学校是人群密集地方，尤其在早餐、午餐和晚餐时间，大量学生聚集在食堂。在就餐高峰时期，为节省购餐用餐时间、提高学习效率和工作效率，减轻食堂的就餐压力，为此设计一款校园内智能送餐机器人，从而很好地为学生在宿舍和食堂就餐提供生活便利。

一、 智能送餐机器人的总体设计方案

智能送餐机器人外形上采用分层式结构，由智能车底盘和放餐夹层组成。底盘由单片机底层控制芯片，树莓派中央处理器、 TB6612FNG电机驱动芯片，激光雷达、XL4015可调电源模块、IMU姿态传感器、超声波传感器、近红外传感器以及里程计传感器等模块，可以实现自主导航、自动避障、雷达建图、多点导航等功能。整体底盘较底，采用两轮差速结构，运行稳定性好，外观设计良好。放餐夹层分为两层，为PP材质，底部配有天然橡胶防滑垫，具有无毒无味、耐热性好、易清洁、不易变色等优点。系统总体设计方案如图1所示。

图1系统总体设计方案图

二、激光雷达导航

智能送餐机器人雷达导航采用激光雷达传感器TOF(time of flight)方案，能够对周围 360°环境进行二维扫描探测。使用无线供电和光通讯，测量重频4.5KHz。 探测精度达到±3cm，最远探测距离为12米。通过测量调制激光的发射、返回时间差来测量物体与传感器的相对距离。 激光发射器发出调制脉冲激光，内部定时器开始从 t1 时刻计算时间，当激光照射到目标物体后，部分能量返回，当雷达接收到返回的激光信号时，在 t2 时刻停止内部定时器计时，光速 C，激光雷达到达物体的距离 D 为：

D = C*（t2-t1）/2                     （1）

送餐机器人的激光雷达具有良好的指向性和高度聚焦性，能实现导航和定位功能，对周边的物件可以进行定位（包括确定障碍物大小、障碍物和机器人的距离等），主要用于实现稳定、精准、高频的距离测量功能，激光雷达配合SLAM算法，帮助送餐机器人实现定位和地图创建，能让配送机器人在未知环境中实时了解自身位置，同步绘制环境地图，是送餐机器人实现路径规划的前提。

三、送餐机器人姿态控制设计

智能送餐机器人中的姿态传感器采用MPU9250模块。该模块是含有三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器，分别有16位模数转换器（ADC），数字输出X、Y和Z轴角速度、加速度，用户可编程范围广，对于快速和慢速运动的精确追踪。送餐机器人在行驶过程中，系统发送速度指令给底层控制器，控制机器人的运动状态。姿态在行进时可能会遇到各种地形或者各种障碍。这时即使机器人的驱动装置采用闭环控制，也会由于轮子打滑等原因造成机器人偏离设定的运动轨迹，并且这种偏移是电机旋转编码器无法测量到的。这时就必须依靠姿态传感器来测量这些偏移，并做必要的修正，以保证机器人行走的方向不至偏离。图2是MPU9250姿态传感器电路。  

图2 姿态传感器电路图

四、超声避障模块设计

智能送餐机器人中的超声避障传感器采用MB1043模块，其拥有精确测距、低功耗、抗噪音干扰能力强的特点，能够提供高精度和高分辨率的超声波接近检测。在配送途中，送餐机器人很难一直保持绝对的平稳和稳定，探测系统也很难精确地探测出其真实距离。有时物体可能太小，而无法将足够多的声波反射回要检测的传感器。单个超声波避障传感器很难对整个面进行检测，而且超声波避障模块具有扩散性，同时对在不同介质中的传播速度也会变得不稳定。考虑上述情况，该设计在避障方面选择多个超声波避障模块共同协作运行。

五、结论

智能送餐机器人采用树莓派（ROS系统）和STM32F103为主，激光雷达传感器、超声波传感器、电机驱动等单元模块为辅。可以实现机器人的自动避障、自主导航、自动调速和自身定位等功能。在校园内，真正做到让学生足不出户就能吃到食堂美食。经过实际测试，智能送餐机器人实现了预期的功能。

参考文献：

[1]倪学礼等.基于单片机的送餐机器人设计[J].中国科技信息,2022(06):87-89.

[2]许量为等.校园智能送餐机器人的设计与实现[J].中国新技术新产品,2021(22):15-17.

[3]张家弘. 送餐机器人设计研究[D].北京交通大学,2021.

基金项目：2022年广东省大学生创新创业训练计划项目——“疫情下的校园内智能送餐机器人设计与研究”（S202213719019）；2023年，广东科技学院质量工程项目“电子信息工程——一流专业”（GKZLGC2023156）。