基于STM32单片机的老幼陪护机器人的设计

田晨 天津科技大学电子信息与自动化学院

1 引言

在现实生活中，由于家人们都要外出工作，无法时刻照顾着家里的老人或者小孩子；而当老人或者孩子单独外出时，家里人由于不能随时了解他们的情况而无法放心，这成为了生活中的一大难题，这就需要家庭陪护来解决这一问题。家用陪护是一个巨大的市场，现在我国60岁以上老年人数量已经超过2个亿，占总人口的14.9%。到2020年，我国老年人数将达到2.43亿，占比将超过17.2%。老龄化的加剧和典型的“4-2-1”中国家庭结构，为能够提供情感交流、儿童陪伴等服务功能的智能陪伴机器人奠定了巨大的市场基础。2015年，人工智能热悄然兴起，从工业机器人到服务机器人，从单功能到多功能，从工业领域到多领域，人工智能发展在不断提升与完善。如今大数据时代下的“人工智能”一定会席卷而来，智能机器人经过短暂的2-3年发展，已经逐渐被家庭接纳。其中，智能陪护机器人也是我们接触到最多的机器人 。

因此本项目设计一种用于家庭陪护的智能机器人，主要实现手势遥控、智能跟随、自动驾驶模式切换。同时融合多个传感器，具有手机视频监控、实现温、湿度、光照等参数的实时采集和GPS回传功能。使用蓝牙、WIFI在单片机与单片机之间进行通信，通过K60控制传感器获取数据，根据实时获取参数可以实时反馈信息。

2 机器人总体设计方案

2.1 机器人基本工作原理

该系统以STM32、MK60DN512ZVLQ10作为系统控制处理器，以蓝牙、WIFI无线技术为基础。实现三种模式切换，包括手势遥控，智能跟随和自动驾驶模式。使用气象台传感器获取周围温度、湿度、海拔、光强和气压等参数的实时数据，通过红外和超声波传感器实时监控周围障碍物情况并以蜂鸣器进行遇障碍报警，通过摄像头和GPS实时回传当前环境画面和GPS定位坐标，自动跟随阳光的太阳能板充电，智能系统控制车上灯光。使用STM32单片机控制机器人上传感器，实时接收机器人上回传的数据并在LCD屏幕上显示等等。

STM32控制中心主要是接收机器人主体车身反馈回来的数据并在LCD电容触摸屏上显示，而且可以控制K60中心。K60控制中心将摄像头获取的图像通过WIFI传输给手机，在手机APP上进行显示，如图1所示

图1 工作原理图

2.2 机器人硬件设计

机器人主体系统主要有机械部分和电路部分组成，电路部分包括以下模块：摄像头、GPS、陀螺仪、磁力计、超声波、红外光电管、蜂鸣器、五合一气象台、光敏电阻、太阳能电池板、舵机、蓝牙、WIFI模块、电压显示仪、变色灯、以及单片机最小系统共同构成整个硬件电路。如图2所示

3 软件与功能设计

3.1 基本功能

基于蓝牙无线WIFI网络的老幼守护智能小车执行STM32程序以及K60程序。

(1)将STM32作为控制中心，K60作为执行中心，手机作为实时视频监控中心。STM32分别可以选择3种模式让K60执行中心执行，分别是手势遥控模式、智能跟随模式以及自动驾驶模式。

①手势控制模式：机器人进入手势控制状态，根据手势可以控制速度，转角，并且带有避障报警功能。

②智能跟随模式：机器人进入智能跟随状态，此时机器人会跟随着人前进后退，并且和人保持一定距离，而且在遇到障碍物是会报警避障。

图2 主体电路结构框图

③自动驾驶模式：机器人进入自动驾驶状态，会根据人设定的地球磁角进行前进，在遇到障碍物时能绕过障碍物并且继续回到原来设定地球磁力角的方向上。

(2)除了上述三大模式外，机器人还包括以下系统。

①气象台系统：K60执行中心时刻获取外界的环境的温度、湿度、光照、海拔、气压等数据，并且把数据实时反馈给STM32控制中心。

②定位系统：K60控制GPS模块自动搜索卫星进行定位并将坐标发给STM32。

③图像处理系统：K60可以通过摄像头获取图像并且进行处理，然后通过WIFI模块将视频图像传输给手机显示。

④语音系统：K60控制语音模块，根据主人发出的指令来播报不同的内容。

⑤意念控制系统：通过脑电波传感器采集人脑的活动信息，在一定的情况下可以利用脑电波进行控制守护者。

3.2 软件设计

给机器人上电以后，机器人进行系统初始化对系统资源进行分配。机器人有三种工作模式分别是手势遥控模式、智能跟随模式以及自动驾驶模式。系统上电初始化后，默认为手势遥控模式。在手势模式下，可通过选择按键来进行模式切换，主控STM32会将切换命令发送到K60后执行切换命令。

4 结论

本论文提出了一种基于单片机的老幼智能陪护机器人的设计方案。实现了定位、探测周围环境等基本功能，并能通过蓝牙实现两个控制器之间的通信实现机器人在手势遥控模式、智能跟随模式以及自动驾驶模式之间的切换，从而执行对老人和儿童的陪护工作。