吊轨式智能传菜装置设计与研制

李运兰，郭承恩

(长沙学院计算机工程与应用数学学院，湖南 长沙 410022)

随着餐饮业的迅速发展，为顾客提供更加优良的服务成为亟待解决的问题.餐厅的上菜效率是评价服务水平的重要指标之一.现有的上菜过程是在食物做完后由服务人员将食物从工作间送入餐厅供顾客食用，这个过程基本由人工完成，不但所需的服务人员较多，而且服务人员劳动强度大.随着我国经济的快速发展，我国的人力资源趋于紧张，成本也在不断上涨.并且传送人员如果过多，也会导致餐厅过道拥挤，降低了用餐环境的舒适度.为此地面机器人传菜在一些餐馆的应用，成为了一道风景.但大部分餐馆过道拥挤，地面高度不一，造成地面机器人传菜不能广泛地推广应用.

为了解决上述问题，本项目提供一种结构简单、成本低、工作效率高的吊轨式智能传菜装置.本系统安装调试比较方便快捷，装置规模可大可小，成本较低，适应于酒楼的大堂与大型面馆之类的场所.随着中国人口红利的消失，人员工资大幅攀升，吊轨式智能传菜装置的使用可大大地减少人力成本.

1 系统设计

吊轨式智能传菜装置，包括机械轨道、智能传菜小车和盛菜篮三部分.智能小车与盛菜篮通过钢丝绳连接，机械轨道是智能小车的运动轨道.本系统的关键在于机械轨道设计与智能传菜小车的设计.

1.1 机械轨道的设计

机械轨道是智能小车的运动轨道，置于厨房与餐厅之间区域的上空，为单轨道或多轨道的环形轨道，中间开槽，智能小车可在轨道上滑动.轨道开槽的目的是让连接智能小车与盛菜篮的钢丝绳穿过，智能小车与盛菜篮通过钢丝绳连接，盛菜篮可通过控制升降电机智能上下升降.本文设计的这种特殊的轨道，有如下特点：

(1)轨道提供智能小车的供电.采用轨道接电技术[1]，智能小车的供电与高铁的供电类似，降低了供电成本.轨道采用24伏低压供电，保证了供电的安全与低成本.解决了其他的智能小车的锂电与蓄电池供电的高成本与电力续航能力差的问题，并且大大提高了小车的负载能力.

(2)轨道转轨技术自创，转轨简单、高效，多轨道的转轨技术已经申请了专利.轨道是中间开槽的凹槽形状金属轨道,轨道为环形多轨道系统.小车可在多轨道上智能移动和转轨.

(3)轨道上安装有红外定位装置[2].通过与智能小车的定位控制程序一起实现自动指定的目的.

1.2 智能传菜小车的设计

智能传菜小车包括机械部分与智能控制系统.

(1)智能传菜小车机械部分是左右电机与升降电机，电机使用24伏的直流电机，左右电机驱动小车前进与转轨；升降电机控制盛菜篮的上下升降.左右电机分别控制与驱动，便于在多轨道中自动转弯达到自动切换轨道的目的.

(2)智能控制系统.智能传菜小车的控制器包含如下控制模块：红外接收模块、语音播报模块、定位模块、电机驱动与升降控制模块、重力检测模块、自动转轨控制模块、防碰撞模块、LED显示模块等.其中还要解决隔离电源、断电记忆恢复、输入输出隔离、抗干扰等工程技术问题.图1为系统控制模块框图，其中主控MPU可用嵌入式芯片ARNM或51单片机.

图1 智能控制系统模块框图

红外接收模块主要接收来自红外遥控器发出的指定送达的餐桌号，解析出来后保存，用于语音播报、LED显示与定位的需要；显示模块与语音播报模块主要是达到指定餐桌时，餐桌号电子屏显示与语言播报声光一体提醒服务员取菜；定位模块主要是接收轨道上的定位点发送的信号来达到测距与定位，从而控制智能小车达到指定的餐桌；防碰撞模块[3]主要是预防后面的小车与前面停顿的小车相撞；电机驱动与升降控制模块主要是根据指定的餐桌号驱动电机前进或转轨，达到指定的餐桌后，前进电机停止前进，升降电机开始下降，达到指定的高度后停下，语音播报通知服务员取菜.如果已经取走菜品，菜篮就自动上升到指定高度后停止上升，然后前进电机工作自动返回厨房；自动转轨模块主要是根据餐厅轨道与餐桌号位置的设定(需调试控制程序)，当小车要到达的餐桌号需要转轨时设置自动转轨；重力检测模块主要是通过感应重力的变化来判断服务员是否已经取走菜品；防碰撞模块是在小车前进的过程中，判断前方是否有其他小车挡道，如有就暂停前进并报警提示，直到前方障碍物消失再继续前进.

2 智能控制系统的硬件设计

智能小车的主控CPU使用51系列的单片机 ，STC15[4]系列单片机是宏晶公司生产的单时钟(机器周期)单片机，是高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，采用第八代加密技术，内部集成高精度的R/C时钟，3路CCP/PWM/PCA，8路高速10位A/D转换；可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路和AD转换电路.利用STC51系列设计智能小车只需外围加红外发射与接受器、重力传感器、电机驱动、无源蜂鸣器、数码管或LCD等器件就够了，电路简单，原理图如图2.

图2 控制电路设计原理图

3 智能控制系统的软件设计

智能小车进行传菜的控制软件，该软件由智能小车主程序、红外接收程序、定位控制程序、驱动控制程序、升降控制程序等部分构成.系统运行时，智能传菜小车接收到红外遥控器发送的要传送达到的桌号时，智能小车解码红外遥控器发送的信号，启动驱动控制程序，驱动前进电机运转，智能小车前进过程中自动计算运转距离，达到指定餐桌号时，前进电机停止前进，吊篮电机下降，下降到一定高度，吊篮电机停止下降，并发出声光报警提示声，服务员取下菜品后，重力感应测试程序感应到重力减轻，启动升降控制程序控制吊篮电机上升，达到上限位时停止上升，此时前进电机运转智能小车返回到厨房，如果返回途中有其他小车挡住，暂停前进，直到障碍消除再返回厨房，完成一次传菜的过程.图3是主程序控制流程图.下面是几个主要的控制程序的功能要求.

3.1 红外接收解码程序功能要求

用户通过遥控器发送小车要传送到的餐桌号，红外接收模块接收到信号后，解码出要送到的位置，把数据传给总控模块，总控模块启动驱动控制程序运行，启动前进电机工作.

3.2 驱动电机控制应用程序功能要求

收到总控程序发来的信号，启动前进电机前进，当收到定位模块发来的达到指定位置的信号时停止前进，并向总控模块发信号.当收到返回信号时，驱动小车，返回厨房；当需要转轨时自动转轨.

3.3 定位控制应用程序功能要求

利用定时计数器作定位控制端口，通过计数轨道上的定位点的数量来测距与定位；利用中断响应程序来完成达到指定位置的指令.

3.4 吊篮上下升降控制程序功能要求

首先，收到总控程序发来的信号，启动下降电机下降，到达指定高度时停止；其次，当收到重力感应模块发来的上升指令时启动电机上升，到指定高度时停止上升，并向总控模块发返回指令.

3.5 重力感应程序功能要求

该程序随时监测重力感应装置传来的数据，一旦监测到重量的变化，马上向总控模块发控制信号，启动升降控制程序.

3.6 语音产生程序功能要求

收到总控程序发来的信号，启动语音播报，并且根据收到的不同信号，播报不同的语音.

图3 主程序流程图