陶筱云 劉潤(rùn)揚(yáng) 張煒瑋 胡宇航

摘要：近年來，智能家居逐漸走入大眾家庭，但針對(duì)老年人居家護(hù)理的智能家居仍出于市場(chǎng)空缺狀態(tài)。人步入老年，面對(duì)病痛、記憶力與體力的衰退，生活質(zhì)量均有所下降。針對(duì)老年人的這些問題，就需要一個(gè)能定時(shí)定點(diǎn)為其提供一些生活用品的智能家居，本設(shè)計(jì)針對(duì)解決老人居家養(yǎng)老護(hù)理問題進(jìn)行討論，基于STM32單片機(jī)，結(jié)合OPENMV、機(jī)械臂等硬件設(shè)計(jì)康護(hù)智能小車。設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)智能小車在指令下尋找固定目標(biāo)并到達(dá)指定地點(diǎn)，為用戶提供指定用品的功能，具備智能家居產(chǎn)品特點(diǎn)，在居家養(yǎng)老領(lǐng)域有重要意義。

關(guān)鍵詞：STM32;智能小車;機(jī)械臂

0 引言

隨著我國(guó)老年人人口基數(shù)不斷增大，我國(guó)逐漸邁入人口老齡化社會(huì)。面對(duì)老年人記憶力和體力等不斷下降的問題，老年人日常護(hù)理成為年輕人心頭之患。且近年來隨著科技發(fā)展，智能家居逐漸被普及，但針對(duì)老年人日常護(hù)理需求的智能產(chǎn)品遲遲沒有出現(xiàn)。針對(duì)老人腿腳不便且記憶力較差的情況，希望能夠有智能產(chǎn)品能夠按時(shí)定點(diǎn)為老人提供日常生活中所需要的物品。

康護(hù)智能小車?yán)肙PENMV結(jié)合AprilTag，可以實(shí)現(xiàn)智能小車尋找固定目標(biāo)的需求，即達(dá)到了“定點(diǎn)”的要求。通過OPENMV自帶的視覺算法，加上AprilTag的3D定位原理且每一個(gè)AprilTag庫中的圖像均具有獨(dú)立標(biāo)識(shí)，與二維碼相似，但更為簡(jiǎn)單，提高識(shí)別的實(shí)時(shí)性，可在OPENMV內(nèi)置的STM32單片機(jī)中得到所在的方向、3D位置和標(biāo)識(shí)，通過串口通信將數(shù)據(jù)傳到小車主控STM32單片機(jī)上，在STM32中完成識(shí)別得到的標(biāo)識(shí)與指令中的標(biāo)識(shí)相匹配，通過3D位置的條件判斷是否成立，傳輸相應(yīng)指令到STC89C52RC單片機(jī)上，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。利用機(jī)械臂的抓取動(dòng)作結(jié)合Apriltag識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了提供指定物品的功能。結(jié)合避障、語音識(shí)別等功能加以程序編寫，實(shí)現(xiàn)智能小車在一般家庭戶型中自動(dòng)匹配指令中的對(duì)應(yīng)，并前往所在處，即可完成智能小車前往固定目標(biāo)的需求。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是智能小車尋找到固定地點(diǎn)并提供指定物品。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能小車主體利用STM32F103RC主控，結(jié)合三輪小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電源模塊，OPENMV視覺算法攝像頭模塊和apriltag3D定位算法，通過串口通信，與OPENMV自帶的STM32F427VG通信獲取AprilTag的相關(guān)信息，經(jīng)計(jì)算判斷過后，與STC89C52RC單片機(jī)通信，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制智能小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向以及行進(jìn)距離。本文主要討論的是OPENMV與AprilTag結(jié)合得到所需數(shù)據(jù)對(duì)于智能小車尋找固定目標(biāo)的方法。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 OPENMV攝像頭模塊

本設(shè)計(jì)所采用的OPENMV攝像頭模塊基于STM32F427VG ARM Cortex M4 處理器，搭載OV7725 感光元件和一個(gè)2.8mm焦距鏡頭，可以處理640×480 8-bit 灰度圖或者320×240 16-bit RGB565 彩色圖像。利用MicroPython語言進(jìn)行編程，并且內(nèi)置MicroPython和OPENMV Cam特定的函數(shù)庫，還可以添加第三方函數(shù)庫，可以實(shí)現(xiàn)感光元件、機(jī)器視覺、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等特定功能，可讀性較高，且編譯過程簡(jiǎn)單。能夠?qū)崿F(xiàn)幀差分算法、顏色追蹤、標(biāo)記跟蹤、人臉檢測(cè)等功能。

OPENMV對(duì)于AprilTag的識(shí)別十分迅速，且精確度較高，標(biāo)識(shí)識(shí)別準(zhǔn)確率高，因此通過在不同物體或地點(diǎn)上設(shè)置不同的APRILTAG，就可以實(shí)現(xiàn)智能小車準(zhǔn)確前往指令內(nèi)的目標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)固定目標(biāo)的尋找。

其控制芯片STM32F427VG基于ARM Cortex M4 處理器，模塊整體工作電壓在3.3V-5.0V。有一異步串口總線，可用于與其他單片機(jī)通信。并且含有一μSD卡槽，可用于程序的存儲(chǔ)，便于OPENMV脫機(jī)使用，也可以存儲(chǔ)攝像頭傳回的圖像、視頻等。

2.2 主控芯片與輔助芯片

STM32F103RC是32位ARM微控制器，基于ARM 32位的Cortex-M3內(nèi)核，工作電壓在2.0V-3.6V，工作溫度在-40℃-85℃，同時(shí)含有睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式，降低功耗和成本。共有三個(gè)異步通信串口，保證數(shù)據(jù)接收和發(fā)送分別進(jìn)行，提高容錯(cuò)率。串口一接收OPENMV傳來數(shù)據(jù)，串口二接收語音識(shí)別或APP傳來的指令數(shù)據(jù)，并把二者進(jìn)行匹配;串口三發(fā)送小車行進(jìn)指令到STC89C52RC單片機(jī)，STC89C52RC單片機(jī)接收指令后，控制電機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作。

STC89C52RC單片機(jī)是基于51內(nèi)核的8位CMOS單片機(jī)，具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，工作電壓在2.0V-3.3V，工作溫度在0℃-75℃，含有一個(gè)異步通信串口，可供其與STM32F103RC主控芯片通信。

2.3 小車基本功能模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要是通過L298N驅(qū)動(dòng)模塊，可同時(shí)控制兩個(gè)二相直流電機(jī)，即兩個(gè)電機(jī)分別同時(shí)控制左右轉(zhuǎn)向輪，在判斷條件成立后分別執(zhí)行前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等功能。利用I/O口可直接提供控制信號(hào)，模塊輸出電壓最高可達(dá)50V。模塊所需工作電壓位4.5V-46V，工作溫度為-25°C-130°C。具有啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)。

避障模塊主要利用小車前方的兩個(gè)紅外傳感器，對(duì)小車前方物體進(jìn)行避障，檢測(cè)到極限距離內(nèi)存在紅外反射時(shí)，小車優(yōu)先執(zhí)行避障程序。兩個(gè)紅外傳感器，能做到小車前方180°范圍內(nèi)是否存在障礙，加上軟件設(shè)計(jì)部分保證小車朝向始終為正向，即可保證小車能正常行進(jìn)。

2.4 機(jī)械臂模塊

在小車上加裝機(jī)械臂，大大的提升養(yǎng)老的實(shí)用性，在攝像頭模塊和Apriltag識(shí)別的輔助下，機(jī)械臂可以拾取地面上的雜物或通過編程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)定時(shí)定點(diǎn)為老人夾取所需藥品或生活用品，防止老人被雜物絆倒或者滑倒，也減少了老人自己拿取藥物出現(xiàn)錯(cuò)誤的的可能性。本設(shè)計(jì)利用六個(gè)TBS2701舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在前后左右及斜向六度自由運(yùn)動(dòng)，靈活性更高，能夠?qū)崿F(xiàn)的操作也更多。結(jié)合金屬機(jī)身與抓夾，延長(zhǎng)機(jī)械臂的使用壽命，同時(shí)也能保證動(dòng)作精度更高。具備以下特點(diǎn)：

（1）承載能力足——能夠抓取一定重量的物體以及小車機(jī)身在運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性。

（2）剛度高——用于適應(yīng)外界環(huán)境的變化，比如過熱或者過冷的天氣。

（3）導(dǎo)向性能好——設(shè)置導(dǎo)向裝置或者定位輔助裝置。

（4）重量輕——減少小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的負(fù)荷以及提升其靈活性，在不改變功能的前提下減輕機(jī)械臂重量。

2.5藍(lán)牙模塊

通過藍(lán)牙ATK-HC50模塊與STM32單片機(jī)相連，結(jié)合APP inventor，進(jìn)行圖像化APP開發(fā)。在APP內(nèi)編程可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙連接、地點(diǎn)指令轉(zhuǎn)換相應(yīng)數(shù)字代碼、預(yù)設(shè)時(shí)間等功能，即可使現(xiàn)實(shí)中使用的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為程序內(nèi)使用的數(shù)字信號(hào)，使程序更不容易出錯(cuò)，指令更加精準(zhǔn)，簡(jiǎn)化了單片機(jī)之間串口通信的難度。通過藍(lán)牙連接到手機(jī)，再通過我們自主開發(fā)的APP可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程控制小車，在不方便發(fā)聲或語言有障礙的情況下，依然可以操控智能小車。

2.6 鬧鐘模塊

本設(shè)計(jì)采用4×4矩陣式鍵盤與52單片機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)鬧鐘功能。通過鬧鐘功能+語音播報(bào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)提醒老人按時(shí)吃飯喝水以及吃藥等日常行為，保證了老人的日常規(guī)律作息，在一定程度上使老人的身體更加健康。鬧鐘主要由時(shí)、分，以及鬧鐘狀態(tài)組成，鬧鐘的對(duì)外接口主要由鬧鐘初始化，檢測(cè)鬧鐘，設(shè)置鬧鐘，關(guān)閉鬧鐘等操作組成。

設(shè)計(jì)利用52單片機(jī)與OLED屏，結(jié)合矩陣鍵盤，實(shí)現(xiàn)用戶自主調(diào)時(shí);也可以通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP相連，實(shí)現(xiàn)家人進(jìn)行預(yù)設(shè)或老年人無需移動(dòng)自由操控，減低老年人的操作壓力，提升用戶的使用體驗(yàn)。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)，利用OPENMV攝像頭模塊，結(jié)合AprilTag，設(shè)計(jì)了康護(hù)智能小車的尋找固定目標(biāo)的功能。經(jīng)過兩種方案多次利用實(shí)物重復(fù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將AprilTag置于天花板處時(shí)，小車在尋找固定目標(biāo)時(shí)，更加精確，且受到誤差影響較小，并結(jié)合高優(yōu)先級(jí)的小車中斷避障方案，可保證小車在較簡(jiǎn)單的家庭戶型中為使用者提供基本的日常生活輔助。結(jié)合語音識(shí)別功能和藍(lán)牙app模塊，小車能夠在指令下到達(dá)目標(biāo)id碼處，簡(jiǎn)化操作，提高使用體驗(yàn)。進(jìn)一步可改進(jìn)小車行進(jìn)中避障功能的優(yōu)先級(jí)，調(diào)整小車的避障方法，讓小車能夠在更復(fù)雜的家庭布局中正常行進(jìn)。

利用六度機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)抓夾的動(dòng)作，結(jié)合攝像頭模塊、Apriltag識(shí)別和編程，可以完成在預(yù)制時(shí)間下，為用戶夾取指定物品，到達(dá)指定地點(diǎn)的功能。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“康護(hù)智能小車”（項(xiàng)目號(hào)：202110066005）