吊軌式智能傳菜裝置設計與研制

李運蘭，郭承恩

(長沙學院計算機工程與應用數學學院，湖南 長沙 410022)

隨著餐飲業的迅速發展，為顧客提供更加優良的服務成為亟待解決的問題.餐廳的上菜效率是評價服務水平的重要指標之一.現有的上菜過程是在食物做完后由服務人員將食物從工作間送入餐廳供顧客食用，這個過程基本由人工完成，不但所需的服務人員較多，而且服務人員勞動強度大.隨著我國經濟的快速發展，我國的人力資源趨于緊張，成本也在不斷上漲.并且傳送人員如果過多，也會導致餐廳過道擁擠，降低了用餐環境的舒適度.為此地面機器人傳菜在一些餐館的應用，成為了一道風景.但大部分餐館過道擁擠，地面高度不一，造成地面機器人傳菜不能廣泛地推廣應用.

為了解決上述問題，本項目提供一種結構簡單、成本低、工作效率高的吊軌式智能傳菜裝置.本系統安裝調試比較方便快捷，裝置規?？纱罂尚?，成本較低，適應于酒樓的大堂與大型面館之類的場所.隨著中國人口紅利的消失，人員工資大幅攀升，吊軌式智能傳菜裝置的使用可大大地減少人力成本.

1 系統設計

吊軌式智能傳菜裝置，包括機械軌道、智能傳菜小車和盛菜籃三部分.智能小車與盛菜籃通過鋼絲繩連接，機械軌道是智能小車的運動軌道.本系統的關鍵在于機械軌道設計與智能傳菜小車的設計.

1.1 機械軌道的設計

機械軌道是智能小車的運動軌道，置于廚房與餐廳之間區域的上空，為單軌道或多軌道的環形軌道，中間開槽，智能小車可在軌道上滑動.軌道開槽的目的是讓連接智能小車與盛菜籃的鋼絲繩穿過，智能小車與盛菜籃通過鋼絲繩連接，盛菜籃可通過控制升降電機智能上下升降.本文設計的這種特殊的軌道，有如下特點：

(1)軌道提供智能小車的供電.采用軌道接電技術[1]，智能小車的供電與高鐵的供電類似，降低了供電成本.軌道采用24伏低壓供電，保證了供電的安全與低成本.解決了其他的智能小車的鋰電與蓄電池供電的高成本與電力續航能力差的問題，并且大大提高了小車的負載能力.

(2)軌道轉軌技術自創，轉軌簡單、高效，多軌道的轉軌技術已經申請了專利.軌道是中間開槽的凹槽形狀金屬軌道,軌道為環形多軌道系統.小車可在多軌道上智能移動和轉軌.

(3)軌道上安裝有紅外定位裝置[2].通過與智能小車的定位控制程序一起實現自動指定的目的.

1.2 智能傳菜小車的設計

智能傳菜小車包括機械部分與智能控制系統.

(1)智能傳菜小車機械部分是左右電機與升降電機，電機使用24伏的直流電機，左右電機驅動小車前進與轉軌；升降電機控制盛菜籃的上下升降.左右電機分別控制與驅動，便于在多軌道中自動轉彎達到自動切換軌道的目的.

(2)智能控制系統.智能傳菜小車的控制器包含如下控制模塊：紅外接收模塊、語音播報模塊、定位模塊、電機驅動與升降控制模塊、重力檢測模塊、自動轉軌控制模塊、防碰撞模塊、LED顯示模塊等.其中還要解決隔離電源、斷電記憶恢復、輸入輸出隔離、抗干擾等工程技術問題.圖1為系統控制模塊框圖，其中主控MPU可用嵌入式芯片ARNM或51單片機.

圖1 智能控制系統模塊框圖

紅外接收模塊主要接收來自紅外遙控器發出的指定送達的餐桌號，解析出來后保存，用于語音播報、LED顯示與定位的需要；顯示模塊與語音播報模塊主要是達到指定餐桌時，餐桌號電子屏顯示與語言播報聲光一體提醒服務員取菜；定位模塊主要是接收軌道上的定位點發送的信號來達到測距與定位，從而控制智能小車達到指定的餐桌；防碰撞模塊[3]主要是預防后面的小車與前面停頓的小車相撞；電機驅動與升降控制模塊主要是根據指定的餐桌號驅動電機前進或轉軌，達到指定的餐桌后，前進電機停止前進，升降電機開始下降，達到指定的高度后停下，語音播報通知服務員取菜.如果已經取走菜品，菜籃就自動上升到指定高度后停止上升，然后前進電機工作自動返回廚房；自動轉軌模塊主要是根據餐廳軌道與餐桌號位置的設定(需調試控制程序)，當小車要到達的餐桌號需要轉軌時設置自動轉軌；重力檢測模塊主要是通過感應重力的變化來判斷服務員是否已經取走菜品；防碰撞模塊是在小車前進的過程中，判斷前方是否有其他小車擋道，如有就暫停前進并報警提示，直到前方障礙物消失再繼續前進.

2 智能控制系統的硬件設計

智能小車的主控CPU使用51系列的單片機 ，STC15[4]系列單片機是宏晶公司生產的單時鐘(機器周期)單片機，是高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，采用第八代加密技術，內部集成高精度的R/C時鐘，3路CCP/PWM/PCA，8路高速10位A/D轉換；可徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復位電路和AD轉換電路.利用STC51系列設計智能小車只需外圍加紅外發射與接受器、重力傳感器、電機驅動、無源蜂鳴器、數碼管或LCD等器件就夠了，電路簡單，原理圖如圖2.

圖2 控制電路設計原理圖

3 智能控制系統的軟件設計

智能小車進行傳菜的控制軟件，該軟件由智能小車主程序、紅外接收程序、定位控制程序、驅動控制程序、升降控制程序等部分構成.系統運行時，智能傳菜小車接收到紅外遙控器發送的要傳送達到的桌號時，智能小車解碼紅外遙控器發送的信號，啟動驅動控制程序，驅動前進電機運轉，智能小車前進過程中自動計算運轉距離，達到指定餐桌號時，前進電機停止前進，吊籃電機下降，下降到一定高度，吊籃電機停止下降，并發出聲光報警提示聲，服務員取下菜品后，重力感應測試程序感應到重力減輕，啟動升降控制程序控制吊籃電機上升，達到上限位時停止上升，此時前進電機運轉智能小車返回到廚房，如果返回途中有其他小車擋住，暫停前進，直到障礙消除再返回廚房，完成一次傳菜的過程.圖3是主程序控制流程圖.下面是幾個主要的控制程序的功能要求.

3.1 紅外接收解碼程序功能要求

用戶通過遙控器發送小車要傳送到的餐桌號，紅外接收模塊接收到信號后，解碼出要送到的位置，把數據傳給總控模塊，總控模塊啟動驅動控制程序運行，啟動前進電機工作.

3.2 驅動電機控制應用程序功能要求

收到總控程序發來的信號，啟動前進電機前進，當收到定位模塊發來的達到指定位置的信號時停止前進，并向總控模塊發信號.當收到返回信號時，驅動小車，返回廚房；當需要轉軌時自動轉軌.

3.3 定位控制應用程序功能要求

利用定時計數器作定位控制端口，通過計數軌道上的定位點的數量來測距與定位；利用中斷響應程序來完成達到指定位置的指令.

3.4 吊籃上下升降控制程序功能要求

首先，收到總控程序發來的信號，啟動下降電機下降，到達指定高度時停止；其次，當收到重力感應模塊發來的上升指令時啟動電機上升，到指定高度時停止上升，并向總控模塊發返回指令.

3.5 重力感應程序功能要求

該程序隨時監測重力感應裝置傳來的數據，一旦監測到重量的變化，馬上向總控模塊發控制信號，啟動升降控制程序.

3.6 語音產生程序功能要求

收到總控程序發來的信號，啟動語音播報，并且根據收到的不同信號，播報不同的語音.

圖3 主程序流程圖