許樹杰 詹宇嫻 凌活龍 陳耿 劉常燁 丁凡 陳景華

摘 要：隨著老年人口比重的不斷升高，中國的人口老年化現(xiàn)象日益突出，如何利用科學(xué)的方法和先進的技術(shù)對這一現(xiàn)象進行改善顯得尤其重要。文中提出基于物聯(lián)網(wǎng)、機器視覺、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)的智能家庭機器人設(shè)計方案，以樹莓派作為機器人處理核心、STM32單片機輔助操控硬件模塊，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、OpenCV機器視覺技術(shù)、智能語音交互、機器學(xué)習(xí)等來實現(xiàn)老人身體健康狀況的智能監(jiān)測和分析、家電的智能控制、室內(nèi)監(jiān)控，家人通信等功能。智能家庭機器人作為一種服務(wù)型人工智能產(chǎn)品，極大地節(jié)省了年輕人的時間與精力，高度符合市場的需求和時代的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);OpenCV機器視覺;語音交互;智能監(jiān)測;STM32單片機;導(dǎo)航

中圖分類號：TP242文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-00-02

0 引 言

根據(jù)國家統(tǒng)計局2016年公布的數(shù)據(jù)顯示，我國60歲以上的老年人超過2.3億，且老年人口規(guī)模不斷擴大。隨著人口年齡結(jié)構(gòu)急劇變化，人們的生活節(jié)奏越來越快，老年人往往不能得到周到的照料。為了順應(yīng)社會的轉(zhuǎn)變，充分考慮當(dāng)今的科技進步和時代發(fā)展，本文設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家庭機器人。智能家庭機器人作為一種服務(wù)型人工智能可以更好地解決養(yǎng)老問題，讓老年人享受到更高品質(zhì)的生活的同時，也大大減輕年輕人與社會的壓力。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)的機器人集合各種模塊進行設(shè)計，以樹莓派為處理核心，搭載Linux系統(tǒng)，以STM32芯片輔助連接各個模塊。機器人的底盤主要由兩個直流減速電機、激光雷達、SLAMWARE模塊、自動充電模塊和超聲波模塊組成，中間部分安裝功放模塊、煙霧檢測模塊和鋰電池組，上部安裝麥克風(fēng)陣列板、語音增強核心板和樹莓派核心板，頭部搭載舵機云臺、攝像頭模塊、遙控模塊和心率檢測模塊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)處理與控制核心

設(shè)計采用樹莓派4B作為數(shù)據(jù)的處理核心，并加上STM32芯片及其他硬件模塊MCU的輔助完成各個硬件模塊的數(shù)據(jù)處理與控制。樹莓派4B型搭載了基于Cortex-A72架構(gòu)的64位四核處理器BCM2711，主頻可達1.5 GHz，性能強勁，并集成了雙頻WiFi模塊和Bluetooth 5.0模塊，可以非常便捷地連接互聯(lián)網(wǎng)及家中的智能設(shè)備，同時外接上EMMC存儲器進一步提升其數(shù)據(jù)的讀寫性能。在樹莓派上可以運行多種Linux系統(tǒng)或Windows 10 IoT Core系統(tǒng)，有圖形界面和眾多SDK的支持，可以更加簡單快速的進行開發(fā)，同時能夠簡單高效的進行程序線程的處理，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也能得到保障。

2.2 語音交互模組

語音交互模組設(shè)計如圖2所示。語音交互模組包括：環(huán)形麥克風(fēng)陣列[1]模塊、語音增強[2]核心、功放模塊。

首先得明確該機器的的語音識別環(huán)境是在室內(nèi)，相比手機上的近場語音交互，其環(huán)境更加苛刻，人的聲源位置是不斷變化的，還會有背景噪音、混響、回聲、多人聲混肴等多種干擾因素。面對這樣的遠場語音識別[3]環(huán)境，語音前端的設(shè)備和算法的處理十分重要。設(shè)計采用“環(huán)形6+1”麥克風(fēng)陣列方案，配合語音增強模塊的算法可以有效增強遠場拾音能力和抑噪能力。主流的麥克風(fēng)陣列拾音流程分為回聲抵消[4]、聲源定位[5]、波束形成[6]、去混響[7]、信號增益這幾個步驟，這些需要前端通過算法完成，而且需要不間斷地實時監(jiān)聽運算，顯然無法通過樹莓派來完成這些算法，而必須借助專用的語音處理單元。如今，市面上如百度、科大訊飛等公司都推出了功能完善的麥克風(fēng)陣列模塊和語音增強模塊，無需理解其復(fù)雜的算法便可以完成語音信號的前端處理。再通過樹莓派接入云端語音識別RestfulAPI和TTS語音引擎，完成語音的識別、自然語言理解、業(yè)務(wù)邏輯分析、語音合成和語音模型的訓(xùn)練。

2.3 自主定位導(dǎo)航部分

機器人的自主定位導(dǎo)航[8]包括：自主定位、自動地圖建模和自主路徑規(guī)劃，還需要實時自動避障，并在環(huán)境發(fā)生變化時重定位。

本設(shè)計采用SLAMTEC思嵐科技的自主定位導(dǎo)航套裝：RPLIDAR激光雷達加SLAMWARE自主定位導(dǎo)航核心。SLAMWARE核心集成了9自由度的IMU，內(nèi)置了SLAM算法[9]引擎、改良的D*算法[10]，配合激光雷達可以自動快速完成機器人的定位、建圖和路徑規(guī)劃。并且思嵐科技提供了SLAMWARESDK，可以在電腦上通過串口連接SLAMWARE核心方便地查看實時地圖、修改參數(shù)和命令等。SLAMWARE還提供了算法和API接口配合超聲波傳感器、防跌落傳感器，完成實時自動避障和激光雷達測量受阻時的重定位。SLAMWARE還提供了“自動回巢”的算法，以實現(xiàn)機器人的自動回充[11]。

2.4 其他模塊

家電遙控模塊：由紅外遙控模塊和WiFi模塊組成。

心率檢測模塊：使用MAX30102心率血氧檢測模塊。

攝像頭模塊：考慮到攝像頭需要完成室內(nèi)監(jiān)控、視頻通話、人臉識別、物品識別等功能，攝像頭模塊采用無畸變、可夜視的高清攝像頭，同時加裝由兩個微型舵機組成的自動云臺來自動調(diào)整攝像的視角。

煙霧檢測模塊：由MQ-2，MQ-5，ME3-CO和ME3-H2S等多個不同的煙霧檢測傳感器組成，主要檢測室內(nèi)氣體的天然氣、液化氣、甲烷、一氧化碳、硫化氫等氣體的濃度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

機器人的軟件系統(tǒng)由樹莓派、語音增強核心、SLAMWARE核心和云端服務(wù)器4部分進行分模塊的處理。樹莓派作為主系統(tǒng)負(fù)責(zé)其他模塊的連接調(diào)用、進程的調(diào)配、本地語音識別、云端的數(shù)據(jù)交互等任務(wù)。語音增強核心負(fù)責(zé)語音識別的前端聲音處理，SLAMWARE負(fù)責(zé)機器人的自主定位導(dǎo)航功能，云端服務(wù)器負(fù)責(zé)語音、語義的識別，做出對應(yīng)的執(zhí)行邏輯處理，合成應(yīng)答語音，并返回命令和語音數(shù)據(jù)給機器人終端。其流程圖如圖3所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種以語音為核心交互方式，集成多種智能服務(wù)的家庭養(yǎng)老監(jiān)護機器人。以機器人作為智能中樞，借助簡單的語音交互，使老人能夠簡便地使用眾多的智能家電，給千萬家庭帶來生活質(zhì)量的提升。

參考文獻

[1]支艷利，張云偉.基于環(huán)形麥克風(fēng)陣列的遠場語音識別系統(tǒng)[J].微型電腦應(yīng)用，2017，33（4）：62-64.

[2]王義圓，張曦文，周貽能，等.基于麥克風(fēng)陣列的語音增強與干擾抑制算法[J].電聲技術(shù)，2018，42（2）：1-5.

[3]支艷利，張云偉.基于環(huán)形麥克風(fēng)陣列的遠場語音識別系統(tǒng)[J].微型電腦應(yīng)用，2017，33（4）：62-64.

[4]黃翔. 基于麥克風(fēng)陣列的回聲抵消系統(tǒng)研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2018.

[5]汪家冬. 面向智能機器人應(yīng)用的聲源定位系統(tǒng)研究[D].廣州：廣州大學(xué)，2018.

[6]魏序，趙平，譚晶晶.基于波束形成與多參考源噪聲對消的語音增強算法[J].計算機與現(xiàn)代化，2011，26（12）：45-47.

[7]孫博. 語音信號去混響研究[D].沈陽：沈陽理工大學(xué)，2018.

[8]王鵬. 導(dǎo)航機器人的地圖構(gòu)建和定位研究[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2018.

[9]高文研，平雪良，貝旭穎，等.兩種基于激光雷達的SLAM算法最優(yōu)參數(shù)分析[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（4）：28-30.

[10]張希聞，肖本賢.改進D*算法的移動機器人路徑規(guī)劃[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（12）：52-54.

[11]肖奇軍，鄭健聰，陳斯鵬，等.一種基于地圖構(gòu)建與角度傳感器的掃地機器人自動回充方法[J].機械與電子，2019，37（2）：78-80.