摘 要：為解決外賣配送“最后一公里”存在的一系列問題，實現(xiàn)真正的無接觸式配送，設(shè)計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的送餐機(jī)器人。機(jī)器人以STM32作為核心控制器，以卡片式電腦（Jetson Nano）作為ROS主控，通過激光雷達(dá)、IMU等多傳感器融合獲取外界信息并結(jié)合SLAM導(dǎo)航算法，實現(xiàn)機(jī)器人自主導(dǎo)航與實時定位，采用機(jī)械臂按電梯的方案實現(xiàn)機(jī)器人自主上下電梯，機(jī)械臂搭配深度攝像頭對電梯按鈕進(jìn)行精準(zhǔn)識別。同時機(jī)器人搭建了友好的人機(jī)交互系統(tǒng)，可通過液晶屏、語音模塊、微信小程序為機(jī)器人下達(dá)指令，并通過4G模塊連接云平臺，便于用戶通過微信小程序查看機(jī)器人當(dāng)前的狀態(tài)。測試結(jié)果表明，機(jī)器人能有效提供優(yōu)質(zhì)的送餐服務(wù)。

關(guān)鍵詞：送餐機(jī)器人；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；STM32；SLAM；ROS系統(tǒng)；微信小程序

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-00-04

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)平臺和餐飲行業(yè)的深度結(jié)合，餐飲外賣的交易額也在迅速增長。2015—2022年，我國線上外賣行業(yè)收入規(guī)模從490.7億上升至9 417億，增長超18倍。在線外賣占餐飲業(yè)收入比重從1.4%上升至21.4%。這意味著外賣市場規(guī)模巨大，外賣行業(yè)仍有較大的增長潛力[1-2]。

外賣服務(wù)如今已覆蓋人們生活的方方面面，但在外賣配送上樓方面仍存在一些問題，如在飯點高峰期，由于外賣配送單量較多，外賣員會因為等待電梯時間過長而耽誤配送。一些小區(qū)和公司為保證業(yè)主的人身安全和財產(chǎn)安全，禁止外賣員送餐上樓。隨著社會節(jié)奏的不斷加快，顧客對縮短外賣配送時間的需求不斷提高，針對上述問題，研究了一款可以將外賣配送上樓的送餐機(jī)器人，以提高外賣的配送效率。

本文介紹了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的送餐機(jī)器人，該機(jī)器人配備有一個六自由度機(jī)械臂，能夠控制機(jī)器人精準(zhǔn)按下電梯按鈕，通過多傳感器融合各方數(shù)據(jù)實現(xiàn)其在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行，用戶可以通過微信小程序與機(jī)器人通信。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

送餐機(jī)器人以STM32主控作為核心控制器，在Jetson Nano上運(yùn)行ROS操作系統(tǒng)，STM32下位機(jī)和ROS系統(tǒng)通過串口進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)和控制指令的交換。

STM32下位機(jī)負(fù)責(zé)采集里程計數(shù)據(jù)、IMU數(shù)據(jù)、電源電壓數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給ROS系統(tǒng)，同時將數(shù)據(jù)通過4G模塊發(fā)送到云平臺，根據(jù)ROS系統(tǒng)下發(fā)的指令利用PID算法控制電機(jī)。

Jetson Nano與激光雷達(dá)通過串口通信，ROS系統(tǒng)將底層傳感器數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)通過Cartographer算法融合，實現(xiàn)實時地圖構(gòu)建，并通過ROS系統(tǒng)自帶的功能包move_base實現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃，利用AMCL實現(xiàn)機(jī)器人實時定位，并將控制指令發(fā)送給底層下位機(jī)[3-4]。

人機(jī)交互系統(tǒng)包括液晶屏、語音識別模塊、語音播報模塊、喇叭，用于提供直觀的機(jī)器人狀態(tài)信息與人機(jī)交互功能。

送餐機(jī)器人自主上下電梯采用控制機(jī)械臂按下電梯按鈕的方案。機(jī)械臂配備有Astra Pro Plus 深度相機(jī)與 USB 攝像頭，將圖像信息特征及相關(guān)坐標(biāo)發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)通過姿態(tài)解算控制機(jī)械臂運(yùn)動，實現(xiàn)精準(zhǔn)觸碰。

通信模塊選用4G模塊。將送餐機(jī)器人的狀態(tài)信息發(fā)送到微信小程序，通過微信小程序遠(yuǎn)程控制送餐機(jī)器人。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

送餐機(jī)器人的硬件部分主要包括電源模塊、主控模塊、電機(jī)模塊、感知模塊、機(jī)械臂模塊、交互模塊，系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

2.1 電源模塊設(shè)計

送餐機(jī)器人的供電系統(tǒng)選用容量為6 000 mA·h的6 s動力鋰電池作為供電電源?？紤]到閉合電源開關(guān)時，會產(chǎn)生浪涌電壓，故選用TVS二極管對其進(jìn)行有效抑制。采用二極管設(shè)計成本較低的防反接電路，通過接入保險絲防止因電流過大導(dǎo)致電路短路。

采用德州儀器出品的DC/DC電源芯片LM2596設(shè)計降壓電路，該電路最大輸入電壓為40 V，最大負(fù)載電流為3 A，固定輸出電壓為5 V。該芯片具有高效率、低功耗的特點，可輸出穩(wěn)定的電壓。

選用LDO芯片AMS1117-3.3將5 V電壓穩(wěn)壓至3.3 V，該芯片最大輸入電壓為12 V，最大輸出電流為1 A，輸出電壓精度達(dá)2%，確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行。為了保證4G模塊穩(wěn)定運(yùn)行，采用單獨(dú)一路LDO降壓電路為4G模塊供電。

2.2 主控模塊設(shè)計

2.2.1 核心控制器

核心控制器用于控制機(jī)器人運(yùn)動、采集底層傳感器信息、進(jìn)行人機(jī)交互、與ROS系統(tǒng)通信、與微信小程序通信，因此需要大量的I/O接口。通過合理選擇控制器芯片，能夠有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體出品的STM32F407ZET6作為核心控制器，該控制器采用ARM Cortex-M4作為控制核心，工作頻率可達(dá)168 MHz，擁有144個I/O接口，同時還具有豐富的外設(shè)，如Encoder接口、TIM接口、USART接口、I2C接口、SPI接口、ADC接口等，能夠驅(qū)動機(jī)器人高效完成數(shù)據(jù)采集與處理任務(wù)，使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性[5]。

2.2.2 ROS主控

ROS主控用于運(yùn)行ROS系統(tǒng)進(jìn)行地圖構(gòu)建、機(jī)器人自主導(dǎo)航、圖像識別等任務(wù)，常見的ROS主控通常有樹莓派（Raspberry Pi 4B）和英偉達(dá)（Jetson Nano），兩者的參數(shù)對比見表1。

對比Raspberry Pi 4B和Jetson Nano的參數(shù)，Raspberry Pi 4B和Jetson Nano均使用了ARM CPU，Raspberry Pi 4B的Cortex-A72相比Jetson Nano的Cortex-A57擁有更低的功耗和更高的性能，因此Raspberry Pi 4B的CPU性能優(yōu)于Jetson Nano。在GPU方面，Raspberry Pi 4B采用的是Broadcom VideoCore V，Jetson Nano采用的是128CUDA core Maxwell，Jetson Nano配備的128CUDA core Maxwell GPU在數(shù)據(jù)處理和圖像采集等方面優(yōu)于Raspberry Pi 4B。由于送餐機(jī)器人需要進(jìn)行SLAM構(gòu)圖和圖像處理，于是在ROS主控選型時，更加側(cè)重于主控的GPU性能，故本文設(shè)計的送餐機(jī)器人采用Jetson Nano作為ROS主控[6]。

2.3 電機(jī)模塊設(shè)計

2.3.1 直流電機(jī)

機(jī)器人電機(jī)型號選用MD36P5，該電機(jī)的額定功率為35 W，支持供電電壓范圍為21～26 V，額定扭矩2.6 kg·cm，自帶高精度GMR編碼器，通過矯正后能夠提供精準(zhǔn)的里程信息。

2.3.2 電機(jī)驅(qū)動

選用D50A模塊進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動，該驅(qū)動器有兩路H橋，每路通道可以輸出12 A電流，可驅(qū)動7～24 V的直流有刷電機(jī)與機(jī)器人所使用的MD36P5電機(jī)。STM32通過PWM引腳和普通引腳控制電機(jī)。該驅(qū)動器具有豐富的保護(hù)電路，內(nèi)置欠壓、過壓、過熱、過流保護(hù)電路，控制信號與驅(qū)動器通過電氣隔離，具有較高的安全性。

2.4 感知模塊設(shè)計

2.4.1 陀螺儀

送餐機(jī)器人選用MPU6050傳感器感知姿態(tài)信息。MPU6050是一款6軸運(yùn)動處理傳感器，該傳感器集成了3軸MEMS陀螺儀、3軸MEMS加速度計、1個數(shù)字運(yùn)動處理器DMP和溫濕度傳感器，擁有2個I2C接口（通過I2C接口與STM32主控相連并通信）。由于溫度變化會導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)波動，因此由芯片內(nèi)部溫度傳感器采集芯片的工作溫度，并通過PID算法控制芯片溫度，使芯片穩(wěn)定工作。芯片內(nèi)置DMP，可以對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和姿態(tài)解算，降低了主控在運(yùn)動處理方面的負(fù)荷。該芯片具有測量精度高、集成度高、功耗低、功能強(qiáng)大等優(yōu)點。

2.4.2 激光雷達(dá)

根據(jù)傳感器的不同，SLAM可以分為激光SLAM、慣性導(dǎo)航SLAM、視覺SLAM。本文的送餐機(jī)器人選用激光SLAM，激光雷達(dá)選用鐳神M10P，采用TOF方案，具備更高的穩(wěn)定性，能夠得到25 m范圍內(nèi)360°環(huán)境下的二維信息，掃描頻率高達(dá)12 Hz，測量精度為±3 cm。該雷達(dá)不僅定位精度高，還支持網(wǎng)口數(shù)據(jù)傳輸。送餐機(jī)器人的激光雷達(dá)通過網(wǎng)口與Jetson Nano連接，使數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定、更迅速。

2.5 機(jī)械臂模塊設(shè)計

2.5.1 攝像頭

采用機(jī)械臂按電梯按鈕的方案實現(xiàn)了送餐機(jī)器人自主上下電梯的功能，機(jī)械臂要實現(xiàn)自主按電梯按鈕，除了獲取二維平面信息，進(jìn)行推理和處理得到按鈕的坐標(biāo)信息，還需要獲取每個像素點到攝像頭的距離數(shù)據(jù)，以獲得準(zhǔn)確的三維空間信息。因此機(jī)械臂配備的攝像頭選用Astra Pro Plus深度相機(jī)，深度相機(jī)通過USB 3.0和Jetson Nano連接。

2.5.2 舵機(jī)

機(jī)械臂選用ES08MD數(shù)字舵機(jī)。在4.8 V供電電壓下，扭矩可達(dá)1.6 kg·cm。ES08MD帶有數(shù)字控制器，可以通過PWM信號控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度。在舵機(jī)的控制電路中，選用SS8050三極管搭建開關(guān)電路，通過STM32輸出PWM信號到三極管的基極，控制三極管導(dǎo)通或截止；集電極與舵機(jī)控制引腳相接，從而控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動。采用三極管間接控制舵機(jī)，可以隔離控制信號（將STM32和舵機(jī)之間進(jìn)行電氣隔離），利于保護(hù)核心控制器。三極管可以放大信號，增加驅(qū)動電流，避免引腳驅(qū)動電流過低造成舵機(jī)無法工作的情況[7]。

2.6 人機(jī)交互模塊設(shè)計

為了提供友好的人機(jī)交互體驗，采用觸摸液晶屏、語音識別模塊LD3320、語音播報模塊SYN6288等組建7英寸LCD人機(jī)交互系統(tǒng)。7英寸LCD HDMI顯示屏通過HDMI線插入Jetson Nano的HDMI接口，可實現(xiàn)觸摸功能，也可為屏幕供電。語音識別模塊LD3320通過串口與STM32通信。語音播報模塊SYN6288通過串口與STM32通信。在模塊的SP引腳接上3 W/8 Ω的喇叭，將模塊的BH引腳與STM32的輸入引腳相連，可通過檢測引腳的電平獲取模塊的狀態(tài)。

4G模塊選用了移遠(yuǎn)公司出品的EC200S模塊，其下行速率為10 Mb/s，上行速率為5 Mb/s，采用獨(dú)立3.3 V電源為4G模塊供電。該模塊支持WiFi Scan定位，能夠提供機(jī)器人所在位置的經(jīng)緯度信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 核心控制器軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，配置和初始化系統(tǒng)時鐘、I/O、I2C、SPI、定時器、串口、ADC等外設(shè)接口，然后打開定時器中斷和串口中斷，通過串口向4G模塊發(fā)送AT指令，連接云平臺，設(shè)定每間隔500 ms便將機(jī)器人的狀態(tài)信息通過4G模塊發(fā)送到云平臺。

機(jī)器人采集傳感器數(shù)據(jù)前，通過ADC外設(shè)采集電壓檢測電路的電壓，將采集的電壓經(jīng)過換算得到鋰電池電壓，當(dāng)電壓小于22 V時，利用軟件失能電機(jī)，將電壓數(shù)據(jù)經(jīng)串口上發(fā)至ROS系統(tǒng)，并驅(qū)動語音播報模塊經(jīng)串口發(fā)送指令，播報電量不足的提醒。若電壓大于22 V，則通過I2C協(xié)議驅(qū)動MPU6050獲得機(jī)器人的姿態(tài)信息，讀取和清空硬件編碼器數(shù)據(jù)，并在讀取后將其換算為電機(jī)轉(zhuǎn)速。采集完傳感器數(shù)據(jù)后，將電壓信息、姿態(tài)信息、里程計信息通過協(xié)議打包發(fā)送給ROS系統(tǒng)。當(dāng)串口中斷收到ROS系統(tǒng)或者微信小程序下發(fā)的控制指令時，則進(jìn)入解析指令程序，根據(jù)通信協(xié)議解析下發(fā)的指令，得到機(jī)器人各軸期望的運(yùn)動速度，經(jīng)運(yùn)動解算得到四個電機(jī)的期望轉(zhuǎn)速，結(jié)合實際轉(zhuǎn)速通過PID算法得到四個電機(jī)的PWM占空比，然后輸出PWM信號至電機(jī)驅(qū)動模塊，從而實現(xiàn)對機(jī)器人的控制。核心控制器程序流程如圖3所示。

3.2 4G模塊軟件設(shè)計

要實現(xiàn)4G模塊上云，首先要在阿里云平臺創(chuàng)建產(chǎn)品和設(shè)備，并查看設(shè)備的三元組參數(shù)、IP地址、端口號，通過密碼生成軟件獲得MQTT連接密碼，之后修改MQTT的參數(shù)，經(jīng)由AT指令使4G模塊利用MQTT協(xié)議連接云平臺，此時可以在設(shè)備列表看到在線的設(shè)備。4G模塊只有訂閱相關(guān)主題，才能獲取云平臺發(fā)送的數(shù)據(jù)[8]。

3.3 微信小程序軟件設(shè)計

微信小程序通過云平臺和4G模塊通信，微信小程序通過MQTT協(xié)議連接云平臺，并訂閱相關(guān)主題，接收4G模塊發(fā)送的信息（云平臺相當(dāng)于信息中轉(zhuǎn)端）。外賣員可通過微信小程序填寫外賣信息，送餐訂單將根據(jù)手機(jī)號同步到用戶的微信小程序，實現(xiàn)無接觸投放。用戶通過微信小程序查看外賣的狀態(tài)信息。微信小程序界面如圖4所示[9-10]。

4 測 試

送餐機(jī)器人由鋁型材和亞克力板材組建，實物如圖5所示。為測試該機(jī)器人可否在顛簸路段行走，首先運(yùn)行送餐機(jī)器人的建圖功能，發(fā)現(xiàn)送餐機(jī)器人能夠進(jìn)行2D構(gòu)圖，并實時保存地圖，建圖效果如圖6所示。建圖完畢后，測試送餐機(jī)器人的整體功能，發(fā)現(xiàn)該機(jī)器人能夠精準(zhǔn)識別并按下電梯按鈕，實現(xiàn)自主上下電梯，圖像識別效果如圖7所示。同時，機(jī)器人還可自主導(dǎo)航，微信小程序能夠正常接收機(jī)器人的狀態(tài)信息，并控制機(jī)器人運(yùn)動。

5 結(jié) 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的送餐機(jī)器人具備2D地圖構(gòu)建、自主導(dǎo)航、實時定位、遠(yuǎn)程控制等功能，且穩(wěn)定性高、工作效率高、響應(yīng)速度快，能有效提供無接觸送餐服務(wù)。

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