田晨 天津科技大學電子信息與自動化學院

1 引言

在現(xiàn)實生活中，由于家人們都要外出工作，無法時刻照顧著家里的老人或者小孩子；而當老人或者孩子單獨外出時，家里人由于不能隨時了解他們的情況而無法放心，這成為了生活中的一大難題，這就需要家庭陪護來解決這一問題。家用陪護是一個巨大的市場，現(xiàn)在我國60歲以上老年人數(shù)量已經(jīng)超過2個億，占總?cè)丝诘?4.9%。到2020年，我國老年人數(shù)將達到2.43億，占比將超過17.2%。老齡化的加劇和典型的“4-2-1”中國家庭結(jié)構(gòu)，為能夠提供情感交流、兒童陪伴等服務功能的智能陪伴機器人奠定了巨大的市場基礎(chǔ)。2015年，人工智能熱悄然興起，從工業(yè)機器人到服務機器人，從單功能到多功能，從工業(yè)領(lǐng)域到多領(lǐng)域，人工智能發(fā)展在不斷提升與完善。如今大數(shù)據(jù)時代下的“人工智能”一定會席卷而來，智能機器人經(jīng)過短暫的2-3年發(fā)展，已經(jīng)逐漸被家庭接納。其中，智能陪護機器人也是我們接觸到最多的機器人 。

因此本項目設計一種用于家庭陪護的智能機器人，主要實現(xiàn)手勢遙控、智能跟隨、自動駕駛模式切換。同時融合多個傳感器，具有手機視頻監(jiān)控、實現(xiàn)溫、濕度、光照等參數(shù)的實時采集和GPS回傳功能。使用藍牙、WIFI在單片機與單片機之間進行通信，通過K60控制傳感器獲取數(shù)據(jù)，根據(jù)實時獲取參數(shù)可以實時反饋信息。

2 機器人總體設計方案

2.1 機器人基本工作原理

該系統(tǒng)以STM32、MK60DN512ZVLQ10作為系統(tǒng)控制處理器，以藍牙、WIFI無線技術(shù)為基礎(chǔ)。實現(xiàn)三種模式切換，包括手勢遙控，智能跟隨和自動駕駛模式。使用氣象臺傳感器獲取周圍溫度、濕度、海拔、光強和氣壓等參數(shù)的實時數(shù)據(jù)，通過紅外和超聲波傳感器實時監(jiān)控周圍障礙物情況并以蜂鳴器進行遇障礙報警，通過攝像頭和GPS實時回傳當前環(huán)境畫面和GPS定位坐標，自動跟隨陽光的太陽能板充電，智能系統(tǒng)控制車上燈光。使用STM32單片機控制機器人上傳感器，實時接收機器人上回傳的數(shù)據(jù)并在LCD屏幕上顯示等等。

STM32控制中心主要是接收機器人主體車身反饋回來的數(shù)據(jù)并在LCD電容觸摸屏上顯示，而且可以控制K60中心。K60控制中心將攝像頭獲取的圖像通過WIFI傳輸給手機，在手機APP上進行顯示，如圖1所示

圖1 工作原理圖

2.2 機器人硬件設計

機器人主體系統(tǒng)主要有機械部分和電路部分組成，電路部分包括以下模塊：攝像頭、GPS、陀螺儀、磁力計、超聲波、紅外光電管、蜂鳴器、五合一氣象臺、光敏電阻、太陽能電池板、舵機、藍牙、WIFI模塊、電壓顯示儀、變色燈、以及單片機最小系統(tǒng)共同構(gòu)成整個硬件電路。如圖2所示

3 軟件與功能設計

3.1 基本功能

基于藍牙無線WIFI網(wǎng)絡的老幼守護智能小車執(zhí)行STM32程序以及K60程序。

(1)將STM32作為控制中心，K60作為執(zhí)行中心，手機作為實時視頻監(jiān)控中心。STM32分別可以選擇3種模式讓K60執(zhí)行中心執(zhí)行，分別是手勢遙控模式、智能跟隨模式以及自動駕駛模式。

①手勢控制模式：機器人進入手勢控制狀態(tài)，根據(jù)手勢可以控制速度，轉(zhuǎn)角，并且?guī)в斜苷蠄缶δ堋?/p>

②智能跟隨模式：機器人進入智能跟隨狀態(tài)，此時機器人會跟隨著人前進后退，并且和人保持一定距離，而且在遇到障礙物是會報警避障。

圖2 主體電路結(jié)構(gòu)框圖

③自動駕駛模式：機器人進入自動駕駛狀態(tài)，會根據(jù)人設定的地球磁角進行前進，在遇到障礙物時能繞過障礙物并且繼續(xù)回到原來設定地球磁力角的方向上。

(2)除了上述三大模式外，機器人還包括以下系統(tǒng)。

①氣象臺系統(tǒng)：K60執(zhí)行中心時刻獲取外界的環(huán)境的溫度、濕度、光照、海拔、氣壓等數(shù)據(jù)，并且把數(shù)據(jù)實時反饋給STM32控制中心。

②定位系統(tǒng)：K60控制GPS模塊自動搜索衛(wèi)星進行定位并將坐標發(fā)給STM32。

③圖像處理系統(tǒng)：K60可以通過攝像頭獲取圖像并且進行處理，然后通過WIFI模塊將視頻圖像傳輸給手機顯示。

④語音系統(tǒng)：K60控制語音模塊，根據(jù)主人發(fā)出的指令來播報不同的內(nèi)容。

⑤意念控制系統(tǒng)：通過腦電波傳感器采集人腦的活動信息，在一定的情況下可以利用腦電波進行控制守護者。

3.2 軟件設計

給機器人上電以后，機器人進行系統(tǒng)初始化對系統(tǒng)資源進行分配。機器人有三種工作模式分別是手勢遙控模式、智能跟隨模式以及自動駕駛模式。系統(tǒng)上電初始化后，默認為手勢遙控模式。在手勢模式下，可通過選擇按鍵來進行模式切換，主控STM32會將切換命令發(fā)送到K60后執(zhí)行切換命令。

4 結(jié)論

本論文提出了一種基于單片機的老幼智能陪護機器人的設計方案。實現(xiàn)了定位、探測周圍環(huán)境等基本功能，并能通過藍牙實現(xiàn)兩個控制器之間的通信實現(xiàn)機器人在手勢遙控模式、智能跟隨模式以及自動駕駛模式之間的切換，從而執(zhí)行對老人和兒童的陪護工作。