基于STM32單片機(jī)的老幼陪護(hù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

田晨 天津科技大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院

1 引言

在現(xiàn)實(shí)生活中，由于家人們都要外出工作，無法時(shí)刻照顧著家里的老人或者小孩子；而當(dāng)老人或者孩子單獨(dú)外出時(shí)，家里人由于不能隨時(shí)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(hù)來解決這一問題。家用陪護(hù)是一個(gè)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(gè)億，占總?cè)丝诘?4.9%。到2020年，我國老年人數(shù)將達(dá)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(wù)功能的智能陪伴機(jī)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(jī)器人到服務(wù)機(jī)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(shí)代下的“人工智能”一定會席卷而來，智能機(jī)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(hù)機(jī)器人也是我們接觸到最多的機(jī)器人 。

因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種用于家庭陪護(hù)的智能機(jī)器人，主要實(shí)現(xiàn)手勢遙控、智能跟隨、自動駕駛模式切換。同時(shí)融合多個(gè)傳感器，具有手機(jī)視頻監(jiān)控、實(shí)現(xiàn)溫、濕度、光照等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和GPS回傳功能。使用藍(lán)牙、WIFI在單片機(jī)與單片機(jī)之間進(jìn)行通信，通過K60控制傳感器獲取數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)時(shí)獲取參數(shù)可以實(shí)時(shí)反饋信息。

2 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案

2.1 機(jī)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(lán)牙、WIFI無線技術(shù)為基礎(chǔ)。實(shí)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(qiáng)和氣壓等參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過紅外和超聲波傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控周圍障礙物情況并以蜂鳴器進(jìn)行遇障礙報(bào)警，通過攝像頭和GPS實(shí)時(shí)回傳當(dāng)前環(huán)境畫面和GPS定位坐標(biāo)，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(jī)控制機(jī)器人上傳感器，實(shí)時(shí)接收機(jī)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(jī)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(jī)，在手機(jī)APP上進(jìn)行顯示，如圖1所示

圖1 工作原理圖

2.2 機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人主體系統(tǒng)主要有機(jī)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(jì)、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(jī)、藍(lán)牙、WIFI模塊、電壓顯示儀、變色燈、以及單片機(jī)最小系統(tǒng)共同構(gòu)成整個(gè)硬件電路。如圖2所示

3 軟件與功能設(shè)計(jì)

3.1 基本功能

基于藍(lán)牙無線WIFI網(wǎng)絡(luò)的老幼守護(hù)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(jī)作為實(shí)時(shí)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(jī)器人進(jìn)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?bào)警功能。

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

圖2 主體電路結(jié)構(gòu)框圖

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

(2)除了上述三大模式外，機(jī)器人還包括以下系統(tǒng)。

①氣象臺系統(tǒng)：K60執(zhí)行中心時(shí)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(shí)時(shí)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(jìn)行定位并將坐標(biāo)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(jìn)行處理，然后通過WIFI模塊將視頻圖像傳輸給手機(jī)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(bào)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(jìn)行控制守護(hù)者。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

給機(jī)器人上電以后，機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)初始化對系統(tǒng)資源進(jìn)行分配。機(jī)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(rèn)為手勢遙控模式。在手勢模式下，可通過選擇按鍵來進(jìn)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(jī)的老幼智能陪護(hù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。實(shí)現(xiàn)了定位、探測周圍環(huán)境等基本功能，并能通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制器之間的通信實(shí)現(xiàn)機(jī)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(hù)工作。