本實(shí)用新型涉及機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種智能家居管家機(jī)器人。

背景技術(shù)：

智能家居建立在住宅平臺(tái)基礎(chǔ)上，旨在提升人們居住環(huán)境的便利性、舒適性和安全性。智能家居系統(tǒng)融合了網(wǎng)絡(luò)通信、綜合布線、嵌入式、語(yǔ)音識(shí)別、自動(dòng)控制、音視頻等多種技術(shù)，將家居設(shè)施進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)家庭日程事務(wù)的高效管理。隨著科技的發(fā)展與生活水平的不斷提高，人們對(duì)居住環(huán)境的智能化、安全化、自動(dòng)化、舒適度以及低碳、環(huán)保等提出了更高的要求。隨著人類(lèi)壽命的不斷延長(zhǎng)，社會(huì)逐步進(jìn)入了老齡化階段，智能家居的出現(xiàn)也能幫助以及服務(wù)行動(dòng)不便的老年人或殘疾人，在使他們能夠更加自立、自信、積極樂(lè)觀的面對(duì)生活的同時(shí)，也能大大減少家庭看護(hù)人員的工作壓力，智能家居也將在家庭的衛(wèi)生保健及監(jiān)護(hù)方面發(fā)揮更大的作用。

兩輪自平衡小車(chē)是移動(dòng)機(jī)器人研究中的一個(gè)重要領(lǐng)域。移動(dòng)機(jī)器人隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、微電子技術(shù)、材料技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步而發(fā)展，同航天技術(shù)一樣，機(jī)器人的發(fā)展水平甚至代表了一個(gè)國(guó)家的綜合科技實(shí)力。兩輪自平衡小車(chē)兩輪共軸、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、車(chē)身中心位于車(chē)輪軸上方，通過(guò)運(yùn)動(dòng)保持平衡，可直立行走，由于特殊的結(jié)構(gòu)，其適應(yīng)地形變化能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)靈活，可以勝任一些復(fù)雜環(huán)境里的工作。

兩輪自平衡小車(chē)要實(shí)現(xiàn)自身平衡，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，我們?cè)谝郧皩?shí)驗(yàn)室同事研究的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，所有元件都將放置在有限的車(chē)身本體中，將所有成對(duì)的部件對(duì)稱分放在車(chē)體平臺(tái)的兩側(cè)，所有單一的部件分層疊放在支架的中心，青椒傳感器位于車(chē)體中心對(duì)稱軸線上，保證準(zhǔn)確有效的測(cè)量，所有元件的擺放保證了結(jié)構(gòu)對(duì)稱和美觀。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種智能家居管家機(jī)器人。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：

一種智能家居管家機(jī)器人，包括：下平臺(tái)和與下平臺(tái)相連接的上車(chē)架，所述的下平臺(tái)底部對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)直流伺服電機(jī)，直流伺服電機(jī)一端均與車(chē)輪相連接，另一端與直流伺服放大器相連接，直流伺服放大器與編碼器相連接，編碼器之間設(shè)置萬(wàn)向輪，萬(wàn)向輪穿過(guò)下平臺(tái)頂部設(shè)置傾角傳感器，上車(chē)架底部對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)電池，電池上方設(shè)置通過(guò)隔板設(shè)置外圍電路板和STM32芯片，上車(chē)架頂部設(shè)置攝像頭，攝像頭通過(guò)導(dǎo)線與圖像傳感器相連接，外圍電路板和STM32芯片通過(guò)導(dǎo)線與電池相連接，傾角傳感器通過(guò)導(dǎo)線與電池相連接。

所述的傾角傳感器位于下平臺(tái)中心對(duì)稱軸線上。

所述的圖像傳感器采用CMOS圖像傳感器，CMOS圖像傳感器由光敏像元陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時(shí)和控制電路、片上模擬信號(hào)處理器(ASP)構(gòu)成和片上模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器組成。

所述的外圍電路板上設(shè)置有智能語(yǔ)音控制部分、紅外模塊、WIFI模塊、外部的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和終端傳感器，WIFI模塊通過(guò)無(wú)線連接的方式與外部上位機(jī)相連接，WIFI模塊通過(guò)導(dǎo)線與攝像頭相連接。

所述的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用CC2420作為射頻收發(fā)器，它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。

所述的外部上位機(jī)是采用在Android 手機(jī)上安裝上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的，外部上位機(jī)上顯示攝像頭采集的視頻圖像，WIFI模塊使用GL-iNet路由器制成，利用模塊串口與STM32芯片串口相連接，使用外部上位機(jī)的 WLAN 功能搜索 WIFI模塊的 WIFI賬號(hào)連接并應(yīng)用，由外部上位機(jī)發(fā)送控制命令，WIFI模塊接收數(shù)據(jù)后通過(guò)串口發(fā)送給STM32芯片運(yùn)行。

所述的智能語(yǔ)音控制部分采用LD3320芯片與STM32芯片并行方式連接，并均用1KΩ電阻上拉，A0用于數(shù)據(jù)段與地址段的判斷，控制信號(hào)RDB、WRB、CSB、復(fù)位信號(hào)RSTB和中 斷 返 回 信 號(hào) INTB直 接 與STM32芯 片 相 連，LD3320與STM32芯片采用同一個(gè)外部時(shí)鐘( 8MHz) ，發(fā)光二極管D1、D2都用于復(fù)位后的上電指示，MBS引腳接一個(gè)RC電路作為MIC偏置，用于保證能輸出一個(gè)浮動(dòng)電壓給MIC。

所述的紅外模塊由紅外發(fā)射部分和紅外接收部分組成，紅外發(fā)射部分由lm3s811單片機(jī)和紅外發(fā)光二極管構(gòu)成，用來(lái)發(fā)送二進(jìn)制信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼以后的脈沖串信號(hào)；紅外接收部分采用一體化接收器HS0038，一共有三個(gè)管腳：地端、電源端和信號(hào)輸出端。

本實(shí)用新型的有益效果為：本實(shí)用新型的所有元件都將放置在有限的車(chē)身本體中，將所有成對(duì)的部件對(duì)稱分放在車(chē)體平臺(tái)的兩側(cè)，所有單一的部件分層疊放在支架的中心，傾角傳感器位于下車(chē)體中心對(duì)稱軸線上，保證準(zhǔn)確有效的測(cè)量。所有元件的擺放保證了結(jié)構(gòu)對(duì)稱和美觀。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)框架圖。

圖3為CC2420芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖4-11為紅外發(fā)射部分LM3S811與單片機(jī)連接電路圖。

圖12為紅外發(fā)射電路圖。

圖13為CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)框圖。

圖14為L(zhǎng)D3320語(yǔ)音識(shí)別原理圖。

圖中，1、直流伺服電機(jī)，2、萬(wàn)向輪，3、編碼器，4、直流伺服放大器，5、下平臺(tái)，6、傾角傳感器，7、上車(chē)架，8、外圍電路板，9、STM32芯片，10、電池，11、攝像頭。

具體實(shí)施方式

如圖1～圖14所示，一種智能家居管家機(jī)器人，包括：下平臺(tái)5和與下平臺(tái)5相連接的上車(chē)架7，所述的下平臺(tái)5底部對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)直流伺服電機(jī)1，直流伺服電機(jī)1一端均與車(chē)輪相連接，另一端與直流伺服放大器4相連接，直流伺服放大器4與編碼器3相連接，編碼器3之間設(shè)置萬(wàn)向輪2，萬(wàn)向輪2穿過(guò)下平臺(tái)5頂部設(shè)置傾角傳感器6，上車(chē)架7底部對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)電池10，電池10上方設(shè)置通過(guò)隔板設(shè)置外圍電路板8和STM32芯片9，上車(chē)架7頂部設(shè)置攝像頭11，攝像頭11通過(guò)導(dǎo)線與圖像傳感器相連接，外圍電路板8和STM32芯片9通過(guò)導(dǎo)線與電池10相連接，傾角傳感器6通過(guò)導(dǎo)線與電池10相連接。

所述的傾角傳感器6位于下平臺(tái)5中心對(duì)稱軸線上。

所述的圖像傳感器采用CMOS圖像傳感器，CMOS圖像傳感器由光敏像元陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時(shí)和控制電路、片上模擬信號(hào)處理器(ASP)構(gòu)成和片上模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器組成。如圖13所示。

所述的外圍電路板上設(shè)置有智能語(yǔ)音控制部分、紅外模塊、WIFI模塊、外部的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和終端傳感器，WIFI模塊通過(guò)無(wú)線連接的方式與外部上位機(jī)相連接，WIFI模塊通過(guò)導(dǎo)線與攝像頭相連接。

所述的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用CC2420作為射頻收發(fā)器，它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。

所述的外部上位機(jī)是采用在Android 手機(jī)上安裝上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的，外部上位機(jī)上顯示攝像頭采集的視頻圖像，WIFI模塊使用GL-iNet路由器制成，利用模塊串口與STM32芯片串口相連接，使用外部上位機(jī)的 WLAN 功能搜索 WIFI模塊的 WIFI賬號(hào)連接并應(yīng)用，由外部上位機(jī)發(fā)送控制命令，WIFI模塊接收數(shù)據(jù)后通過(guò)串口發(fā)送給STM32芯片運(yùn)行。

所述的智能語(yǔ)音控制部分采用LD3320芯片與STM32芯片并行方式連接，并均用1KΩ電阻上拉，A0用于數(shù)據(jù)段與地址段的判斷，控制信號(hào)RDB、WRB、CSB、復(fù)位信號(hào)RSTB和中 斷 返 回 信 號(hào) INTB直 接 與STM32芯 片 相 連，LD3320與STM32芯片采用同一個(gè)外部時(shí)鐘( 8MHz) ，發(fā)光二極管D1、D2都用于復(fù)位后的上電指示，MBS引腳接一個(gè)RC電路作為MIC偏置，用于保證能輸出一個(gè)浮動(dòng)電壓給MIC。

所述的紅外模塊由紅外發(fā)射部分和紅外接收部分組成，紅外發(fā)射部分由lm3s811單片機(jī)和紅外發(fā)光二極管構(gòu)成，用來(lái)發(fā)送二進(jìn)制信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼以后的脈沖串信號(hào)；紅外接收部分采用一體化接收器HS0038，一共有三個(gè)管腳：地端、電源端和信號(hào)輸出端。

基于ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，該系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)包括語(yǔ)音控制智能家居管家機(jī)器人和上位機(jī)軟件控制。

在輪式智能家居管家機(jī)器人上搭載智能語(yǔ)音控制，紅外模塊，WIFI模塊，攝像頭，通過(guò)手機(jī)APP控制管家行走，并實(shí)時(shí)接收?qǐng)D像。通過(guò)人進(jìn)行語(yǔ)音輸出命令，zigbee協(xié)調(diào)器接收到命令后對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相同的指令給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線2.4GHZ通道收到命令后執(zhí)行相應(yīng)的操作，進(jìn)而達(dá)到友好而和諧的人機(jī)對(duì)話效果。其中各子節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接。

本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)主要分為三大部分：控制器負(fù)責(zé)處理傳感器采集的信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算，輸出信號(hào)從而控制電機(jī)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)為兩個(gè)直流伺服電機(jī)；小車(chē)傾角傳感器負(fù)責(zé)采集智能家居管家機(jī)器人車(chē)體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。智能家居管家機(jī)器人有兩個(gè)并行主動(dòng)輪，選用兩個(gè)直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使用傾角傳感器來(lái)取回系統(tǒng)的狀態(tài)，通過(guò)處理器的計(jì)算進(jìn)而控制左右電機(jī)的前進(jìn)和后退，從而完成平衡控制的目的。

為了實(shí)現(xiàn)智能家居管家機(jī)器人（兩輪自平衡小車(chē)）的自平衡,需要快速、準(zhǔn)確地獲得機(jī)器人的位置與姿態(tài)信息,這是控制兩輪自平衡小車(chē)平衡與運(yùn)動(dòng)的前提條件。傳感器既用于內(nèi)部反饋控制,也用于感知與外部環(huán)境的相互作用。在兩輪自平衡小車(chē)系統(tǒng)中,當(dāng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí),傳感器將相關(guān)的信息傳送給控制器,由控制器來(lái)判定兩輪自平衡小車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)傳感器測(cè)量到的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù),來(lái)調(diào)整和控制兩輪自平衡小車(chē)的姿態(tài),使其能夠保持動(dòng)態(tài)平衡。

綜合考慮各傳感器優(yōu)缺點(diǎn)、兩輪自平衡小車(chē)實(shí)際的控制和經(jīng)濟(jì)性要求,選用的是加速度計(jì)和陀螺儀兩種傳感器,用于檢測(cè)小車(chē)車(chē)身傾斜角度和傾斜角速度。另外,設(shè)計(jì)中還要用到直流無(wú)刷電機(jī)中自帶的霍爾元件和外加的光電編碼器反饋回的電機(jī)位置和車(chē)輪實(shí)時(shí)速度的信息。這些信號(hào)共同來(lái)反映兩輪自平衡小車(chē)的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài),為微控制器的決策提供依據(jù)。

傳感器采集溫濕度、光照度、視頻信息、紅外防盜等數(shù)據(jù)，通過(guò)管家機(jī)器人對(duì)當(dāng)前感知到的環(huán)境信息進(jìn)行展示，并對(duì)家居電器等進(jìn)行語(yǔ)音集中控制。設(shè)計(jì)WIFI模塊，可通過(guò)手機(jī)對(duì)機(jī)器人管家移動(dòng)進(jìn)行控制，采用Contex系列ARM處理器，作為整個(gè)智能物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)的核心。外圍利用ZIGBEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和終端傳感器，實(shí)時(shí)采集房間內(nèi)溫度、光照度、空氣質(zhì)量、視頻信號(hào)等數(shù)據(jù)，利用語(yǔ)音識(shí)別模塊和紅外轉(zhuǎn)發(fā)模塊，可對(duì)輸入的語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別，將語(yǔ)音翻譯為相應(yīng)指令，與指令庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，完成相應(yīng)的家電控制功能。根據(jù)不同場(chǎng)景的需求，我們也設(shè)計(jì)了可以在PC端通過(guò)上位機(jī)控制。

CC2420芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。天線接收的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)低噪聲放大器和I/Q下變頻處理后，中頻信號(hào)只有2MHZ,此混合I/Q信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大、AD變換、自動(dòng)增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴(kuò)，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。發(fā)射機(jī)部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中,頭幀和起始幀是通過(guò)硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每7個(gè)比特被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到Ｄ/Ａ變換器。然后，經(jīng)過(guò)低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號(hào)最終被調(diào)制到2.4GHZ，并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。

紅外發(fā)射部分由lm3s811單片機(jī)和紅外發(fā)光二極管構(gòu)成。用來(lái)發(fā)送二進(jìn)制信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼以后的脈沖串信號(hào)。它與單片機(jī)的連接方式如圖4-圖11所示。

紅外接收就是對(duì)紅外信號(hào)的接收、放大、檢波、整形，之后解調(diào)出紅外遙控編碼脈沖的一種過(guò)程。注意的是接收的波長(zhǎng)為750~1150納米之間。它的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖12所示。

考慮到用戶方便，比如現(xiàn)代社會(huì)，用戶對(duì)家庭電腦的使用頻率和時(shí)長(zhǎng)較高，我們也增加了通過(guò)PC端對(duì)照明系統(tǒng)等常用家電進(jìn)行控制，無(wú)線控制通過(guò)cc2420無(wú)線模塊下載協(xié)調(diào)器程序和節(jié)點(diǎn)程序，分別上電復(fù)位后觀察組網(wǎng)是否成功（D1燈自動(dòng)關(guān)閉，表示節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器組網(wǎng)成功）。然后打開(kāi)上位機(jī)軟件同時(shí)需要協(xié)調(diào)器通過(guò)串口線與電腦相連，在上位機(jī)界面打開(kāi)串口號(hào)，把協(xié)調(diào)器所收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)其可進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈、開(kāi)關(guān)蜂鳴器、溫濕度數(shù)據(jù)上傳和煙霧傳感器是否異常等的操作。以達(dá)到用上位機(jī)去控制ZigBee節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的目的。