基于STM32單片機的老幼陪護機器人的設計

田晨 天津科技大學電子信息與自動化學院

1 引言

在現實生活中，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，現在我國60歲以上老年人數量已經超過2個億，占總人口的14.9%。到2020年，我國老年人數將達到2.43億，占比將超過17.2%。老齡化的加劇和典型的“4-2-1”中國家庭結構，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。2015年，人工智能熱悄然興起，從工業機器人到服務機器人，從單功能到多功能，從工業領域到多領域，人工智能發展在不斷提升與完善。如今大數據時代下的“人工智能”一定會席卷而來，智能機器人經過短暫的2-3年發展，已經逐漸被家庭接納。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，具有手機視頻監控、實現溫、濕度、光照等參數的實時采集和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控制傳感器獲取數據，根據實時獲取參數可以實時反饋信息。

2 機器人總體設計方案

2.1 機器人基本工作原理

該系統以STM32、MK60DN512ZVLQ10作為系統控制處理器，以藍牙、WIFI無線技術為基礎。實現三種模式切換，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、光強和氣壓等參數的實時數據，通過紅外和超聲波傳感器實時監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據并在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據并在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共同構成整個硬件電路。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網絡的老幼守護智能小車執行STM32程序以及K60程序。

(1)將STM32作為控制中心，K60作為執行中心，手機作為實時視頻監控中心。STM32分別可以選擇3種模式讓K60執行中心執行，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，根據手勢可以控制速度，轉角，并且帶有避障報警功能。

②智能跟隨模式：機器人進入智能跟隨狀態，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 主體電路結構框圖

③自動駕駛模式：機器人進入自動駕駛狀態，會根據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。

①氣象臺系統：K60執行中心時刻獲取外界的環境的溫度、濕度、光照、海拔、氣壓等數據，并且把數據實時反饋給STM32控制中心。

②定位系統：K60控制GPS模塊自動搜索衛星進行定位并將坐標發給STM32。

③圖像處理系統：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：K60控制語音模塊，根據主人發出的指令來播報不同的內容。

⑤意念控制系統：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，機器人進行系統初始化對系統資源進行分配。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會將切換命令發送到K60后執行切換命令。

4 結論

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。實現了定位、探測周圍環境等基本功能，并能通過藍牙實現兩個控制器之間的通信實現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，從而執行對老人和兒童的陪護工作。