顾振涛 董钧逸 张恒 郭二廓

摘要：近年来，由于服务机器人潜在的价值，我国也加强了在服务机器人领域的研究，并取得一定的成绩，但是我国餐厅服务机器人虽然有着自动化高的优势，但存在更多的如起步晚、智能化水平不高等等方面问题。在目前室内机器人定位技术不成熟，定位精度不能满足机器人任务需求的大背景下，本项目研究旨在减少餐厅服务机器人在实际餐厅中的应用受到的较大限制，提升餐厅服务机器人的自动化、智能化水平，从而进一步的扩展市场化前景。以餐厅机器人为研究对象，并针对餐厅机器人在室内的导航定位问题，提出的基于磁传感器等传感器的服务型机器人导引控制方法，该方法通过安装于机器人底部的磁传感器感知地面上的磁条信息，使得机器人能够按照预先设定的路径运动，并完成相应的服务任务。

关键词：磁传感器;红外传感器;语音模块;餐厅机器人

引言

研究服务型机器人具有广泛的社会需求，必将成为本世纪最具潜力的应用领域之一。目前，世界主要发达国家都非常重视对服务机器人的研究，并将其列入国家的中远期研究计划，我国也在2006年将“智能机器人技术”列为863计划专题，为服务机器人的研究提供有利支持。目前国内外的发展趋势是发展一套具有自主性、适应性和交互性的综合系统、集成了移动机器人技术、多任务集成、人机交互、多模态分析、路径规划等技术的服务型机器人。

一、利用磁传感器和地标读取模块控制机器人的行径

安装磁传感器在机器人的底部，并且和预埋磁条相互垂直。以机器人前进方向为参考正方向，磁传感器安装在机器人底盘的前部，以便于校正移动机器人行径方向，来提前判断并改正机器人错误的行进路径信息。由于磁传感器和磁条间的距离会会很大程度上影响路径信息的准确度，因此在机器人底部磁传感器上安装高度调节装置，通过不断调整距离来提高精密度。

磁传感器的设计如下：根据本项目的设计需求，采用一路方向磁感线检测电路。由于餐厅送餐机器人的循迹是根据事先铺设成的软磁条实现，磁敏电阻检测到的信号强度会根据磁条的磁场强度决定，考虑到软磁条的磁条强度一般相对较小，因此在电路的输出端设计了一个差分放大电路，为了增大磁敏传感器输出端的2路电压差，以达到灵敏的检测到磁场强度的目的。

导航系统的磁传感器采用8路采样点，每个采样点都具有磁敏传感器电路具有相应的差分放大电路和处理芯片。由于本系统采用的循迹软磁条的宽是30mm，所以8路采样点的每个芯片的间隔为10mm平均分布，检测到磁条通过串口输出数据，检测状态灯指示各采樣点检测到信号。因此此设计可以在送餐机器人在送餐循迹时灵敏的检测出磁条的位置，达到准确循迹的效果。

二、利用红外避障传感器来提高循迹的精确度

本项目采用的是红外避障传感器。红外传感器是对入射角敏感的光电传感器，它的工作原理是利用物体的反射性质。当红外线遭遇其他物体阻碍时，反馈回来来判断距离，一般红外传感器选择三角测量的方法来加以核算，从而得出精确的距离数值，并以一种较小的角度来测量，来提高其工作效率。

不同于传统一般的红外传感器，本项目采用的是新型的红外集成传感器DRS3100，在具备高精度的避障运算的同时，也有能改善大部分红外线传感器由于采集点太少而导致的左右晃动的现象、减少一般红外线传感器在寻迹过程中不断调整小车的运行角度导致电机停止运转而产生的颤抖频率和强度等诸多优点。

总的来说，当机器人需要躲避其阻挡物的情况下，就可以利用传感器的作用来达到这一目的，进一步提高其效率。依靠红外传感器的作用，一旦察觉到外部产生阻碍，就能够反馈至机器人、作出相应的处理。

三、通过语音模块来实现语音点餐

本文设计的语音点餐系统主要由两大部分构成，分别为：非特定人语音识别电路部分、主控MCU部分。其中语音识别电路采用的语音识别芯片为ICRoute公司的非特定人语音识别芯片LD3320，主控MCU选择了STM32开发板。本文中的语音识别电路通过STM32开发板来调试，开发板的主控MCU型号是意大利半导体公司设计生产的STM32F103ZET6，语音识别电路和开发板的通信方式为SPI通信。

本文为了实现语音点餐采用的的芯片是MXH404语音芯片。本芯片的语音长度可达到40秒，最多达到80秒。有两种音频输出方式，分别为PWM和DAC音频输出方式，最大可存放700个语音文件，并可加载62段地址的语音，拥有多种按键触发方式，并具有多种可选择的控制模式。在本设计中，主要采用的是按键控制模式，并通过STM32单片机的2口来触发语音播报。

四、利用位姿检测传感单元来实时监控机器人和周围环境信息

利用全姿态陀螺仪来获取机器人当前的航向角、运动速度等信息，为了掌握周围环境的信息，机器人通过无线局域网来读取安装在天花板摄像头的视觉图像，进一步实现对餐厅环境的实时监控。餐厅服务机器人采用双目立体视觉系统识别定位环境中的特征目标，从而获得有效的目标信息、做到精确的目标检测。

五、实际运用价值和现实意义

本研究基于磁传感器和地标读取模块控制机器人的行径来改善餐厅服务机器人室内定位精度低、定位不稳定、存在着误判断等问题。通过使用语音系统实现语音点餐，一定程度上加快了点餐、送餐的智能化过程，也给顾客带来了一定的娱乐性。实现多个服务机器人协调工作，比起人工服务做到了准确性与快速性和便利性，进而提高服务效率、整体运营效率，建立餐厅特色，打造餐厅品牌，创造更多的社会价值。实现餐厅智能机器人化可以减少工作人员的数量，最大程度上减少餐厅运营成本、亦能减少人口老龄化导致的劳动力不足对服务业产生的不利影响。