CN103335652B - 一种机器人的餐厅路径导航***及导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人路径导航技术领域，公开了一种机器人的餐厅路径导航***及导航方法。该机器人的餐厅路径导航***包括：控制模块、触摸屏和步进电机；其中，所述控制模块分别连接触摸屏和步进电机；所述触摸屏用于显示餐厅坐标点；用于确定机器人初始位置对应的餐厅坐标点；用于从机器人初始位置对应的餐厅坐标点开始，依次输入多个顺序相邻的餐厅坐标点；用于输入停留数据；用于将所述路径数据和停留数据发送至控制模块；所述控制模块用于根据所述路径数据和停留数据生成对应的脉冲信号，用于将所述脉冲信号发送至步进电机中；所述步进电机用于根据脉冲信号驱动机器人的轮毂，使机器人运动。

Description

一种机器人的餐厅路径导航***及导航方法

技术领域

本发明属于机器人路径导航技术领域，特别涉及一种机器人的餐厅路径导航***及导航方法。

背景技术

随着科技的进一步发展，机器人技术开始逐渐进入人们的视野，而在目前的机器人***中，通常采用视觉伺服控制***完成导航，但是对于环境比较规则和接触对象比较多的场景，一方面视觉伺服控制***稳定度不高，另一方面视觉伺服控制成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种机器人路径导航***及导航方法。本发明具有障碍物检测、人物辨别、阻行提示音、工作提示音以及壁障提示等功能

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种机器人的餐厅路径导航***，其特征在于，包括：控制模块、触摸屏和步进电机；其中，所述控制模块分别连接触摸屏和步进电机；

所述触摸屏用于显示餐厅坐标点；用于根据机器人在餐厅中的初始位置，确定机器人初始位置对应的餐厅坐标点；用于从机器人初始位置对应的餐厅坐标点开始，依次输入多个顺序相邻的餐厅坐标点；用于输入停留数据；用于将路径数据和停留数据发送至控制模块；所述餐厅坐标点共有m*n个，m为餐厅坐标点的列数，n为餐厅坐标点的行数，m和n均为大于1的自然数；所述路径数据包括所述多个顺序相邻的餐厅坐标点和多个顺序相邻的餐厅坐标点的输入顺序；所述停留数据包括机器人停留点位置对应的餐厅坐标点和机器人停留点的停留时间；所述多个顺序相邻的餐厅坐标点包括机器人停留点位置对应的餐厅坐标点；

所述控制模块用于根据所述路径数据和停留数据生成对应的脉冲信号，用于将所述脉冲信号发送至步进电机中；

所述步进电机用于根据脉冲信号驱动机器人的轮毂，使机器人运动。

本发明的特点和进一步改进在于：

所述一种机器人的餐厅路径导航***，还包括：霍尔传感器、角速度传感器和加速度传感器，所述控制模块分别连接霍尔传感器、角速度传感器和加速度传感器；

所述霍尔传感器用于在机器人运动的过程中测量机器人的瞬时线速度，用于将机器人的瞬时线速度发送至控制模块；所述角速度传感器用于在机器人运动的过程中测量机器人的瞬时角速度，用于将机器人的瞬时角速度发送至控制模块；所述加速度传感器用于在机器人运动的过程中测量机器人的加速度，用于将机器人的加速度发送至控制模块；所述控制模块用于根据机器人的瞬时线速度、瞬时角速度和加速度，并用于采用航姿推算定位法获得机器人的位置和角度。

所述一种机器人的餐厅路径导航***，还包括分别连接控制模块的至少两个超声波传感器，其中，至少一个超声波传感器位于机器人前部，至少一个超声波传感器位于机器人的左侧；位于机器人前部的超声波传感器用于检测位于机器人前方的障碍物；位于机器人左侧的超声波传感器用于检测位于机器人左侧的障碍物。

所述一种机器人的餐厅路径导航***，还包括分别连接控制模块的至少两个热释电传感器，所述至少两个热释电传感器均用于检测机器人前方是否有人体辐射的红外线。

技术方案二：

一种机器人的餐厅路径导航方法，基于权利要求1所述的一种机器人路径导航***，包括以下步骤：

S1：在触摸屏中显示餐厅坐标点，根据机器人在餐厅中的初始位置，确定机器人初始位置对应的餐厅坐标点；从机器人初始位置对应的餐厅坐标点开始，依次将多个顺序相邻的餐厅坐标点输入至触摸屏；并将停留数据输入至触摸屏；触摸屏将路径数据和停留数据发送至控制模块；所述餐厅坐标点共有m*n个，m为餐厅坐标点的列数，n为餐厅坐标点的行数，m和n均为大于1的自然数；所述路径数据包括所述多个顺序相邻的餐厅坐标点以及将多个顺序相邻的餐厅坐标点输入至触摸屏的先后顺序；所述停留数据包括机器人停留点位置对应的餐厅坐标点和机器人停留点位置对应的停留时间；所述多个顺序相邻的餐厅坐标点包括机器人停留点位置对应的餐厅坐标点；

S2：控制模块根据所述路径数据和停留数据生成对应的脉冲信号，将所述脉冲信号发送至步进电机中；

S3：步进电机根据脉冲信号驱动机器人的轮毂，使机器人运动。机器人会按照停留数据进行停留。

本发明的特点和进一步改进在于：

在步骤S3中，每隔设定时间，所述控制模块采用航姿推算定位法获得机器人的位置和角度，然后对机器人的位置和角度进行校正；所述控制模块采用航姿推算定位法获得机器人的位置和角度的过程如下：在机器人运动的过程中，利用霍尔传感器测量机器人的瞬时线速度，将机器人的瞬时线速度发送至控制模块；

在机器人运动的过程中，利用角速度传感器测量机器人的瞬时角速度，将机器人的瞬时角速度发送至控制模块；

在机器人运动的过程中，利用加速度传感器测量机器人的加速度，将机器人的加速度发送至控制模块；

控制模块获取机器人的瞬时线速度、瞬时角速度和加速度，采用航姿推算定位法获得机器人的位置和角度。

在步骤S3中，在机器人运动的过程中，当机器人前方存在障碍物时，利用位于机器人前部的超声波传感器获取机器人前方的障碍物分布信息，将障碍物分布信息发送至控制模块；控制模块依次向步进电机发送中断信号、右转信号和直行信号，步进电机首先停止工作，然后控制机器人完成右转操作，然后控制机器人直行；

在机器人直行的过程中，利用位于机器人左侧的超声波传感器获取机器人左侧的障碍物分布信息；当机器人左侧不存在障碍物时，控制模块依次向步进电机发送中断信号、左转信号和直行信号，步进电机首先停止工作，然后控制机器人完成左转操作，然后控制机器人直行。

在步骤S3中，在机器人运动的过程中，利用至少两个热释电红外线传感器检测机器人前方是否有人体辐射的红外线；当至少一个热释电红外线传感器检测到机器人前方存在人体辐射的红外线时，将检测到的人体辐射信号发送至控制模块；控制模块发送中断信号至步进电机，并发送避让语音信号至语音模块；步进电机停止工作，语音模块根据避让语音信号发出避让语音；所述避让语音预先设定在语音模块中；当所有热释电红外线传感器均检测不到人体辐射的红外线时，控制模块接收不到人体辐射信号，控制模块发送直行信号至步进电机，步进电机控制机器人继续向前直行。

本发明的有益效果为：可通过触摸屏来预设机器人行进轨道，可对机器人在行进与定位过程中任意路径点设置合理的停留时间，可以提供合适的语音提示服务和负载物品重量，从而完成相应的服务任务，例如送水，送咖啡，送饭菜等。并且具有障碍物检测、人物辨别、阻行提示音、工作提示音以及壁障提示等功能。

附图说明

图1为一种机器人的餐厅路径导航***的结构图；

图2为第二单片机的工作流程图；

图3为机器人的位置和角度示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

随着社会的发展，人力资源质量及成本的提升，一些基础性的服务工作渐渐变得少有人愿意做，于是便要求有更高级的服务类机械电子产品来代替人完成更加普遍的服务工作，同时要求成本不得过高，***适应性好，***稳定性高，具有良好的人机交互以及较为合适的提示设置等。

作为民用基础服务行业的机器人，其视觉伺服控制***稳定性有待进一步提高，并且视觉伺服控制***具有复杂度高、成本高等缺点，本发明提出了一种基于人辅助路径规划的半智能路径规划***，首先利用人在触摸屏输入的信息构建先验地图，接着基于航迹推算算法和路径分析算法进行特定地图的特定路径行驶。并且在行驶过程中一方面依赖多种类型的传感器保障机器人***的安全和外界的安全，另一方面通过无线传输的方法实时传回机器人的各项信息，同时实时的在上位机方面进行路径的显示和信息的处理，本发明进一步使得机器人应用于基础服务行业的可能性大幅提高，可靠性进一步增强。

本发明以餐饮服务行业为背景，以餐厅等一般比较规则的环境为目标使用区域进行机器人***的设计，一般而言餐厅的环境满足以下条件：第一，座位分布较为规则，一般布局采用点阵式布局，选定参考点后可以用整数坐标表示绝大部分的餐桌位置以及重要参考事物的位置。第二，餐厅场景对象较为固定，一般只需对人和物进行辨别和处理，不确定因素较少，只需完成承载物品、运送物品等确定动作。第三，便于设置较为明确的语音提示。

如图1所示为一种机器人的餐厅路径导航***的结构图，在本发明实施例中，一种机器人的餐厅路径导航***，包括：控制模块、触摸屏、步进电机、多个热释电红外线传感器传感器、多个超声波传感器、霍尔传感器、角速度传感器、加速度传感器和语音模块，将控制模块分为第一单片机和第二单片机，可以降低成本，第一单片机和第二单片机通过RS232串口进行连接，第二单片机分别连接语音模块和触摸屏，第一单片机分别连接步进电机、多个热释电红外线传感器传感器、多个超声波传感器、霍尔传感器、角速度传感器和加速度传感器。

本发明实施例还设置有GPS芯片、上位机、烟雾传感器、温度传感器和太阳能电池板；GPS芯片、烟雾传感器和温度传感器均设置在机器人上，太阳能电池板连接第一单片机，上位机通过无线信道与机器人实现信息交互。

本发明实施例中，第二单片机采用STC12LE5A60S2单片机，触摸屏采用TFT6448BS-5.7总线型液晶显示器，TFT6448BS-5.7总线型液晶显示器是专门针对单片机用户而设计的液晶显示器(带触摸屏)，它采用分辨率为640*480的5.7英寸真彩TFT屏，能够提供一个简单的高速8位总线与STC12LE5A60S2单片机连接，支持256色显示。可以直接与MCS51系列单片机、MCS96系列单片机、MC68单片机、ARM处理器以及数字信号处理单元(DSP)相连。在TFT6448BS-5.7总线型液晶显示器中可以直接输入X、Y坐标，无须计算地址。该总线型液晶显示器具有低功耗、轻薄(高度8.5mm)、宽温(-30度到70度)、亮度可调节(可通过软件调节8种亮度)等特点。将其20个引脚定义如下：1号引脚5V—液晶屏逻辑电源5V，2号引脚5V—液晶屏逻辑电源5V，3号引脚D0—数据总线INOUT3.3/5V，4号引脚A0—地址线0IN3.3/5V，5号引脚D1—数据总线INOUT3.3/5V，6号引脚A1—地址线1IN3.3/5V，7号引脚D2—数据总线INOUT3.3/5V，8号引脚CSJ—片选信号，低电平对屏操作有效IN3.3/5V，9号引脚D3—数据总线INOUT3.3/5V，10号引脚GND—液晶屏逻辑地0V，11号引脚D4—数据总线INOUT3.3/5V，12号引脚GND—液晶屏逻辑地0V，13号引脚D5—数据总线INOUT3.3/5V，14号引脚GND—液晶屏逻辑地0V，15号引脚D6—数据总线INOUT3.3/5V，16号引脚GND—液晶屏逻辑地0V，17号引脚D7—数据总线INOUT3.3/5V，18号引脚RDJ—读操作信号，低电平有效IN3.3/5V，19号引脚WRJ—写操作信号，低电平有效IN3.3/5V，20号引脚—NC。

本发明实施例中，在触摸屏中显示餐厅坐标点，本发明实施例中，餐厅坐标点共有16*8个，即餐厅坐标点的行数为8，餐厅坐标点的列数为16；然后根据机器人在餐厅中的初始位置，确定机器人初始位置对应的餐厅坐标点；假设机器人在一次巡行时需要进行10次停留，在每次停留时，用餐者可以取下相应的物品，那么需要将停留数据输入到触摸屏中；根据10个停留点的位置和餐厅的布局，从机器人初始位置对应的餐厅坐标点开始，依次将多个顺序相邻的餐厅坐标点输入至触摸屏(通过手写和触摸笔输入到触摸屏中)，在上述多个顺序相邻的餐厅坐标点中，每个餐厅坐标点周围(即每个餐厅坐标点的上、下、左、右)至少有一个相邻的餐厅坐标点；然后将停留数据输入至触摸屏(通过手写和触摸笔输入到触摸屏中)；停留数据的前10个数据为10个停留点的位置对应的餐厅坐标点，后10个数据为10个停留点的停留时间，在停留数据中，第i个数据和i+10个数据相对应；触摸屏将路径数据和停留数据发送至第二单片机。路径数据包括所述多个顺序相邻的餐厅坐标点以及将多个顺序相邻的餐厅坐标点输入至触摸屏的先后顺序。第二单片机对上述路径数据和停留数据进行加工，将加工后的数据发送至第一单片机。

本发明实施例中，如图2所示为第二单片机的工作流程图，第二单片机开机后，首先对SPI接口、触摸屏接口(第二单片机与触摸屏连接的接口)和SCI接口进行初始化，然后利用循环扫描法建立二维坐标系，二维坐标和餐厅的结构对应，机器人的初始位置对应的坐标为原点；然后再进行触摸检测和串口信息检测，触摸检测用于判断触摸屏是否有数据发送至第二单片机，如果没有，则继续进行触摸检测，如果有，则对来自触摸屏的数据进行加工，将加工后的数据通过RS232串口发送至第一单片机，同时将加工后的数据通过蓝牙无线数据传输方式发送至上位机，然后返回继续进行触摸检测；串口信息检测主要用于检测是否有来自第一单片机的语音信号(包括开机语音信号、避让语音信号或送达语音信号)，如果没有，则继续进行串口信息检测，如果有，则将语音信号发送至语音模块，同时将语音信号通过蓝牙无线数据传输方式发送至上位机，然后返回继续进行串口信息检测。

第二单片机对路径数据加工的过程为：触摸屏上生成的餐厅坐标点总共有128个，将这些餐厅坐标点分别编号0，1…127(按照从左至右、从下至上的方式编号)，按照多个顺序相邻的餐厅坐标点输入至触摸屏的先后顺序，将多个顺序相邻的餐厅坐标点的编号标记为ADD_num[j]，j为大于或等于0的整数；第二单片机对相邻的餐厅坐标点进行以下求差运算：

N＝ADD_num[j+1]-ADD_num[j]，所得差值N分为四个数值，分别为：1，-1，16，-16。根据这四个差值做如下定义：

若N＝1，则定义右转标志位加1，定义向前直走标志位清零，定义向后直走标志位清零，定义起始(0->16)标志位赋1。判断：如果右转标志位等于1，则执行先右转，再向右直走一步；否则，直接直走一步。

若N＝-1，定义左转标志位加1，定义起始(0->16)标志位赋1。判断：如果左转标志位等于1且向前直走标志位不等于0，则向前直走标志位清零，执行先左转，再向左直走一步；如果左转标志位等于1且向后直走标志位不等于0，则向后直走标志位清零，执行先右转，再向右直走一步；如果左转标志位不等于1，执行向前直走一步。

若N＝16，判断：如果起始(0->16)标志位等于1，向前直走标志位加1，右转标志位清零，左转标志位清0。如果右转标志位等于1，则执行先左转，再向左直走一步；否则，直接直走一步；如果起始(0->16)标志位不等于1，直接直走一步。

若N＝-16，向后直走标志位加1，判断：如果向后直走标志位等于1且向前直走标志位不等于0，则向前直走标志位清零，执行先右转，再向有直走一步；如果向后直走标志位等于1且向后直走标志位不等于0，则向后直走标志位清零，执行先左转，再向左直走一步；如果向后直走标志位不等于1，执行向前直走一步。

本发明实施例中，语音模块采用ISD1760语音芯片或ISD-4004语音芯片，ISD-4004语音芯片体积小，采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列，可分段录放，掉电储存时间久，音质好，操作方便，其ISP接口与单片机兼容，并且录音时间可最长可达16分钟，故本发明实施例采用其搭建多址语音提醒模块。语音芯片所有操作必须由第二单片机控制，操作命令可通过串行通信接口(SPI接口或Microwire串行接口)送入。语音芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和"金属声"。其采样频率可为4.0kHz、5.3kHz、6.4kHz或8.0kHz，采样频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降。

在本发明实施例中，通过录音将预设语音存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存100年(典型值)，并可反复录音10万次。预设语音包括开机语音、避让语音和送达语音，开机语音用于提示机器人***正在开机，避让语音用于提示位于机器人前方的行人进行避让，送达语音用于提示物品已送达，例如，开机时，第二单片机控制语音模块发出如下开机语音：“你好，机器人服务***正在启动中…请稍候！”；当热释电红外先传感器检测到机器人前方有人体辐射的红外线时，向第一单片机发送避让语音信号，第二单片机接收到来自第一单片机的避让语音信号时，控制语音模块发出如下避让语音：“您好，请您让一下！”，待位于机器人前方的行人避让后，机器人继续向前移动；当机器人到达停留点时，机器人向用餐者或其他人提供物品，此时，第一单片机向第二单片机发送送达语音信号，第二单片机控制语音模块发出如下送达语音：“您好，您的物品已送达，请接收！”。在本发明实施例中，预设语音可以根据需要随时进行修改。

本发明实施例中，第一单片机采用MC9S12XS128单片机，MC9S12XS128单片机是飞思卡尔公司xs12系列16位单片机中的一种，最高接入晶振频率为48MHz，通过锁相可超频到96MHz，其内部结构主要有单片机基本CAN功能块部分组成，基本结构包括：中央处理器单元xs12(CPU)、2个异步串行通信接口(SCI)、2个同步串行通信接口(SPI)、8通道输入捕捉/输出比较定时器、1个8通道脉宽调制模块以及49个独立数字I/O接口(其中20个具有外部中断及唤醒功能)，在单片机内还拥有128KB的FlashROM，8KB的RAM和2KB的EEPROM，CAN功能块包括两个兼容CAN2.0A/B协议的msCAN控制器，这些丰富的内部资源和外部接口资源可以满足单片机对各种数据的处理、并满足CAN网络数据的发送和接收要求，另外MC9S12XS128单片机集成了两个msCAN12模块，能够实现高低速CAN网络的网关节点功能。

MC9S12XS128单片机作为机器人的主控制器，在整个机器人导航***中承担分析处理数据(来自第二单片机的数据)、确定机器人位置、向上位机(PC)方向进行无线数据传输、自身传感器信息处理、机器人导航***各模块之间的协调运转的功能。MC9S12XS128单片机对STC12LE5A60S2单片机发送来的停留数据进行分割，将停留数据分为10个停留点的位置对应的餐厅坐标点和10个停留点的停留时间。

MC9S12XS128单片机开机后，首先进行SCI接口、PWM(脉宽调制)、蓝牙接口、模数转换的初始化，然后对MC9S12XS128单片机和STC12LE5A60S2单片机之间的串口作通信校验，如果校验失败，则返回重新进行初始化操作；如果校验成功，则接收来自STC12LE5A60S2单片机的数据，然后根据来自STC12LE5A60S2单片机的数据控制步进电机，同时，启动位于机器人头部的两个热释电红外线传感器和位于机器人前部的超声波传感器，然后根据热释电红外线传感器或超声波传感器反馈回来的信息控制步进电机。MC9S12XS128单片机可将上述反馈回来的信息通过蓝牙无线传输方式发送至上位机。

本发明实施例中，设有三个超声波传感器，这三个超声波传感器分别设置在机器人的前部、左侧和右侧，超声波传感器采用SRF06超声波传感器，该超声波传感器性能稳定，盲区为2cm，使用电压为DC5V，静态电流小于2mA，TTL电平感应角度不大于15度，探测距离为2cm-450cm，精度可达1mm；其引脚说明如下:VCC-电源电压，trig-控制端，echo-接收端，GND-地线。在机器人运动的过程中，当机器人前方2cm-450cm存在障碍物时，超声波传感器获取机器人前方的障碍物分布信息，将障碍物分布信息发送至第一单片机；第一单片机依次向步进电机发送中断信号、右转信号和直行信号，步进电机首先停止工作，然后控制机器人完成右转操作，然后控制机器人直行；在机器人直行的过程中，利用位于机器人左侧的超声波传感器获取机器人左侧的障碍物分布信息；当机器人左侧不存在障碍物时，第一单片机依次向步进电机发送中断信号、左转信号和直行信号，步进电机首先停止工作，然后控制机器人完成左转操作，然后控制机器人直行。

本发明实施例中，机器人的头部位置设置有两个热释电红外线传感器，其工作原理为：由于人和物所辐射的红外线的波长不同，第一单片机可以根据热释电红外线传感器发送的信号判断所遇障碍物的身份。只要其中一个热释电红外线传感器检测到人体辐射的红外线，第一单片机就会向第二单片机发送避让语音信号，同时，第一单片机向步进电机发送中断信号，步进电机停止工作，第二单片机控制语音模块发出避让语音；避让语音预先设定在语音模块中；当位于机器人前方的人离开后，所有热释电红外线传感器均检测不到人体辐射的红外线，第一单片机接收不到人体辐射信号时，发送直行信号至步进电机，步进电机控制机器人继续向前直行。

本发明实施例中，每隔设定时间，第一单片机采用航姿推算定位法获得机器人的位置和角度，然后对机器人的位置和角度进行校正；航姿推算定位法成本低且不需要外界环境信息；如图3所示为机器人的位置和角度示意图，第一单片机采用航姿推算定位法获得机器人的位置和角度的过程如下：

设定t时刻机器人的坐标为(x_t,y_t)，角度为θ_t，可得以下运动微分方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dx}}_t=V_t{\mathrm{cos\θ}}_{t}dt\\ {\mathrm{dy}}_t=V_t{\mathrm{sin\θ}}_{t}dt\\ {\mathrm{d\θ}}_t={\mathrm{\ω}}_{t}dt\end{array}\right.---\left(1\right)$

上式中，V_t代表机器人瞬时线速度，ω_t代表机器人的瞬时角速度。

令l表示机器人的运行里程，则dl＝V*dt，将其代入(1)式有

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dx}}_t={\mathrm{cos\θ}}_{t}dl\\ {\mathrm{dy}}_t={\mathrm{sin\θ}}_{t}dl\\ {\mathrm{d\θ}}_t={\mathrm{\ω}}_{t}dt\end{array}\right.---\left(2\right)$

(2)式两边同时积分有

$\left\{\begin{array}{c}{x}_t={\∫}_0^l{\mathrm{cos\θ}}_{t}dl\\ y_t={\∫}_0^l{\mathrm{sin\θ}}_{t}dl\\ {\mathrm{\θ}}_t={\∫}_0^l{\mathrm{\ω}}_{t}dt\end{array}\right.---\left(3\right)$

令△l代表机器人的步长，△t_i为***第i段步长行程花费的时间，则有

$l=n\mathrm{\Δ}l;t=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\Δt}}_i---\left(4\right)$

将(4)式代入(3)式可得以下估计式

$\left\{\begin{array}{c}{x}_n=\underset{n=0}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{cos\θ}}_i\mathrm{\Δ}l\\ y_n=\underset{n=0}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{sin\θ}}_i\mathrm{\Δ}l\\ {\mathrm{\θ}}_n=\underset{n=0}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i{\mathrm{\Δt}}_i\end{array}\right.---\left(5\right)$

实验中，起始时，△l＝0；△t₀＝0，可得x₀＝0；y₀＝0；θ₀＝0，霍尔传感器采用CS1018、CS1028、CS2018等，在机器人的两个驱动轮毂上均匀安装了12磁钢，则轮子每运行一周输入12个脉冲，机器人开始运动后，△l＝πD/12，D为驱动轮毂的直径。

对于角度测量，采用村田公司出品的MB245角速度传感器和加速度传感器MMA7620完成，角度最终由积分获得，计算程序如下：

voidAngleIntegrate(void)

{

GravityValue＝(GravityValue-GravityZEROValue)*Rgravity；//减去加速度传感器零偏值

Gyro_Value＝(Gyro_Value-GryoZEROValue)*Rgryo；//减去陀螺仪零偏值

g_CarAngle＝g_CarAngleSigma/ACCValue；//输出最终角度

DeltaValue＝(GravityValueg_CarAngle)/TimeGenerate；//偏移量

g_CarAngleSigma+＝(-Gyro_Value+DeltaValue)；//积分

}

根据得到的线度和角度值，再利用(5)式，可知里程计每隔行程△l产生一个脉冲，***响应此脉冲信号并计算该段行程的耗时△t，以及该时刻的角速度，计算后得到该段行程内车辆坐标和角度的增量，最后累积得到机器人***的瞬时位姿(即机器人的位置和角度)。

在机器人的两个驱动轮毂上均匀安装了12磁钢，则轮子每运行一周输入12个脉冲，在机器人运动的过程中，由霍尔传感器得出机器人的瞬时线速度；角速度传感器采用村田公司出品的MB245角速度传感器；加速度传感器采用MMA7620三周加速度传感器。

本发明实施例中，步进电机作为机器人动力部分的执行机构，其控制精度较高，能满足机器人对位置控制精度的要求；当机器人到达停留点时，第一单片机发送中断信号至步进电机，步进电机停止工作，机器人停止运动；当机器人前方有人或其他障碍物时，第一单片机均发送中断信号至步进电机，步进电机停止工作，机器人停止运动。本发明实施例中，机器人采用两个驱动轮毂差速的方式完成转向控制。

本发明实施例中，温度传感器采用DS18B20数字温度传感器，该数字温度传感器是DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器，其具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、连接电路简单等优点，特别适用于构成多点测控***，可直接将温度转化成串行数字信号直接送给第一单片机处理。当温度超过预设温度时，第一单片机向步进电机发送中断信号，步进电机停止工作；待温度低于预设温后，第一单片机再控制步进电机开始工作。

本发明实施例中，烟雾传感器感知到烟雾时，发送对应的信号至第一单片机，第一单片机判断烟雾的浓度值是否大于设定阈值，如果大于设定阈值，则通过第二单片机向语音模块发送语音信号，语音模块可以发出对应的烟雾提示语音。烟雾传感器采用MQ-2烟雾传感器，它具有信号输出指示功能，能进行双路信号输出(模拟量输出及TTL电平输出)，输出有效信号为低电平(输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机)；能以模拟量输出0～5V电压(烟雾浓度越高电压越高)；对液化气，天然气，城市煤气，烟雾有较好的灵敏度；具有较长的使用寿命、可靠的稳定性和快速的响应恢复特性，可作为家庭或工厂的气体泄漏监测装置，适宜于检测液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等。

本发明实施例中，机器人携带有一颗GPS定位芯片，该定位芯片采用NMEA0813协议将GPS接收到的信息以串口的方式传递出来，因此要想获取GPS信息并在电脑端(上位机)显示出来，就要完成对NMEA0813协议的处理。该GPS定位芯片支持的NMEA0813协议包括$GPRMC(推荐定位信息)，$GPVTG(地面速度信息)，$GPGGA(定位信息)，$GPGSA(当前卫星信息)，$GPGSV(可见卫星信息)，$GPGLL(地理定位信息)。其中$GPRMC和$GPGGA包括了主要的定位信息。各个数据包中的各个字段的值采用ASCII码，以’，’作为间隔。

上位机主要完成以下功能：一、实现机器人位置的同步显示；二、实现GPS信息的实时显示；三、实现机器人状态的实时显示以及上位机与机器人的实时数据交互等功能。

机器人各种信息的显示都依赖于上位机与机器人的数据交互，因此一个简单而行之有效的数据传输过程是必不可少的。本发明在硬件方面采用无线蓝牙数传技术完成数据的交互；机器人上使用串口通讯的方式将所发数据发送给蓝牙发送设备，通过该设备将数据发送到上位机，上位机通过软件设置将蓝牙端口映射到串口，然后通过软件读写串口完成整体的数据交换。

通过数据交互，上位机将实时获取由机器人发回的位置信息和状态信息。通过对该信息的判断和处理显示出位置信息以及机器人目前的状态(是否遇到正常、前方是否有障碍物、前方是否有人等)，如果遇到异常将发出声音警报。

本发明实施例中，还可以通过太阳能电池板为机器人导航***(尤其是第一单片机)供电，例如，将太阳能电池板连接第一单片机，即可为第一单片机提供电源。第一单片机提供了220V的对外交流接口和USB接口，可以在室外工作时提供应急电源。

总而言之，在本发明可通过触摸屏来预设机器人行进轨道，然后外界可对机器人在行进与定位过程中任意路径点设置合理的停留时间、传感器检测到特定信息后的处理模式以及合适的语音提示服务和负载物品进行设置，从而完成相应的服务任务，例如送水，送咖啡、送饭菜等。在机器人的巡行过程中，机器人具有障碍物检测、人物辨别、阻行提示音、工作提示音以及壁障提示等功能，本发明中，路径设置具有相当大的可重复性。本发明还具有以下特点：一、良好的半智能路径规划服务使本发明的重复利用率增强，提高了本发明的移植性。二、较为出色的人机交互可使本发明具有较强的对象适应性，并使本发明的操作更加灵活。三、在路径点上可自由设置点停留时间从而完成各种各样的公共服务。四、带有路径上的各种检测信息，如障碍物检测、速度检测、图像辨识、人物分辨等，保证了路径行驶中机器人的可靠与安全。五、具有各种安全检测功能，如火灾检测、燃气泄漏检测和机器人电量检测等，可实现公共***的安全预警和机器人的稳定工作。六、上位机可实时反馈回来各个机器人工作的状态和外界信息，并且处理成较容易接受的程序界面，使人容易获取信息。

本发明针对的是在一般较为规则的环境内的机器人导航，进行了餐厅室内导航的新尝试，首先本发明完成了以自身正方向和初始位置为零点的二维坐标系的建立，并生成了适用于绝大多数环境的初级点阵地图，且较好地完成了触摸屏信息的检测、量化编码以及语音交互；其次本发明通过第一单片机、第二单片机之间的RS232通信，完成了路径信息的编码和解码，并通过差值匹配的算法完成了对应信息的执行和翻译；最后，完成了基于无线蓝牙数传技术的机器人与上位机的实时通信。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种机器人的餐厅路径导航***，其特征在于，包括：控制模块、触摸屏和步进电机；其中，所述控制模块分别连接触摸屏和步进电机；

所述触摸屏用于显示餐厅坐标点，用于根据机器人在餐厅中的初始位置，确定机器人初始位置对应的餐厅坐标点，用于从机器人初始位置对应的餐厅坐标点开始，依次输入多个顺序相邻的餐厅坐标点，用于输入停留数据，用于将路径数据和停留数据发送至控制模块；

所述餐厅坐标点共有m*n个，m为餐厅坐标点的列数，n为餐厅坐标点的行数，m和n均为大于1的自然数；所述路径数据包括所述多个顺序相邻的餐厅坐标点和多个顺序相邻的餐厅坐标点的输入顺序；所述停留数据包括机器人停留点位置对应的餐厅坐标点和机器人停留点的停留时间；所述多个顺序相邻的餐厅坐标点包括机器人停留点位置对应的餐厅坐标点；

所述控制模块用于根据所述路径数据和停留数据生成对应的脉冲信号，用于将所述脉冲信号发送至步进电机中；

所述步进电机用于根据脉冲信号驱动机器人的轮毂，使机器人运动。

2.如权利要求1所述的一种机器人的餐厅路径导航***，其特征在于，还包括：霍尔传感器、角速度传感器和加速度传感器，所述控制模块分别连接霍尔传感器、角速度传感器和加速度传感器；

所述霍尔传感器用于在机器人运动的过程中测量机器人的瞬时线速度，用于将机器人的瞬时线速度发送至控制模块；所述角速度传感器用于在机器人运动的过程中测量机器人的瞬时角速度，用于将机器人的瞬时角速度发送至控制模块；所述加速度传感器用于在机器人运动的过程中测量机器人的加速度，用于将机器人的加速度发送至控制模块；所述控制模块用于根据机器人的瞬时线速度、瞬时角速度和加速度，并用于采用航姿推算定位法获得机器人的位置和角度。

3.如权利要求1所述的一种机器人的餐厅路径导航***，其特征在于，还包括分别连接控制模块的至少两个超声波传感器，其中，至少一个超声波传感器位于机器人前部，至少一个超声波传感器位于机器人的左侧；位于机器人前部的超声波传感器用于检测位于机器人前方的障碍物；位于机器人左侧的超声波传感器用于检测位于机器人左侧的障碍物。

4.如权利要求1所述的一种机器人的餐厅路径导航***，其特征在于，还包括分别连接控制模块的至少两个热释电传感器，所述至少两个热释电传感器均用于检测机器人前方是否有人体辐射的红外线。

5.一种机器人的餐厅路径导航方法，基于权利要求1所述的一种机器人路径导航***，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在触摸屏中显示餐厅坐标点，根据机器人在餐厅中的初始位置，确定机器人初始位置对应的餐厅坐标点；从机器人初始位置对应的餐厅坐标点开始，依次将多个顺序相邻的餐厅坐标点输入至触摸屏；并将停留数据输入至触摸屏；触摸屏将路径数据和停留数据发送至控制模块；所述餐厅坐标点共有m*n个，m为餐厅坐标点的列数，n为餐厅坐标点的行数，m和n均为大于1的自然数；所述路径数据包括所述多个顺序相邻的餐厅坐标点，以及将多个顺序相邻的餐厅坐标点输入至触摸屏的先后顺序；所述停留数据包括机器人停留点位置对应的餐厅坐标点和机器人停留点的停留时间；所述多个顺序相邻的餐厅坐标点包括机器人停留点位置对应的餐厅坐标点；

S2：控制模块根据所述路径数据和停留数据生成对应的脉冲信号，将所述脉冲信号发送至步进电机中；

S3：步进电机根据脉冲信号驱动机器人的轮毂，使机器人运动。

6.如权利要求5所述的一种机器人的餐厅路径导航方法，其特征在于，

在步骤S3中，每隔设定时间，所述控制模块采用航姿推算定位法获得机器人的位置和角度，然后对机器人的位置和角度进行校正；所述控制模块采用航姿推算定位法获得机器人的位置和角度的过程如下：在机器人运动的过程中，利用霍尔传感器测量机器人的瞬时线速度，将机器人的瞬时线速度发送至控制模块；

在机器人运动的过程中，利用角速度传感器测量机器人的瞬时角速度，将机器人的瞬时角速度发送至控制模块；

在机器人运动的过程中，利用加速度传感器测量机器人的加速度，将机器人的加速度发送至控制模块；

控制模块获取机器人的瞬时线速度、瞬时角速度和加速度，采用航姿推算定位法获得机器人的位置和角度。

7.如权利要求5所述的一种机器人的餐厅路径导航方法，其特征在于，在步骤S3中，在机器人运动的过程中，当机器人前方存在障碍物时，利用位于机器人前部的超声波传感器获取机器人前方的障碍物分布信息，将障碍物分布信息发送至控制模块；控制模块依次向步进电机发送中断信号、右转信号和直行信号，步进电机首先停止工作，然后控制机器人完成右转操作，然后控制机器人直行；

在机器人直行的过程中，利用位于机器人左侧的超声波传感器获取机器人左侧的障碍物分布信息；当机器人左侧不存在障碍物时，控制模块依次向步进电机发送中断信号、左转信号和直行信号，步进电机首先停止工作，然后控制机器人完成左转操作，然后控制机器人直行。

8.如权利要求5所述的一种机器人的餐厅路径导航方法，其特征在于，在步骤S3中，在机器人运动的过程中，利用至少两个热释电红外线传感器检测机器人前方是否有人体辐射的红外线；当至少一个热释电红外线传感器检测到机器人前方存在人体辐射的红外线时，将检测到的人体辐射信号发送至控制模块；控制模块发送中断信号至步进电机，并发送避让语音信号至语音模块；步进电机停止工作，语音模块根据避让语音信号发出避让语音；所述避让语音预先设定在语音模块中；当所有热释电红外线传感器均检测不到人体辐射的红外线时，控制模块接收不到人体辐射信号，控制模块发送直行信号至步进电机，步进电机控制机器人继续向前直行。