一款智能家居機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要科技的發(fā)展推動(dòng)著社會(huì)的進(jìn)步，引領(lǐng)著時(shí)代發(fā)展的潮流，目前我國(guó)社會(huì)正處于重大轉(zhuǎn)型階段，機(jī)器人技術(shù)、5G技術(shù)、智能家居技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期，人們開始追求更高的生活品質(zhì)、更舒適的居家環(huán)境。為了滿足人們對(duì)家居環(huán)境日益增長(zhǎng)的智能化需求，本文設(shè)計(jì)了一款集家電控制、巡邏安保、互動(dòng)與娛樂(lè)于一體的智能管家機(jī)器人，其具有圖像采集處理、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享、安全巡邏等功能，主要由OPENMV處理器、K60處理器、ATK-ESP8266通訊模塊、紅外測(cè)距傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源穩(wěn)壓模塊等部分組成。其中家電控制功能主要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（即設(shè)備端、云服務(wù)器端、手機(jī)APP端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和通訊）來(lái)實(shí)現(xiàn)，巡邏安保功能主要通過(guò)人臉識(shí)別技術(shù)和智能家居機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：圖像處理，物聯(lián)網(wǎng)，智能家居，人機(jī)交互，安防機(jī)器人目錄摘要 IABSTRACT II第1章緒論 51.1研究背景及意義 51.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 61.3主要研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排 61.3.1主要研究?jī)?nèi)容 61.3.2章節(jié)安排 7第2章總體方案 82.1智能家居機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 82.2本文設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 8第3章硬件選型 103.1微處理器MCU選型 103.1.1設(shè)計(jì)需求 103.1.2微處理器MCU選型比較 103.1.3圖像處理平臺(tái)OPENMV介紹 103.1.4主控制器K60介紹 113.2測(cè)距傳感器選型 123.2.1夏普GP2Y0A21紅外傳感器簡(jiǎn)介 123.3物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊選型 133.3.1ATK-ESP8266簡(jiǎn)介 13第4章硬件電路設(shè)計(jì) 154.1電源穩(wěn)壓電路 154.1.1LM2940-5V供電電路 164.1.1AMS1117-3.3V供電電路 164.2BTN7960H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 17第5章軟件設(shè)計(jì) 195.1基于Haar特征Adaboost分類器的人臉識(shí)別 195.1.1Haar分類器算法簡(jiǎn)述 195.1.2Haar人臉檢測(cè)的檢測(cè)流程 205.1.3實(shí)驗(yàn)效果分析及實(shí)現(xiàn)代碼 205.2智能管家機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制 225.2.1智能管家機(jī)器人轉(zhuǎn)向行進(jìn)的實(shí)現(xiàn) 225.2.2智能管家機(jī)器人避障功能的實(shí)現(xiàn) 225.3物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建 23第6章總結(jié)與展望 25參考文獻(xiàn) 27附錄 28第1章緒論1.1研究背景及意義自20世紀(jì)80年代以來(lái)，智能家居逐漸進(jìn)入了我們的生活，并對(duì)我們生活方式產(chǎn)生了重大影響，例如生活中常見(jiàn)的聲控?zé)?、感光窗簾、掃地機(jī)器人等等，我們的生活愈發(fā)離不開這些智能化產(chǎn)品提供的便利。回顧智能家居的發(fā)展，大致可分為三個(gè)階段：電子家電，家庭自動(dòng)化和家居智能化，其中第三階段是通過(guò)嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)對(duì)家庭設(shè)備的自動(dòng)化管理和控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雖然智能家居的概念在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)提出，但受限于當(dāng)時(shí)通訊技術(shù)和設(shè)計(jì)成本的考慮，智能家居直到近幾年，才進(jìn)入了發(fā)展的“蓬勃期”。另外，網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)對(duì)智能家居最為關(guān)鍵，目前智能家居的通信方式大多是布線式，在實(shí)際使用中，存在著維修起來(lái)難度大，前期布線工作量大，造價(jià)比較高等問(wèn)題，因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信方式在智能家居的發(fā)展進(jìn)程中是必然的趨勢(shì)。在物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，人工智能和半導(dǎo)體技術(shù)也進(jìn)入新的飛速發(fā)展時(shí)期，這為機(jī)器更加“智能化”的服務(wù)提供了強(qiáng)有力的保證。機(jī)器開始學(xué)會(huì)“揣度”我們的生活習(xí)慣、生活需求，并隨之創(chuàng)造更適合我們生活的居家環(huán)境，但是受限于人工智能技術(shù)進(jìn)入高速期發(fā)展時(shí)間還較短，所以當(dāng)前智能家居智能化水平與人們的期待之間還有很大的差距。家庭環(huán)境是我們休息和“充電”的主要場(chǎng)所，智能家居的智能水平與其便捷程度，直接關(guān)系到我們每個(gè)人的“生活幸福指數(shù)”。在人們這種需求的推動(dòng)下，智能家居的發(fā)展變得愈來(lái)愈火熱，近些年來(lái)許多大型科技公司陸陸續(xù)續(xù)推出了許多的產(chǎn)品，例如小米公司近些年來(lái)發(fā)行的物聯(lián)網(wǎng)電器開關(guān)系統(tǒng)、海爾公司的智能廚房系統(tǒng)、騰訊公司的語(yǔ)音情感音響等，但是這些智能家居系統(tǒng)雖然具有很強(qiáng)的針對(duì)性，能很好地完成某一方面的任務(wù)，但在其他方面的表現(xiàn)上略有欠缺，“靈活性”還需增強(qiáng)。例如小米公司的智能電氣開關(guān)系統(tǒng)，雖然能很好地完成遠(yuǎn)程控制電器的開關(guān)，但在人機(jī)信息交互方面略有欠缺，它需要用戶人為給予指令才能做出響應(yīng)，缺乏智能感，另外它無(wú)法與用戶進(jìn)行貼近于人與人之間的交流；騰訊公司的語(yǔ)音情感音響雖能實(shí)現(xiàn)與人近似無(wú)障礙的對(duì)話，但無(wú)法對(duì)家庭內(nèi)一些電器實(shí)現(xiàn)控制，不免讓人產(chǎn)生一種“思想上的巨人，行動(dòng)上的矮子”的感覺(jué)。在智能家居的發(fā)展道路上，人們愈發(fā)認(rèn)識(shí)到需要一款綜合性較強(qiáng)的智能管家機(jī)器人來(lái)更好為我們的家居生活服務(wù)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀智能家居機(jī)器人發(fā)展到今天，與人們對(duì)家居環(huán)境日益增長(zhǎng)的智能化需求和一代又一代工程師的努力是分不開的。在19世紀(jì)30年代，世界上出現(xiàn)了第一款具有智能家居概念的機(jī)器人：Alpha機(jī)器人，這款機(jī)器人具有能進(jìn)行簡(jiǎn)單問(wèn)題回答的能力，但不具備機(jī)動(dòng)能力。十年后，美國(guó)的一家電氣公司設(shè)計(jì)出了Elektro機(jī)器人，具有簡(jiǎn)單言語(yǔ)識(shí)別能力，能說(shuō)出大約700個(gè)單詞，能播放唱片，還能抽煙、吹氣球[1]。后來(lái)在20世紀(jì)70年代，澳大利亞的科學(xué)家韓特教授首次提出了在機(jī)器人操作器上采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的想法，這一想法取得了極大的成功并在后來(lái)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。20世紀(jì)90年代，我國(guó)第一臺(tái)六自由度高精度并聯(lián)機(jī)器人被燕山大學(xué)的黃教授研發(fā)并制造了出來(lái)[2]。智能家居機(jī)器人這一說(shuō)法最早是由美國(guó)的H.Moravec教授提出來(lái)的，他首次提出利用攝像頭圖像采集的方式來(lái)處理機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中的問(wèn)題并取得一系列豐碩的成果，自此，智能家居機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)入了蓬勃期。近些年來(lái)，在人工智能第三次“浪潮”的背景下，智能家居機(jī)器人的智能化程度發(fā)展到了新的高度，機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集能力、計(jì)算處理能力、機(jī)動(dòng)運(yùn)行能力大幅提升，為智能家居的未來(lái)發(fā)展抹上了無(wú)限的想象色彩。1.3主要研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排1.3.1主要研究?jī)?nèi)容本文的主要工作為：系統(tǒng)需求分析:分析了當(dāng)前智能家居市場(chǎng)的現(xiàn)狀和人們對(duì)智能化家居系統(tǒng)新的需求和方向。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì):確定系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)的框架，選擇使用移動(dòng)式機(jī)器人和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合的方式來(lái)搭建智能家居系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建:通過(guò)ESP-8266實(shí)現(xiàn)服務(wù)器云端與設(shè)備端之間的一對(duì)多或多對(duì)多的數(shù)據(jù)透?jìng)?、?shù)據(jù)監(jiān)控和管理等功能。智能家居機(jī)器人的軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：各設(shè)備端的硬件驅(qū)動(dòng)電路和軟件程序方案設(shè)計(jì)。1.3.2章節(jié)安排本文主要包括六章：第1章緒論，闡述了智能家居機(jī)器人的背景和發(fā)展現(xiàn)狀，說(shuō)明了當(dāng)前智能家居機(jī)器人的前景和需求。第2章總體方案，介紹了智能家居機(jī)器人的系統(tǒng)框架和要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。第3章硬件選型，介紹了本設(shè)計(jì)中所選用的控制器、傳感器等，并闡述了選擇的標(biāo)準(zhǔn)和所選用硬件的優(yōu)勢(shì)。第4章硬件電路開發(fā)，介紹了智能家居機(jī)器人所采用的供電電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。第5章程序設(shè)計(jì)，介紹了所采用的人臉識(shí)別算法、避障方案和手機(jī)APP的開發(fā)。第6章總結(jié)與展望，對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，為更好地適應(yīng)使用者的需要，對(duì)這款智能家居機(jī)器人所存在的不足進(jìn)行了闡述和對(duì)改善方案的構(gòu)想。第2章總體方案2.1智能家居機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖智能家居機(jī)器人可分為運(yùn)動(dòng)控制部分、圖像采集處理部分、物聯(lián)網(wǎng)通訊部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。智能家居機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分實(shí)際是一個(gè)四輪平衡小車，其中兩個(gè)帶有電機(jī)的直向輪為動(dòng)力來(lái)源，另外一前一后分別各放置一個(gè)萬(wàn)向輪維持車體平衡，MCU通過(guò)對(duì)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制就可較為簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)對(duì)小車姿態(tài)、前進(jìn)方向的控制。智能家居機(jī)器人的圖像采集處理是通過(guò)OPENMV平臺(tái)對(duì)攝像頭OV7225采集到的圖像信息進(jìn)行處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在OPENMV內(nèi)得到環(huán)境中人臉特征信息后，將特征信息與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)人員信息庫(kù)的信息進(jìn)行比對(duì)，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別并起到安防的作用。物聯(lián)網(wǎng)通訊部分是指MCU通過(guò)ATK-ESP8266無(wú)線模塊將各類傳感器采集到的信息傳送到云服務(wù)器，然后以云服務(wù)器為信息交換中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境下家用電器的智能控制。2.2本文設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容智能家居機(jī)器人定義為在家庭范圍內(nèi)，為人類完成某些特定任務(wù)的機(jī)器人[3]。其具有強(qiáng)悍的信息處理系統(tǒng)，能依靠各類傳感器獲得的信息，感知周圍復(fù)雜的環(huán)境，理解人的需求和信息指令，執(zhí)行用戶的命令，主要從事家庭服務(wù)、安防監(jiān)護(hù)等工作。按照不同的服務(wù)類型，可將本文設(shè)計(jì)的智能家居機(jī)器人功能分為以下三類：充當(dāng)“智能管家”的角色智能家居機(jī)器人通過(guò)ATK-ESP8266模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器端與云服務(wù)器端通訊，用戶可通過(guò)手機(jī)APP發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)家中燈光、窗簾空調(diào)等各種電氣設(shè)備的開關(guān)控制和參數(shù)設(shè)定，達(dá)到人、設(shè)備、云服務(wù)器之間的信息交互，智能化控制家庭設(shè)備的目標(biāo)。（2）充當(dāng)“居家衛(wèi)士”的角色智能家居機(jī)器人進(jìn)入“巡邏”模式時(shí)，在房間內(nèi)隨機(jī)進(jìn)行巡邏，當(dāng)攝像頭檢測(cè)到人時(shí)，對(duì)人臉進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)人員不是數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)已存入的人員時(shí)，立馬進(jìn)行拍照取證，并立即通過(guò)手機(jī)短信通知戶主。（3）充當(dāng)“電子寵物”的角色智能家居機(jī)器人可以與使用者進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)話互動(dòng)，可以按照使用者的指令轉(zhuǎn)圈和與使用者進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)話問(wèn)答，隨時(shí)關(guān)注并滿足使用者的心理陪伴需求，幫助使用者更好地釋放壓力和排解孤獨(dú)感。第3章硬件選型3.1微處理器MCU選型3.1.1設(shè)計(jì)需求選擇控制器時(shí)需要注意以下問(wèn)題：（1）因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)的接收和所需要處理數(shù)據(jù)量較大，所以最好使用多個(gè)控制器共同協(xié)作來(lái)完成控制任務(wù)，其中規(guī)定主控制器來(lái)完成各類信息的匯總和智能家居機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，因?yàn)閳D像數(shù)據(jù)量比較龐大且內(nèi)容較復(fù)雜，所以需要選擇一款適合的副控制器專門負(fù)責(zé)用來(lái)處理圖像信息，得到處理結(jié)果后將其發(fā)送至主控制器。（2）因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程中多個(gè)控制器與模塊之間要進(jìn)行相互通信，所以要求處于通信節(jié)點(diǎn)的控制器具有多個(gè)通訊接口，方便實(shí)現(xiàn)各類傳感器模塊信息的接受。（3）因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要求機(jī)器人具有一定的機(jī)動(dòng)運(yùn)行能力，所以要求主控制器具備多個(gè)基本的定時(shí)器，具備PWM，GPIO等電流信號(hào)輸出的驅(qū)動(dòng)能力；副控制器要方便連接攝像頭并方便處理圖像信息，當(dāng)前主流用來(lái)做機(jī)器視覺(jué)的編程語(yǔ)言有Python、c++等高級(jí)匯編語(yǔ)言，所以選擇的MCU開發(fā)平臺(tái)最好支持Python和C++語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。3.1.2常見(jiàn)微處理器MCU的分析比較目前市面上主流的CPU架構(gòu)主要有X86-64和ARM架構(gòu)，前者主要應(yīng)用于桌面PC、服務(wù)器以及一些工業(yè)控制領(lǐng)域，雖然此架構(gòu)相對(duì)于后者穩(wěn)定性和計(jì)算性能相對(duì)較好，但是工作時(shí)其功耗發(fā)熱也相對(duì)較嚴(yán)重，體積也比較大，另外采購(gòu)成本相對(duì)于后者也高出不少，因此這里主要考慮采用ARM架構(gòu)的微控制器來(lái)完成相關(guān)的任務(wù)。ARM架構(gòu)處理器廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有32位和64位設(shè)計(jì)兩種類型，其主要具有低功耗，體積較小、發(fā)熱問(wèn)題相對(duì)較小、采購(gòu)價(jià)格相對(duì)較低等等優(yōu)點(diǎn)，使得此架構(gòu)的控制器被廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備（如MP5，智能手機(jī)，智能手表等各類智能化便攜設(shè)備）、電腦外設(shè)（如常用的鼠標(biāo)鍵盤，遙控器，交換機(jī)），各類常見(jiàn)硬盤等等，平時(shí)嵌入式設(shè)計(jì)工作中常常使用的STM32F103單片機(jī)便屬于Cortex-M3架構(gòu)。STM32F103單片機(jī)主頻為72Mhz，足以適配此任務(wù)中圖像信息處理的開發(fā)需要，OPENMV是一款核心處理器為STM32F103單片機(jī)，另外其生產(chǎn)商開發(fā)了較完善的使用庫(kù)和一些開發(fā)說(shuō)明，所以這里有關(guān)圖像處理的任務(wù)，我們選擇搭載攝像頭OV7225的視覺(jué)開發(fā)平臺(tái)OPENMV。至于信息中介站和機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制方面任務(wù)的主控制器的確定，這里選用K60單片機(jī)，因?yàn)镵60單片機(jī)運(yùn)算能力較快且價(jià)格較低，另外在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)K60單片機(jī)使用人數(shù)較多，方便一些問(wèn)題的交流和解決，再加上功能引腳較多的特點(diǎn)，庫(kù)開發(fā)和構(gòu)建相對(duì)完善，這里最終確定下了使用K60單片實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)搭建和機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制的任務(wù)。3.1.3圖像處理平臺(tái)OPENMV介紹圖3.1OPENMV實(shí)物圖OPENMV是一款開源、功能強(qiáng)大、價(jià)格比較低的機(jī)器視覺(jué)模塊。其中這款模塊以STM32F76CPU為核心處理器，硬件電路上集成了OV7725攝像頭芯片，十分適合作為一些嵌入式設(shè)備、機(jī)器人的視覺(jué)處理中心，其生產(chǎn)商用C語(yǔ)言搭建了一些算法庫(kù)，其中包含了當(dāng)前機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的大多核心機(jī)器視覺(jué)算法，并提供了PYTHON的編程接口方便使用者更高效地完成開發(fā)任務(wù)，使用者只需要進(jìn)行相關(guān)接口函數(shù)的簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)和對(duì)相關(guān)算法的簡(jiǎn)要了解就可以進(jìn)行視覺(jué)方面的開發(fā)工作。圖3.2OPENMV引腳功能圖3.1.4主控制器K60介紹圖3.3K60處理器實(shí)物圖Kinetis60系列處理器是基于ARMCortex－M4、具有超強(qiáng)的可擴(kuò)展性的低功耗混合信號(hào)微處理器。這一些系列處理器是ARM為適應(yīng)數(shù)字信號(hào)市場(chǎng)而專門開發(fā)的最新嵌入式處理器，具有高效易用的控制信號(hào)處理功能。Cortex－M4處理器內(nèi)核，內(nèi)部數(shù)據(jù)通道、內(nèi)存均為32位，內(nèi)部接口采用哈佛結(jié)構(gòu)，有獨(dú)立的指令系統(tǒng)和數(shù)據(jù)總線，指令操作和數(shù)據(jù)訪問(wèn)可以同時(shí)進(jìn)行。另外，Kinetis60核心板主頻為100Mhz，具有144根外接引腳，具有OLED/藍(lán)牙接口，足以滿足本智能家居機(jī)器人的需要。3.2測(cè)距傳感器選型常見(jiàn)的測(cè)距傳感器有超聲波測(cè)距傳感器HC-SR04、紅外測(cè)距傳感器GP2Y0A21、雙目攝像頭等，由于超聲波測(cè)距傳感器HC-SR04測(cè)距過(guò)程中，存在一定延時(shí)時(shí)間，會(huì)對(duì)機(jī)器人的測(cè)距精度和控制方案造成一定影響，雙目攝像頭價(jià)格較為高昂，再加上雙目攝像頭的性能在這里并不能充分被利用，這會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，所以這里最終采用了紅外測(cè)距傳感器夏普GY2Y0A21模塊來(lái)測(cè)量距離的方案。3.2.1夏普GP2Y0A21紅外傳感器簡(jiǎn)介圖3.4夏普GP2Y0A21紅外傳感器實(shí)物圖夏普GP2Y0A21距離測(cè)量傳感器是一種基于PSD原理的微型距離傳感器。它的測(cè)量范圍較長(zhǎng)，能達(dá)到1m左右，測(cè)量角度也能滿足我們的設(shè)計(jì)要求，能達(dá)到50°左右，另外經(jīng)過(guò)查閱它的技術(shù)文檔，他在50cm之內(nèi)距離與模擬輸出電壓之間的線性關(guān)系較好，我們只需要利用單片機(jī)的ADC電壓采集功能，就能比較簡(jiǎn)便的采集到這一模塊的模擬電壓輸出，然后根據(jù)線性關(guān)系，就能比較方便的推測(cè)出當(dāng)前智能管家機(jī)器人距離障礙物的距離。3.3物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊選型常見(jiàn)的IOT（物聯(lián)網(wǎng)）模塊有無(wú)線通訊模塊ATK-ESP8266、無(wú)線模塊NRF24L01、無(wú)線數(shù)透模塊ATK-M751等，但考慮到ATK-ESP8266提供免費(fèi)云服務(wù)器，不必自己再搭建云服務(wù)器，直接可以免費(fèi)使用其數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)功能。另外，ATK-ESP8266模塊使用用戶較多且成本較低，方便資料查詢和進(jìn)行開發(fā)，所以這里最終確定使用ATK-ESP8266來(lái)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通訊。3.3.1ATK-ESP8266通訊模塊簡(jiǎn)介圖3.4ATK-ESP8266模塊實(shí)物圖ATK-ESP8266是一款超低功耗的無(wú)線wifi通信模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，兼容3.3V和5.0V供電的單片機(jī)，使用和操作過(guò)程比較簡(jiǎn)單，只需要對(duì)它進(jìn)行簡(jiǎn)單的串口指令發(fā)送，就能夠?qū)ζ淠Ｊ竭M(jìn)行選擇和控制。另外這款產(chǎn)品能與原子云服務(wù)器兼容，如果要用這款產(chǎn)品進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)通信的任務(wù)，可以直接使用廠家提供的云服務(wù)器服務(wù)，省去了自己搭建云服務(wù)器的繁瑣工作。其他的一些基本參數(shù)，可以參考圖3.4.圖3.4ATK-ESP8266基本參數(shù)硬件電路設(shè)計(jì)智能管家機(jī)器人硬件電路主要由電源穩(wěn)壓模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)等組成，出于電池體積、重量、容量的考慮，這里整個(gè)系統(tǒng)的供電來(lái)源選用型號(hào)為格氏7.4V的航模電池，電池容量為1800mah。其中上述的幾個(gè)硬件電路模塊中，電源穩(wěn)壓模塊負(fù)責(zé)將7.4V電池電壓降壓到MCU正常工作的3.3V和供紅外測(cè)距模塊、ATK-ESP8266無(wú)線模塊等正常工作的5V；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)放大控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的控制。圖4.1格氏電池實(shí)物圖4.1電源穩(wěn)壓電路圖4.2智能管家機(jī)器人供電方案智能家居機(jī)器人供電來(lái)源為容量為1800mAh、額定電壓為7.4V的航模電池，根據(jù)各模塊穩(wěn)定工作的正常電壓要求及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的額定電壓要求，系統(tǒng)要提供5V和3.3V的穩(wěn)定電壓，為了滿足系統(tǒng)的兩種供電電壓穩(wěn)定，基于成本、和各模塊功耗的計(jì)算分析，本文最終選擇了采用LD0器件穩(wěn)壓的方案，分別為電壓信號(hào)LM2904-5V和AMS117-3.3V兩種穩(wěn)壓芯片,系統(tǒng)供電方案如圖所示。4.1.1LM2940-5V供電電路圖4.3LM2940-5v穩(wěn)壓電路OPENMV平臺(tái)和ATK-ESP8266分別是整個(gè)系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)處理的“大腦”和用于各設(shè)備端通訊的“橋梁”，所以能否為這兩部分提供穩(wěn)定的5V電壓直接決定著整個(gè)控制過(guò)程的運(yùn)行性能高低。在考慮了驅(qū)動(dòng)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可能會(huì)引起電池壓降，這里選擇了一種低壓壓降穩(wěn)定芯片，為電池電壓變動(dòng)提供了足夠的裕量，從而保證5V電壓的穩(wěn)定輸出。另外，因?yàn)橹悄芗揖訖C(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)包含多個(gè)模塊，所以還要求所使用的穩(wěn)壓芯片具有足夠大的電流輸出，這里最終決定選用滿足需求的LM2940進(jìn)行穩(wěn)壓降壓。LM2940是一款串聯(lián)型線性穩(wěn)壓芯片，具有波紋小、外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)壓線性度較好的優(yōu)點(diǎn)，另外，其內(nèi)部還集成了過(guò)熱、過(guò)壓保護(hù)電路，適合電池供電的場(chǎng)合。其最大輸出電流為1A，工作時(shí)最大壓差僅為0.5V，5.1V供電即可正常工作，適合作為智能家居機(jī)器人的穩(wěn)壓模塊[4]。4.1.1AMS1117-3.3V供電電路圖4.3AMS1117-3.3V穩(wěn)壓電路智能家居機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器K60的供電電壓范圍在3.3V~5V之內(nèi)，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)5V供電很容易燒壞控制器K60，所以最后確定在硬件中選用3.3V的電壓來(lái)向控制器K60供電?？紤]到控制器額定工作電流在0~50mA內(nèi)，對(duì)輸出電流的要求并不高，因此本文選用低功耗的穩(wěn)壓芯片AMS1117接5V輸入的方案。AMS1117是一款正向低壓差穩(wěn)壓芯片，輸出電壓精度在±1%以內(nèi)，并且具有限流、過(guò)熱切斷的功能，最大輸出電流達(dá)800mA[5],完全符合以上三個(gè)模塊的供電需求。其典型應(yīng)用電路如圖4.3所示，輸出端使用10uF鉭電容可以改善芯片的舒坦效應(yīng)和輸出穩(wěn)定性。4.2BTN7960H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖4.4BTN7960H橋驅(qū)動(dòng)電路智能家居機(jī)器人采用大功率碳刷直流電機(jī)RS540為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，目前大功率直流電機(jī)大多采用達(dá)林頓管或MOS管搭制H橋，并使用PWM脈寬調(diào)制的控制方式，但是這種方法的缺陷是元件的體積較大，另外當(dāng)控制電壓急劇變化時(shí)MOS管比較容易燒損，再查閱相關(guān)方案后，最終選用了大電流半橋驅(qū)動(dòng)芯片BTN7960來(lái)搭建H橋驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)樾酒€(wěn)定性高，而且元件體積比較小，更能滿足本設(shè)計(jì)需求，其中H橋驅(qū)動(dòng)方案的電路原理圖見(jiàn)圖4.4。圖4.574LS541D緩沖電路值得注意的是，如果MCU的PWM引腳直接與BTN7960引腳和BTN7960輸入引腳連接，電機(jī)高速運(yùn)行產(chǎn)生的大電流波動(dòng)很可能燒毀MCU，因此，本文在單片機(jī)引腳和BTN7960之間增加了緩沖器，防止大電流涌入單片機(jī)。本文采用了74HC138八路緩沖器來(lái)進(jìn)行緩沖，緩沖電路如圖4.5所示，本文采用74HC138八路緩沖器[6]。第5章軟件設(shè)計(jì)智能管家機(jī)器人的主要功能包括：①安保巡邏②物聯(lián)網(wǎng)通訊③娛樂(lè)互動(dòng)。其中安保巡邏實(shí)際就是智能家居機(jī)器人隨機(jī)在房間內(nèi)進(jìn)行巡邏，此時(shí)OPENMV一直在采集和處理拍攝到的室內(nèi)圖像信息，當(dāng)采集到室內(nèi)有人員時(shí)，對(duì)人臉特征進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)采集到的人臉特征并非數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)先前錄入的特征時(shí)，觸發(fā)報(bào)警服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)通訊功能實(shí)際就是為設(shè)備端、云服務(wù)器端、智能家居機(jī)器人端、手機(jī)APP端搭建起一條實(shí)時(shí)通訊的通道，不同終端可以通過(guò)這條通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享。娛樂(lè)互動(dòng)功能實(shí)際上就是智能家居機(jī)器人能與用戶進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的交流互動(dòng)和命令執(zhí)行，例如我們可以向智能家居機(jī)器人下達(dá)轉(zhuǎn)圈、前進(jìn)、后退等指令，也可以與智能家居機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單的對(duì)話交流。按照不同功能任務(wù)的重點(diǎn)難點(diǎn)，我們這里按照人臉識(shí)別、機(jī)器的運(yùn)動(dòng)控制、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建分為三個(gè)方面對(duì)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。5.1基于Haar特征Adaboost分類器的人臉識(shí)別目前，人臉檢測(cè)方法主要有兩種：基于知識(shí)的方法和基于統(tǒng)計(jì)的方法[7]?；谥R(shí)的方法主要是利用先驗(yàn)知識(shí)將人臉視為器官特征的組合，根據(jù)眼睛、眉毛、眉毛的面部特征，關(guān)系來(lái)根據(jù)嘴巴等器官的特征以及它們之間的幾何位置來(lái)檢測(cè)人臉。基于統(tǒng)計(jì)的方法是將人臉看作一個(gè)完整的模式-二維像素矩陣。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度出發(fā)，通過(guò)大量的人臉圖像樣本構(gòu)建人臉模式空間，并根據(jù)相似性測(cè)度判斷人臉的存在。這里實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)任務(wù)所使用的是Haar分類器方法。是在Adaboost算法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Haar-like小波特征和積分圖的方法，對(duì)AdaBoost訓(xùn)練出的強(qiáng)分類器進(jìn)行級(jí)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)了較高準(zhǔn)確率實(shí)現(xiàn)人臉是識(shí)別[8]。這里由于OPENMV平臺(tái)內(nèi)部提供了效果較好的訓(xùn)練器和檢測(cè)器，不需要花費(fèi)太多時(shí)間進(jìn)行模型的重新訓(xùn)練和評(píng)估，這里只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的調(diào)用就能較好地滿足我們地任務(wù)需求。下面將對(duì)Haar分類器的算法、整個(gè)人臉檢測(cè)算法的檢測(cè)流程、實(shí)驗(yàn)效果及實(shí)現(xiàn)代碼進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。5.1.1Haar分類器算法簡(jiǎn)述 Haar特征分為三類：邊緣特征、線性特征、中心特征和對(duì)角線特征，這些特征組合成為特征模板，特征模板內(nèi)有白色區(qū)域和黑色區(qū)域，我們稱白色區(qū)域的灰度值之和減去黑色區(qū)域的灰度值之和為Haar特征值[10]，這個(gè)特征值反映了灰度的變化情況，我們可以通過(guò)這樣的特征對(duì)臉部一些區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)單的識(shí)別，比如眼睛要比臉頰顏色要深，鼻梁兩側(cè)比鼻梁的顏色要深等。通過(guò)改變所檢測(cè)矩形的位置、大小和類別，我們可以得到許許多多的特征信息，這些特征信息就能幫助我們進(jìn)行臉部識(shí)別。但這里存在兩個(gè)問(wèn)題，一是矩陣的位置、類別、大小不斷變換24*24像素大小的檢測(cè)窗口內(nèi)矩陣特征信息就有16萬(wàn)個(gè)，怎么樣快速計(jì)算這么多的特征？二是哪些矩陣特征才是對(duì)分類器分類最有效的，能讓我們有效的識(shí)別出臉部各個(gè)部位從而實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確率識(shí)別人臉？ 其中針對(duì)第一個(gè)問(wèn)題，這里采用了積分圖的方法來(lái)解決，積分圖是指只遍歷一次積分圖，將圖像從起點(diǎn)開始到各點(diǎn)形成的矩形區(qū)域像素之和作為數(shù)組元素保存在內(nèi)存中，當(dāng)要計(jì)算某個(gè)區(qū)域的像素和是，不需要重新計(jì)算這個(gè)區(qū)域的像素和，只需要第一遍遍歷是存儲(chǔ)的數(shù)值進(jìn)行一定簡(jiǎn)單計(jì)算就能得到結(jié)果，大大提高了圖像特征計(jì)算的效率。其中針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題，這里采用了通過(guò)AdaBoost算法來(lái)訓(xùn)練的方法，其中由于OPENMV內(nèi)自帶了已經(jīng)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的訓(xùn)練器和檢測(cè)器，這里就不再進(jìn)行過(guò)多贅余描述。5.1.2Haar特征人臉檢測(cè)的檢測(cè)流程圖5.1級(jí)聯(lián)分類器檢測(cè)流程基于Haar特征級(jí)聯(lián)分類器的檢測(cè)流程為：首先加載訓(xùn)練好的分類器，接著加載待檢測(cè)的圖像，然后經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)分類器一次檢測(cè)，只有通過(guò)每一級(jí)的檢測(cè)才認(rèn)定為人臉對(duì)象。值得注意的是分類器的級(jí)聯(lián)等級(jí)與識(shí)別準(zhǔn)確度正相關(guān)而與識(shí)別速度負(fù)相關(guān)，檢測(cè)過(guò)程如下圖所示[11]。5.1.3實(shí)驗(yàn)效果分析及實(shí)現(xiàn)代碼對(duì)面部區(qū)域進(jìn)行矩形框標(biāo)定，能較好地完成任務(wù)需求，其中核心實(shí)現(xiàn)代碼如下：5.2智能管家機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制5.2.1智能管家機(jī)器人轉(zhuǎn)向行進(jìn)的實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)的轉(zhuǎn)向控制方法可以粗略分為以下三種：1）電機(jī)不差速，舵機(jī)轉(zhuǎn)向2）后輪差速3）舵機(jī)轉(zhuǎn)向+兩輪差速。為節(jié)省制作原料成本和盡量減小機(jī)器人的占地面積，本智能管家機(jī)器人采用了四輪式的結(jié)構(gòu)，其中最前、后方輪型選用了萬(wàn)向輪，中間兩個(gè)輪子保持平行位置安裝了普通輪胎，如圖。利用兩輪差速來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的原理很簡(jiǎn)單，就是當(dāng)左輪轉(zhuǎn)的比右輪快時(shí)，則車向前右轉(zhuǎn)；反之左轉(zhuǎn)；兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)的一樣快，則直行。5.2.2智能管家機(jī)器人避障功能的實(shí)現(xiàn)圖5.3避障功能程序流程圖智能管家機(jī)器人的避障功能設(shè)計(jì)思路是首先通過(guò)紅外傳感器對(duì)車前方進(jìn)行測(cè)距，當(dāng)距離小于20cm時(shí)，則機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向，直到前方?jīng)]有障礙物，設(shè)計(jì)思路圖如下。通過(guò)示意圖我們可以知道，測(cè)距步驟對(duì)于避障功能的效果具有直接決定的作用。其中紅外傳感器測(cè)距由位置敏感探測(cè)器、紅外發(fā)射二極管和信號(hào)處理電路組成，能實(shí)現(xiàn)對(duì)各種物體的距離檢測(cè)，不易受到環(huán)境溫度和操作時(shí)間的影響（但可能會(huì)受相同頻段其他紅外線干擾），采用三角測(cè)量的方法輸出電壓對(duì)應(yīng)檢測(cè)距離[12]，5V對(duì)其供電后，直接通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部ADC采集即可知道當(dāng)前距離為多少。5.3物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建智能管家機(jī)器人與用戶之間的信息交互通訊是物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的核心，本設(shè)計(jì)采用原子云服務(wù)器做物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)適配多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和常見(jiàn)傳輸協(xié)議，提供各類硬件終端的快速接入方案和設(shè)備管理服務(wù)，這里我們采用ATK-ESP8266接入原子云服務(wù)器；面向應(yīng)用層，提供豐富的API和數(shù)據(jù)分析能力以滿足各類行業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)需求。該平臺(tái)支持的協(xié)議有HTTP、WEBSOCKET協(xié)議，在這里我們選用HTTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。首先我們需要在平臺(tái)注冊(cè)產(chǎn)品，并在產(chǎn)品內(nèi)添加設(shè)備，并選擇接入?yún)f(xié)議等。5.4.1物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述圖5.3物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)初次登錄設(shè)置完成后，將得到設(shè)備的用戶名，APITOKEN等重要開發(fā)用信息，拿到這些信息后，根據(jù)開發(fā)文檔提供的API接口地址，我們可以通過(guò)http的方式請(qǐng)求獲得原子云服務(wù)器里的數(shù)據(jù)（這些數(shù)據(jù)來(lái)源于現(xiàn)場(chǎng)傳感器）其中API地址為/api/orgs/:org_id/devicepacket/:device_number。一次通訊過(guò)程如下所示，Mobile應(yīng)用端或PC應(yīng)用端發(fā)送RequestHeader，請(qǐng)求服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)信息，然后服務(wù)器端發(fā)送來(lái)當(dāng)前各傳感器狀態(tài)信息，其中返回?cái)?shù)據(jù)格式如下所示，其中包含了數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間和內(nèi)容等。

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66",…},}第6章總結(jié)與展望本文所設(shè)計(jì)的智能家居機(jī)器人——基于圖像處理與物聯(lián)網(wǎng)云通訊技術(shù)，功能已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行效果比較穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)效果良好。設(shè)計(jì)緊跟當(dāng)今科技熱點(diǎn)與需求痛點(diǎn)，為智能家居環(huán)境的搭建提供了一種新的方案。機(jī)器人技術(shù)、5G技術(shù)、智能家居技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展時(shí)期，人們開始追求更高的生活品質(zhì)、更舒適的居家環(huán)境，人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的智能化需求，不斷讓我們反思這一問(wèn)題——如果讓科技更好地服務(wù)生活、改善生活。讓人臉識(shí)別技術(shù)來(lái)幫我們“照看門戶”，物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)我們的“一鍵控制”，這些過(guò)去我們所認(rèn)為遙遠(yuǎn)的、夢(mèng)幻的一切，正在技術(shù)和需求的推動(dòng)下，一步一步踏入我們每個(gè)人的日常生活，相信在時(shí)間的醞釀下，我們生活會(huì)變得愈加舒適、便利。參考文獻(xiàn)[1]汪東芳.智能家居機(jī)器人的研究與開發(fā)[D].南京理工大學(xué),2018.[2]張琦.移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃與定位技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.[3]麗君.移機(jī)器人研發(fā)的難點(diǎn)與創(chuàng)新[N].科技日?qǐng)?bào),2016-05-29(002).[4]NationalSemiconductor.LM29401ALowDropoutRegulatorDatasheet.2003[5]AdvancedMonolithicSystemsInc.AMS117-3.3Datasheet.2013[6]黃凱龍.基于飛思卡爾單片機(jī)的智能車及其調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].湖南大學(xué),2014.[7]任琳,岳光,郭保全.AdaBoost視覺(jué)算法的士兵疲勞預(yù)警系統(tǒng)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2021(02):40-42+45.[8]張興賢.目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的監(jiān)控視頻定位系統(tǒng)中人臉檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京郵電大學(xué),2018.[9]P.ViolaandM.Jones,"Rapidobjectdetectionusingaboostedcascadeofsimplefeatures,"Proceedingsofthe2001IEEEComputerSocietyConferenceonComputerVisionandPatternRecognition.CVPR2001,2001,pp.I-I,doi:10.1109/CVPR.2001.990517.[10]"Robustreal-timefacerecognition,"2013Africon,2013,pp.1-5,doi:10.1109/AFRCON.2013.6757719.[11]王玉龍.基于人臉檢測(cè)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)研究與應(yīng)用[D].大連理工大學(xué),2012.[12]羅冬華.基于ARM嵌入式的清潔機(jī)器人系統(tǒng)研究[D].桂林電子科技大學(xué),2016.附錄實(shí)物圖運(yùn)動(dòng)控制程序部分代碼//voidPIT0_IRQHandler(void){//aaaaa=uart_query(UART3);AngleGet();Angle_actual=g_fAngle+180;//Motor_control(test_speed1,test_speed2);hhh=adc_once(AD