和算法进行升级，使本自动配送服务机器人能够同时完成多任务的配送，提升整体效率，以便更好地服务于人类。

图2 硬件系统图