任务名称
2021年_F题:智能送药小车
任务要求
难度

一、任务

设计并制作智能送药小车,模拟完成在医院药房与病房间药品的送取作业。院区结构示意如图 1 所示。院区走廊两侧的墙体由黑实线表示。走廊地面上画有居中的红实线,并放置标识病房号的黑色数字可移动纸张。药房和近端病房号(1、2 号)如图 1 所示位置固定不变,中部病房和远端病房号(3-8 号)测试时随机设定。 工作过程:参赛者手动将小车摆放在药房处(车头投影在门口区域内,面向病房),手持数字标号纸张由小车识别病房号,将约 200g 药品一次性装载到送药小车上;小车检测到药品装载完成后自动开始运送;小车根据走廊上的标识信息自动识别、寻径将药品送到指定病房(车头投影在门口区域内),点亮红色指示灯,等待卸载药品;病房处人工卸载药品后,小车自动熄灭红色指示灯,开始返回;小车自动返回到药房(车头投影在门口区域内,面向药房)后,点亮绿色指示灯。

二、要求

1.基本要求

  • 单个小车运送药品到指定的近端病房并返回到药房。要求运送和返回时间均小于 20s,超时扣分。
  • 单个小车运送药品到指定的中部病房并返回到药房。要求运送和返回时间均小于 20s,超时扣分。
  • 单个小车运送药品到指定的远端病房并返回到药房。要求运送和返回时间均小于 20s,超时扣分。 

2.发挥部分

  • 两个小车协同运送药品到同一指定的中部病房。小车 1 识别病房号装载药品后开始运送,到达病房后等待卸载药品;然后,小车 2 识别病房号装载药品后启动运送,到达自选暂停点后暂停,点亮黄色指示灯,等待小车 1 卸载;小车 1 卸载药品,开始返回,同时控制小车 2 熄灭黄色指示灯并继续运送。要求从小车 2 启动运送开始,到小车 1 返回到药房且小车 2 到达病房的总时间(不包括小车 2 黄灯亮时的暂停时间)越短越好,超过 60s 计 0 分。
  • 两个小车协同到不同的远端病房送、取药品,小车 1 送药,小车 2 取 药。小车 1 识别病房号装载药品后开始运送,小车 2 于药房处识别病房号等待小车 1 的取药开始指令;小车 1 到达病房后卸载药品,开始返回,同时向小车 2发送启动取药指令;小车 2 收到取药指令后开始启动,到达病房后停止,亮红色指示灯。要求从小车 1 返回开始,到小车 1 返回到药房且小车 2 到达取药病房的总时间越短越好,超过 60s 计 0 分。
  • 其他。

三、说明

  1. 院区可由铺设白色亚光喷绘布制作。走廊上的黑线和红线由喷绘或粘贴线宽约为 1.5cm~1.8cm 的黑色和红色电工胶带制作。药房和病房门口区域指其标线外沿所涵盖的区域,其标线为约 2cm 黑白相间虚线。图 1 中非黑色、非红色仅用于识图解释,在实测院区中不出现。
  2. 标识病房的黑色数字可在纸张上打印,数值为 1-8,每个数字边框长宽为 8cm×6cm,将“数字字模.pdf”文件按实际大小打印即可;数字标号纸张可由无痕不干胶等粘贴在走廊上,其边框距离实线约 2cm;图 1 中标识远端病房的两个并排数字边框之间距离约 2cm。
  3. 小车长×宽×高不大于 25cm×20cm×25cm,使用普通车轮(不能使用履带或麦克纳姆轮等特殊结构)。两小车均由电池供电,小车间可无线通信,外界无任何附加电路与控制装置。
  4. 作品应能适应无阳光直射的自然光照明及顶置多灯照明环境,测试时不得有特殊照明条件要求。
  5. 每项测试开始时,只允许按一次复位键,装载药品后即刻启动运送时间计时,卸载药品后即刻启动返回时间计时。计时开始后,不得人工干预。每个测试项目只测试一次。
  6. 小车于药房处识别病房号的时间不超过 20s。发挥部分(1)中自选暂停点处的小车 2 与小车 1 的车头投影外沿中心点的红实线距离不小于 70cm。
  7. 有任何一个指示灯处于点亮状态的小车必须处于停止状态。两小车协同运送过程中不允许在同一走廊上错车或超车。
  8. 测试过程中,小车投影落在黑实线上或两小车碰撞将被扣分;小车投影连续落在黑实线上超过 30cm 或整车越过黑实线,或两小车连续接触时间超过5s,该测试项计 0 分。
  9. 参赛者需自带 2 套数字标号纸张,无需封箱。
评审标准

参考答案

GPT-4o给出的设计方案:


一、硬件设计

  1. 小车本体

    • 选择体积适中且稳定性强的小车平台,例如带有电机驱动轮的两轮/四轮平衡车平台,具备一定的负载能力。
    • 安装传感器:超声波传感器、红外传感器、颜色传感器和RFID读写器,以实现路线跟踪、障碍物检测和识别标志点。
  2. 控制系统

    • 使用Raspberry Pi或Arduino作为控制单元,负责传感器数据处理和小车运动控制。
    • 配备无线通信模块(如Wi-Fi模块或Zigbee模块),实现数据传输和远程控制。
  3. 机械结构

    • 配备药品存放盒,确保药品在输送过程中稳固不移位。
    • 配有摄像头模块,用于图像识别和路径跟踪。

二、软件设计

  1. 路径规划与导航

    • 使用开放源码的SLAM算法(如GMapping)配合ROS(机器人操作系统),实现小车在环境中的自定位与路径规划。
    • 预先绘制药房至各病房的路径地图,利用传感器获取的实时数据进行导航和障碍物规避。
  2. 传感器数据处理

    • 编写软件程序实时读取超声波和红外传感器数据,用于检测小车周围的障碍物并进行避障。
    • 使用颜色传感器和RFID读写器进行标志点识别,实现对特定区域(如药房和病房)的精确定位和识别。
  3. 药品输送任务管理

    • 编写控制逻辑,根据任务指令控制小车从药房出发,依次完成各个停靠点的药品输送。
    • 设计图像处理算法,实现通过摄像头拍摄的图像识别药品输送位置和获取标志点信息。

三、系统测试与优化

  1. 路径跟踪测试

    • 测试小车在预设路径上的跟踪效果,确保在不超过20秒的时间内完成各个路线段的行驶。
    • 优化路径规划算法,确保小车运行平稳且不偏离预定路径。
  2. 标志点识别与定位测试

    • 测试传感器对标志点的识别准确性,包括颜色标志和RFID标志的识别。
    • 确保小车能够在接收到标志点信号后准确停车和执行相应动作。
  3. 药品输送验证

    • 模拟各种实际药品输送任务,确保小车能够按照要求准确将药品输送到指定病房,并完成药品交接。
    • 根据实际运行情况,优化控制逻辑和路线规划,确保系统在不同情况下的鲁棒性和稳定性。

通过上述硬件和软件设计,能够满足任务需求,构建一个高效、稳定的智能送药小车系统。


本题考察知识点

本题目考察的是设计智能送药小车的系统能力,包含硬件设计、路径规划与导航、传感器数据处理和控制逻辑等方面的知识。具体知识点包括:

  • 硬件设计:传感器选型与集成,控制单元选择,通信模块应用。
  • 路径规划与导航:SLAM算法的应用,ROS系统的使用,实时自定位与路径规划。
  • 传感器数据处理:超声波、红外线、颜色传感器与RFID读写器的信号处理及避障算法。
  • 控制逻辑:药品输送任务管理,图像处理算法的设计,标志点识别。
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