采用磁传感器的餐厅服务机器人导引控制方法*

1 引言

随着社会经济的快速发展，人们生活水平不断提高，对餐饮业服务质量的需求不断提升，餐厅服务员单调、辛苦的服务工作导致招聘越来越难，餐饮行业的发展面临着劳动力成本提升、店面租金上涨、成本控制难等多方面问题。2015年中国餐饮业现状与发展趋势报告显示，近年来全国餐饮收入不断下跌，行业竞争愈演愈烈，甚至出现了较高的倒闭潮[1 - 5]。

随着计算机技术、网络技术以及现代控制技术的高速发展，机器人的应用愈发广泛，服务型机器人成为当前机器人应用研究领域的重难点。然而，由于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，使得餐厅服务机器人在实际餐厅中的应用受到了较大的限制[6 - 8]。

总而言之，想要初一学生学习数学没困难，教师既要注意中小学教学内容的过渡，又要注意教学方法的过渡，还要注意学生学习方法的过渡与指导，做好这些，相信学生会用高涨的热情学好数学。

针对餐厅机器人的室内导航定位问题，本文提出了一种基于磁传感器的服务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，并结合射频识别RFID(Radio Frequency IDentification)地标信息确定机器人的位置信息，完成预先设定的送餐、下单等服务任务。应用该方法，餐厅服务机器人的自动化、智能化水平得到了较大程度的提高，市场化前景得到了进一步的扩展。

在公路工程施工中，要对材料的使用进行严格的监督，采用先进的技术工艺，最大程度地减少各类污染对周边生态环境的影响。同时，还应对施工时段进行合理设置，避免施工噪声对周边居民的正常生活造成影响。

2 基于磁传感器的导引原理

一次送餐任务可以分为等待送餐、到达指定餐桌、等待取餐和返回等待区四个部分，如图6所示。

  

Figure 1 Diagram of the robot navigation method based on magnetic sensors图1 基于磁传感器的机器人导航方法示意图

3 基于磁传感器的导引控制硬件设计

导航定位模块用于感知机器人在餐厅中的位置、姿态信息，是机器人顺利完成送餐任务的基本保障，主要包括磁传感器和地标读取模块。

磁传感器主要用于检测预埋在地面上磁条的磁场分布，为便于检测，磁条的埋设方向应与餐厅服务机器人行进方向平行，而磁传感器应安装在机器人的底部，且与预埋磁条相互垂直。同时为便于机器人校正移动方向，提前判断机器人行进路径信息，磁传感器应以机器人移动方向为参考安装在机器人底盘的前部。同时考虑到磁导航传感器与磁条之间的距离会直接影响检测路径偏差的灵敏度，为此还在磁传感器上增加了高度调节组件，以便于现场调试时调整磁传感器的安装高度。

地标读取模块用于读取地标信息，根据地标标签与磁条之间的相对位置，可以计算出地标读取传感器与磁传感器之间的相对位置，并结合其自身尺寸安装在底盘中心靠近磁导航传感器的位置。机器人外形与底盘布局方案如图2所示。

  

Figure 2 Outline drawing and chassis layout of the robot图2 机器人外形结构与底盘布局示意图

六是要出台优惠政策引导企业转型升级。企业是生态文明建设的主体，政府要出台优惠政策，鼓励企业以提高资源综合利用率和降低废弃物排放为重点，加快发展循环经济、低碳经济。采取综合措施，为企业发展低碳经济创造政策和市场环境，逐步建立起节能和能效、洁净煤和清洁能源、可再生能源和新能源以及森林碳汇等多元化的低碳技术体系，为低碳转型和增长方式转变提供强有力的技术支撑。

3.侧向示范法。即体育老师侧向站立，和学生成直角之势，一般演示的是前后方向的动作，如跨栏跑的“摆动腿”“起跨腿”这些上栏动作，后蹬动作和提拉动作等等。

考虑到本文所用微控制器MSP430F5438，其工作电压为2.2～3.6 V，因此不能直接接收来自磁传感器的输出信号。为此需要采用两片SN74HCT245对磁传感器的16路输出信号进行电平转换后再输出给微控制器的I/O引脚。

4 基于磁传感器的导引控制软件设计

磁传感器信号采集与处理，即通过I/O口对磁传感器信号进行采集，通过采集到的磁传感器信号判断机器人行走偏移量，并根据机器人的运动学模型生成相应的控制量。

因为磁传感器的输出为16位的开关量信号，所以通过I/O口的磁传感器信号采集比较简单，此处不做赘述。为准确判断餐厅服务机器人的行进路线与预设路线之间的偏差，需要通过磁传感器信号准确计算机器人与磁条之间的位置偏移量，并据此进行方向校正，使得机器人能够沿着设定路线行驶，而不脱离预埋磁条。

经过实际测试，正常行驶时，磁传感器中间的4个霍尔元件输出低电平，其余输出高电平。本次设计在十字路口或者T字路口放置了标签，可以通过地标读取模块读取和判断路径信息，而不需要通过磁传感器信号来进行判断，磁传感器信息处理程序的主要任务就是通过采集到的磁传感器信号获取方向偏移量。为了使判断准确、简洁，对接收到的磁导航模块信号作如图3所示的处理。

考虑到磁传感器对磁场强度测量的精度直接影响机器人路径跟踪的精度，精度越高，控制越准确，但磁传感器的精度也直接反映在传感器的价格上，精度越高，价格也越高，相应地机器人成本也越高。

  

Figure 3 Flow chart of magnetic signal processing图3 磁传感器信号处理流程图

(1)统计低电平信号个数。

(2)当N≥6时，表示机器人到达交叉路口或T字路口；否则根据低电平信号端口编号，利用式(1)和式(2)计算机器人路径偏移角，如图4所示。

6上105-2工作面顶板结构复杂多变，理论计算参数多且难以获得。从实测矿压数据出发，确定支架合理工作阻力是有效的方法。

 

(1)

 

(2)

其中，l表示磁传感器的长度，D表示磁传感器与机器人驱动轮中心轴线之间的距离，N表示低电平信号个数，numi表示第i个低电平信号端口编号，AVEk表示第k时刻路径中心与磁传感器中心之间距离；θk表示第k时刻机器人路径偏离角。

目前，基础化学原料市场需求增长总体平缓，市场竞争环境持续改善，价格保持高位。根据国际原油、煤炭等大宗原材料商品价格波动趋势，后市基础化学原料市场总体将继续高位震荡走势，价格振幅有所收窄。

  

Figure 4 Diagram of deviation angle of robot’s path图4 机器人路径偏移角示意图

图6中十字路口、T字路口、餐桌编号判断以及等待区等路径信息均通过地标信息来判断，如图7所示。

 

(3)

其中,v表示机器人预设行走速度；r表示机器人轮子半径；α表示偏离角收敛参数，α越大，θk收敛越快；ωrk表示第k时刻机器人右轮转动速度；ωlk表示第k时刻机器人左轮转动速度。

5 基于磁传感器的导引控制实验

为验证本文所提基于磁传感器的导引控制方法，在实验室构建了一个包含4张餐桌的模拟餐厅，并通过磁条路径将4张餐桌和服务机器人等待区连接起来，如图5所示。地标读取模块获取信息格式如表1所示。

  

Figure 5 Diagram of the path of the restaurant service robot图5 餐厅服务机器人路径示意图

 

Table 1 Data format from floor label sensor

 

表1 地标传感器读取信息格式

  

帧字头数据1数据2帧字尾0x68Data1Data20x0D

其中，Data1包含1个字节，表示路况状态信息；Data2包含1个字节，表示地标编号。其中路况状态信息定义如表2所示。

综合对比各磁传感器的性能指标和价格等因素，本文采用CA-16型磁导引传感器作为机器人的磁传感器，该传感器通过16位开关量来反映磁条与机器人之间的相对位置变化，该传感器采用直流24 V电源供电，检测极性为N极，输出方式为NPN集电极开路。该磁传感器内均匀分布16个线性霍尔元件，其输出通过运算放大器送到开关电路，经过比较转换成开关电平信号输出。当第i位霍尔元件检测到磁信号超过100 Gs时，即当磁条在磁传感器第i位霍尔元件下方20 mm以内时，第i位霍尔元件输出0 V低电平信号，其余霍尔元件输出5 V高电平信号。当磁传感器与磁条之间距离大于20 mm时，即磁传感器下方无磁条时，磁传感器中所有霍尔元件都输出5 V高电平信号。

 

Table 2 Definition of road data in RFID表2 路况信息在电子标签中的定义

  

Data1路况描述示意图01停止等待标签102直行标签203交叉路口标签304到达餐桌标签405前方拐弯标签5

磁传感器是一种通过感应磁场强度变化来测量电流、位移等物理参数的传感器[9，10]。在位置检测中，可以通过检测磁传感器的输出来检测一个磁体和磁传感器之间相对位置变化的大小[11,12]。基于磁传感器的路径引导即是采用此原理，使机器人沿给定路径上运动的一种方法，如图1所示。利用底盘上安装的磁传感器，机器人即可以感知与埋设了磁条的路径之间的偏差，通过磁传感器上多组探测点的检测结果，分析与预设路径之间偏移量的大小，并可以根据此偏移量控制机器人驱动轮的转动，校正机器人的运行方向，使其按照预先设定的路线行进。采用此方法引导机器人在室内环境中运动，具有成本低、可靠性高、实现简单，且不受光线影响等优点[13 - 15]。

  

Figure 6 Flow chart of one service task图6 一次送餐任务流程图

为使机器人沿着预埋路径行走或在偏离路径后能够返回路径，可采用控制律(如式(3)所示)，使得机器人路径偏离角θk渐近收敛于零。

  

Figure 7 Layout of floor labels图7 地标布置示意图

系统综合实验结果表明：采用本文所提出的导引控制方法，餐厅服务机器人能准确、快速地达到指定餐桌位置，顺利地完成送餐任务，并可以安全返回等待区。利用磁条及本文所提控制算法可以保证机器人始终沿磁条运动，当运动到地面标签上方时，机器人可准确获知自身位置信号(定位精度≤3 cm)，当机器人继续运动离开地面标签时，结合电机码盘反馈信号，机器人可对自身位置进行推算，在本文实验环境内，最大位置误差≤5 cm。工作人员可以在终端机上清楚地获取餐厅服务机器人当前工作状态，并对其突发情况做出正确反应。利用该导引控制系统，餐厅服务机器人可成功替代服务员完成餐厅的送餐工作。

6 结束语

本文针对餐厅服务机器人室内定位精度低、定位难等问题，提出了一种基于磁传感器的餐厅服务机器人导引控制方法。利用该导引控制系统，机器人可以按照预先设定的路线移动，并根据埋设在地面上的地标信息获取当前送餐状态以及位置信息。并借助其他传感器模块及相应控制程序的配合，顺利完成来自终端机的送餐任务，安全返回至等待区。大量实验结果表明，此方法具有可靠性高、性价比高、实用性强、稳定性好的特点，在餐厅服务机器人等领域具有广阔的应用前景。

1)对称小四极法：在露头、探槽或坑道的岩矿石表面上，采用对称小四极装置测定自然条件下的电阻率和极化率，供电电极和测量电极要采用不极化电极。

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