康護(hù)智能小車設(shè)計(jì)

陶筱云 劉潤揚(yáng) 張煒瑋 胡宇航

摘要：近年來，智能家居逐漸走入大眾家庭，但針對老年人居家護(hù)理的智能家居仍出于市場空缺狀態(tài)。人步入老年，面對病痛、記憶力與體力的衰退，生活質(zhì)量均有所下降。針對老年人的這些問題，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

隨著我國老年人人口基數(shù)不斷增大，我國逐漸邁入人口老齡化社會(huì)。面對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、人臉檢測等功能。

OPENMV對于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，對小車前方物體進(jìn)行避障，檢測到極限距離內(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，鬧鐘的對外接口主要由鬧鐘初始化，檢測鬧鐘，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）