一款智能家居機器人的結(jié)構(gòu)設計摘要科技的發(fā)展推動著社會的進步，引領(lǐng)著時代發(fā)展的潮流，目前我國社會正處于重大轉(zhuǎn)型階段，機器人技術(shù)、5G技術(shù)、智能家居技術(shù)進入了新的發(fā)展時期，人們開始追求更高的生活品質(zhì)、更舒適的居家環(huán)境。為了滿足人們對家居環(huán)境日益增長的智能化需求，本文設計了一款集家電控制、巡邏安保、互動與娛樂于一體的智能管家機器人，其具有圖像采集處理、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享、安全巡邏等功能，主要由OPENMV處理器、K60處理器、ATK-ESP8266通訊模塊、紅外測距傳感器、電機驅(qū)動模塊、電源穩(wěn)壓模塊等部分組成。其中家電控制功能主要通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（即設備端、云服務器端、手機APP端實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和通訊）來實現(xiàn)，巡邏安保功能主要通過人臉識別技術(shù)和智能家居機器人的運動控制來實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：圖像處理，物聯(lián)網(wǎng)，智能家居，人機交互，安防機器人目錄摘要 IABSTRACT II第1章緒論 51.1研究背景及意義 51.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 61.3主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排 61.3.1主要研究內(nèi)容 61.3.2章節(jié)安排 7第2章總體方案 82.1智能家居機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 82.2本文設計的基本內(nèi)容 8第3章硬件選型 103.1微處理器MCU選型 103.1.1設計需求 103.1.2微處理器MCU選型比較 103.1.3圖像處理平臺OPENMV介紹 103.1.4主控制器K60介紹 113.2測距傳感器選型 123.2.1夏普GP2Y0A21紅外傳感器簡介 123.3物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊選型 133.3.1ATK-ESP8266簡介 13第4章硬件電路設計 154.1電源穩(wěn)壓電路 154.1.1LM2940-5V供電電路 164.1.1AMS1117-3.3V供電電路 164.2BTN7960H橋電機驅(qū)動電路 17第5章軟件設計 195.1基于Haar特征Adaboost分類器的人臉識別 195.1.1Haar分類器算法簡述 195.1.2Haar人臉檢測的檢測流程 205.1.3實驗效果分析及實現(xiàn)代碼 205.2智能管家機器人的運動控制 225.2.1智能管家機器人轉(zhuǎn)向行進的實現(xiàn) 225.2.2智能管家機器人避障功能的實現(xiàn) 225.3物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建 23第6章總結(jié)與展望 25參考文獻 27附錄 28第1章緒論1.1研究背景及意義自20世紀80年代以來，智能家居逐漸進入了我們的生活，并對我們生活方式產(chǎn)生了重大影響，例如生活中常見的聲控燈、感光窗簾、掃地機器人等等，我們的生活愈發(fā)離不開這些智能化產(chǎn)品提供的便利?；仡欀悄芗揖拥陌l(fā)展，大致可分為三個階段：電子家電，家庭自動化和家居智能化，其中第三階段是通過嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)對家庭設備的自動化管理和控制來實現(xiàn)的。雖然智能家居的概念在20世紀80年代就已經(jīng)提出，但受限于當時通訊技術(shù)和設計成本的考慮，智能家居直到近幾年，才進入了發(fā)展的“蓬勃期”。另外，網(wǎng)絡通訊技術(shù)對智能家居最為關(guān)鍵，目前智能家居的通信方式大多是布線式，在實際使用中，存在著維修起來難度大，前期布線工作量大，造價比較高等問題，因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的無線通信方式在智能家居的發(fā)展進程中是必然的趨勢。在物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)飛速發(fā)展的同時，人工智能和半導體技術(shù)也進入新的飛速發(fā)展時期，這為機器更加“智能化”的服務提供了強有力的保證。機器開始學會“揣度”我們的生活習慣、生活需求，并隨之創(chuàng)造更適合我們生活的居家環(huán)境，但是受限于人工智能技術(shù)進入高速期發(fā)展時間還較短，所以當前智能家居智能化水平與人們的期待之間還有很大的差距。家庭環(huán)境是我們休息和“充電”的主要場所，智能家居的智能水平與其便捷程度，直接關(guān)系到我們每個人的“生活幸福指數(shù)”。在人們這種需求的推動下，智能家居的發(fā)展變得愈來愈火熱，近些年來許多大型科技公司陸陸續(xù)續(xù)推出了許多的產(chǎn)品，例如小米公司近些年來發(fā)行的物聯(lián)網(wǎng)電器開關(guān)系統(tǒng)、海爾公司的智能廚房系統(tǒng)、騰訊公司的語音情感音響等，但是這些智能家居系統(tǒng)雖然具有很強的針對性，能很好地完成某一方面的任務，但在其他方面的表現(xiàn)上略有欠缺，“靈活性”還需增強。例如小米公司的智能電氣開關(guān)系統(tǒng)，雖然能很好地完成遠程控制電器的開關(guān)，但在人機信息交互方面略有欠缺，它需要用戶人為給予指令才能做出響應，缺乏智能感，另外它無法與用戶進行貼近于人與人之間的交流；騰訊公司的語音情感音響雖能實現(xiàn)與人近似無障礙的對話，但無法對家庭內(nèi)一些電器實現(xiàn)控制，不免讓人產(chǎn)生一種“思想上的巨人，行動上的矮子”的感覺。在智能家居的發(fā)展道路上，人們愈發(fā)認識到需要一款綜合性較強的智能管家機器人來更好為我們的家居生活服務。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀智能家居機器人發(fā)展到今天，與人們對家居環(huán)境日益增長的智能化需求和一代又一代工程師的努力是分不開的。在19世紀30年代，世界上出現(xiàn)了第一款具有智能家居概念的機器人：Alpha機器人，這款機器人具有能進行簡單問題回答的能力，但不具備機動能力。十年后，美國的一家電氣公司設計出了Elektro機器人，具有簡單言語識別能力，能說出大約700個單詞，能播放唱片，還能抽煙、吹氣球[1]。后來在20世紀70年代，澳大利亞的科學家韓特教授首次提出了在機器人操作器上采用并聯(lián)機構(gòu)的想法，這一想法取得了極大的成功并在后來被廣泛應用到工業(yè)生產(chǎn)中。20世紀90年代，我國第一臺六自由度高精度并聯(lián)機器人被燕山大學的黃教授研發(fā)并制造了出來[2]。智能家居機器人這一說法最早是由美國的H.Moravec教授提出來的，他首次提出利用攝像頭圖像采集的方式來處理機器人在行進過程中的問題并取得一系列豐碩的成果，自此，智能家居機器人的發(fā)展進入了蓬勃期。近些年來，在人工智能第三次“浪潮”的背景下，智能家居機器人的智能化程度發(fā)展到了新的高度，機器人的數(shù)據(jù)采集能力、計算處理能力、機動運行能力大幅提升，為智能家居的未來發(fā)展抹上了無限的想象色彩。1.3主要研究內(nèi)容和章節(jié)安排1.3.1主要研究內(nèi)容本文的主要工作為：系統(tǒng)需求分析:分析了當前智能家居市場的現(xiàn)狀和人們對智能化家居系統(tǒng)新的需求和方向。系統(tǒng)總體設計:確定系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)的框架，選擇使用移動式機器人和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合的方式來搭建智能家居系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建:通過ESP-8266實現(xiàn)服務器云端與設備端之間的一對多或多對多的數(shù)據(jù)透傳、數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理等功能。智能家居機器人的軟硬件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)：各設備端的硬件驅(qū)動電路和軟件程序方案設計。1.3.2章節(jié)安排本文主要包括六章：第1章緒論，闡述了智能家居機器人的背景和發(fā)展現(xiàn)狀，說明了當前智能家居機器人的前景和需求。第2章總體方案，介紹了智能家居機器人的系統(tǒng)框架和要實現(xiàn)的任務。第3章硬件選型，介紹了本設計中所選用的控制器、傳感器等，并闡述了選擇的標準和所選用硬件的優(yōu)勢。第4章硬件電路開發(fā)，介紹了智能家居機器人所采用的供電電路、電機驅(qū)動電路。第5章程序設計，介紹了所采用的人臉識別算法、避障方案和手機APP的開發(fā)。第6章總結(jié)與展望，對本次設計進行總結(jié)，為更好地適應使用者的需要，對這款智能家居機器人所存在的不足進行了闡述和對改善方案的構(gòu)想。第2章總體方案2.1智能家居機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖智能家居機器人可分為運動控制部分、圖像采集處理部分、物聯(lián)網(wǎng)通訊部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。智能家居機器人的運動部分實際是一個四輪平衡小車，其中兩個帶有電機的直向輪為動力來源，另外一前一后分別各放置一個萬向輪維持車體平衡，MCU通過對兩個電機的轉(zhuǎn)速控制就可較為簡單地實現(xiàn)對小車姿態(tài)、前進方向的控制。智能家居機器人的圖像采集處理是通過OPENMV平臺對攝像頭OV7225采集到的圖像信息進行處理來實現(xiàn)的，在OPENMV內(nèi)得到環(huán)境中人臉特征信息后，將特征信息與數(shù)據(jù)庫內(nèi)人員信息庫的信息進行比對，從而達到實現(xiàn)人臉識別并起到安防的作用。物聯(lián)網(wǎng)通訊部分是指MCU通過ATK-ESP8266無線模塊將各類傳感器采集到的信息傳送到云服務器，然后以云服務器為信息交換中心，實現(xiàn)對家居環(huán)境下家用電器的智能控制。2.2本文設計的基本內(nèi)容智能家居機器人定義為在家庭范圍內(nèi)，為人類完成某些特定任務的機器人[3]。其具有強悍的信息處理系統(tǒng)，能依靠各類傳感器獲得的信息，感知周圍復雜的環(huán)境，理解人的需求和信息指令，執(zhí)行用戶的命令，主要從事家庭服務、安防監(jiān)護等工作。按照不同的服務類型，可將本文設計的智能家居機器人功能分為以下三類：充當“智能管家”的角色智能家居機器人通過ATK-ESP8266模塊實現(xiàn)機器端與云服務器端通訊，用戶可通過手機APP發(fā)送指令，實現(xiàn)家中燈光、窗簾空調(diào)等各種電氣設備的開關(guān)控制和參數(shù)設定，達到人、設備、云服務器之間的信息交互，智能化控制家庭設備的目標。（2）充當“居家衛(wèi)士”的角色智能家居機器人進入“巡邏”模式時，在房間內(nèi)隨機進行巡邏，當攝像頭檢測到人時，對人臉進行識別檢測，當發(fā)現(xiàn)被檢測人員不是數(shù)據(jù)庫內(nèi)已存入的人員時，立馬進行拍照取證，并立即通過手機短信通知戶主。（3）充當“電子寵物”的角色智能家居機器人可以與使用者進行簡單的對話互動，可以按照使用者的指令轉(zhuǎn)圈和與使用者進行簡單的對話問答，隨時關(guān)注并滿足使用者的心理陪伴需求，幫助使用者更好地釋放壓力和排解孤獨感。第3章硬件選型3.1微處理器MCU選型3.1.1設計需求選擇控制器時需要注意以下問題：（1）因為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的接收和所需要處理數(shù)據(jù)量較大，所以最好使用多個控制器共同協(xié)作來完成控制任務，其中規(guī)定主控制器來完成各類信息的匯總和智能家居機器人的運動控制，因為圖像數(shù)據(jù)量比較龐大且內(nèi)容較復雜，所以需要選擇一款適合的副控制器專門負責用來處理圖像信息，得到處理結(jié)果后將其發(fā)送至主控制器。（2）因為整個過程中多個控制器與模塊之間要進行相互通信，所以要求處于通信節(jié)點的控制器具有多個通訊接口，方便實現(xiàn)各類傳感器模塊信息的接受。（3）因為本設計要求機器人具有一定的機動運行能力，所以要求主控制器具備多個基本的定時器，具備PWM，GPIO等電流信號輸出的驅(qū)動能力；副控制器要方便連接攝像頭并方便處理圖像信息，當前主流用來做機器視覺的編程語言有Python、c++等高級匯編語言，所以選擇的MCU開發(fā)平臺最好支持Python和C++語言進行開發(fā)。3.1.2常見微處理器MCU的分析比較目前市面上主流的CPU架構(gòu)主要有X86-64和ARM架構(gòu)，前者主要應用于桌面PC、服務器以及一些工業(yè)控制領(lǐng)域，雖然此架構(gòu)相對于后者穩(wěn)定性和計算性能相對較好，但是工作時其功耗發(fā)熱也相對較嚴重，體積也比較大，另外采購成本相對于后者也高出不少，因此這里主要考慮采用ARM架構(gòu)的微控制器來完成相關(guān)的任務。ARM架構(gòu)處理器廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)的設計，具有32位和64位設計兩種類型，其主要具有低功耗，體積較小、發(fā)熱問題相對較小、采購價格相對較低等等優(yōu)點，使得此架構(gòu)的控制器被廣泛應用于便攜式設備（如MP5，智能手機，智能手表等各類智能化便攜設備）、電腦外設（如常用的鼠標鍵盤，遙控器，交換機），各類常見硬盤等等，平時嵌入式設計工作中常常使用的STM32F103單片機便屬于Cortex-M3架構(gòu)。STM32F103單片機主頻為72Mhz，足以適配此任務中圖像信息處理的開發(fā)需要，OPENMV是一款核心處理器為STM32F103單片機，另外其生產(chǎn)商開發(fā)了較完善的使用庫和一些開發(fā)說明，所以這里有關(guān)圖像處理的任務，我們選擇搭載攝像頭OV7225的視覺開發(fā)平臺OPENMV。至于信息中介站和機器運動控制方面任務的主控制器的確定，這里選用K60單片機，因為K60單片機運算能力較快且價格較低，另外在國內(nèi)市場K60單片機使用人數(shù)較多，方便一些問題的交流和解決，再加上功能引腳較多的特點，庫開發(fā)和構(gòu)建相對完善，這里最終確定下了使用K60單片實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)搭建和機器運動控制的任務。3.1.3圖像處理平臺OPENMV介紹圖3.1OPENMV實物圖OPENMV是一款開源、功能強大、價格比較低的機器視覺模塊。其中這款模塊以STM32F76CPU為核心處理器，硬件電路上集成了OV7725攝像頭芯片，十分適合作為一些嵌入式設備、機器人的視覺處理中心，其生產(chǎn)商用C語言搭建了一些算法庫，其中包含了當前機器視覺領(lǐng)域的大多核心機器視覺算法，并提供了PYTHON的編程接口方便使用者更高效地完成開發(fā)任務，使用者只需要進行相關(guān)接口函數(shù)的簡單學習和對相關(guān)算法的簡要了解就可以進行視覺方面的開發(fā)工作。圖3.2OPENMV引腳功能圖3.1.4主控制器K60介紹圖3.3K60處理器實物圖Kinetis60系列處理器是基于ARMCortex－M4、具有超強的可擴展性的低功耗混合信號微處理器。這一些系列處理器是ARM為適應數(shù)字信號市場而專門開發(fā)的最新嵌入式處理器，具有高效易用的控制信號處理功能。Cortex－M4處理器內(nèi)核，內(nèi)部數(shù)據(jù)通道、內(nèi)存均為32位，內(nèi)部接口采用哈佛結(jié)構(gòu)，有獨立的指令系統(tǒng)和數(shù)據(jù)總線，指令操作和數(shù)據(jù)訪問可以同時進行。另外，Kinetis60核心板主頻為100Mhz，具有144根外接引腳，具有OLED/藍牙接口，足以滿足本智能家居機器人的需要。3.2測距傳感器選型常見的測距傳感器有超聲波測距傳感器HC-SR04、紅外測距傳感器GP2Y0A21、雙目攝像頭等，由于超聲波測距傳感器HC-SR04測距過程中，存在一定延時時間，會對機器人的測距精度和控制方案造成一定影響，雙目攝像頭價格較為高昂，再加上雙目攝像頭的性能在這里并不能充分被利用，這會造成嚴重的資源浪費，所以這里最終采用了紅外測距傳感器夏普GY2Y0A21模塊來測量距離的方案。3.2.1夏普GP2Y0A21紅外傳感器簡介圖3.4夏普GP2Y0A21紅外傳感器實物圖夏普GP2Y0A21距離測量傳感器是一種基于PSD原理的微型距離傳感器。它的測量范圍較長，能達到1m左右，測量角度也能滿足我們的設計要求，能達到50°左右，另外經(jīng)過查閱它的技術(shù)文檔，他在50cm之內(nèi)距離與模擬輸出電壓之間的線性關(guān)系較好，我們只需要利用單片機的ADC電壓采集功能，就能比較簡便的采集到這一模塊的模擬電壓輸出，然后根據(jù)線性關(guān)系，就能比較方便的推測出當前智能管家機器人距離障礙物的距離。3.3物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊選型常見的IOT（物聯(lián)網(wǎng)）模塊有無線通訊模塊ATK-ESP8266、無線模塊NRF24L01、無線數(shù)透模塊ATK-M751等，但考慮到ATK-ESP8266提供免費云服務器，不必自己再搭建云服務器，直接可以免費使用其數(shù)據(jù)的云存儲功能。另外，ATK-ESP8266模塊使用用戶較多且成本較低，方便資料查詢和進行開發(fā)，所以這里最終確定使用ATK-ESP8266來進行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通訊。3.3.1ATK-ESP8266通訊模塊簡介圖3.4ATK-ESP8266模塊實物圖ATK-ESP8266是一款超低功耗的無線wifi通信模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，兼容3.3V和5.0V供電的單片機，使用和操作過程比較簡單，只需要對它進行簡單的串口指令發(fā)送，就能夠?qū)ζ淠Ｊ竭M行選擇和控制。另外這款產(chǎn)品能與原子云服務器兼容，如果要用這款產(chǎn)品進行物聯(lián)網(wǎng)通信的任務，可以直接使用廠家提供的云服務器服務，省去了自己搭建云服務器的繁瑣工作。其他的一些基本參數(shù)，可以參考圖3.4.圖3.4ATK-ESP8266基本參數(shù)硬件電路設計智能管家機器人硬件電路主要由電源穩(wěn)壓模塊、電機驅(qū)動模塊、單片機最小系統(tǒng)等組成，出于電池體積、重量、容量的考慮，這里整個系統(tǒng)的供電來源選用型號為格氏7.4V的航模電池，電池容量為1800mah。其中上述的幾個硬件電路模塊中，電源穩(wěn)壓模塊負責將7.4V電池電壓降壓到MCU正常工作的3.3V和供紅外測距模塊、ATK-ESP8266無線模塊等正常工作的5V；電機驅(qū)動模塊負責放大控制信號，從而實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的控制。圖4.1格氏電池實物圖4.1電源穩(wěn)壓電路圖4.2智能管家機器人供電方案智能家居機器人供電來源為容量為1800mAh、額定電壓為7.4V的航模電池，根據(jù)各模塊穩(wěn)定工作的正常電壓要求及執(zhí)行機構(gòu)的額定電壓要求，系統(tǒng)要提供5V和3.3V的穩(wěn)定電壓，為了滿足系統(tǒng)的兩種供電電壓穩(wěn)定，基于成本、和各模塊功耗的計算分析，本文最終選擇了采用LD0器件穩(wěn)壓的方案，分別為電壓信號LM2904-5V和AMS117-3.3V兩種穩(wěn)壓芯片,系統(tǒng)供電方案如圖所示。4.1.1LM2940-5V供電電路圖4.3LM2940-5v穩(wěn)壓電路OPENMV平臺和ATK-ESP8266分別是整個系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)處理的“大腦”和用于各設備端通訊的“橋梁”，所以能否為這兩部分提供穩(wěn)定的5V電壓直接決定著整個控制過程的運行性能高低。在考慮了驅(qū)動電機在轉(zhuǎn)動時可能會引起電池壓降，這里選擇了一種低壓壓降穩(wěn)定芯片，為電池電壓變動提供了足夠的裕量，從而保證5V電壓的穩(wěn)定輸出。另外，因為智能家居機器人系統(tǒng)內(nèi)包含多個模塊，所以還要求所使用的穩(wěn)壓芯片具有足夠大的電流輸出，這里最終決定選用滿足需求的LM2940進行穩(wěn)壓降壓。LM2940是一款串聯(lián)型線性穩(wěn)壓芯片，具有波紋小、外圍電路結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)壓線性度較好的優(yōu)點，另外，其內(nèi)部還集成了過熱、過壓保護電路，適合電池供電的場合。其最大輸出電流為1A，工作時最大壓差僅為0.5V，5.1V供電即可正常工作，適合作為智能家居機器人的穩(wěn)壓模塊[4]。4.1.1AMS1117-3.3V供電電路圖4.3AMS1117-3.3V穩(wěn)壓電路智能家居機器人的運動控制器K60的供電電壓范圍在3.3V~5V之內(nèi)，但在實驗過程中發(fā)現(xiàn)5V供電很容易燒壞控制器K60，所以最后確定在硬件中選用3.3V的電壓來向控制器K60供電?？紤]到控制器額定工作電流在0~50mA內(nèi)，對輸出電流的要求并不高，因此本文選用低功耗的穩(wěn)壓芯片AMS1117接5V輸入的方案。AMS1117是一款正向低壓差穩(wěn)壓芯片，輸出電壓精度在±1%以內(nèi)，并且具有限流、過熱切斷的功能，最大輸出電流達800mA[5],完全符合以上三個模塊的供電需求。其典型應用電路如圖4.3所示，輸出端使用10uF鉭電容可以改善芯片的舒坦效應和輸出穩(wěn)定性。4.2BTN7960H橋電機驅(qū)動電路圖4.4BTN7960H橋驅(qū)動電路智能家居機器人采用大功率碳刷直流電機RS540為驅(qū)動動力，目前大功率直流電機大多采用達林頓管或MOS管搭制H橋，并使用PWM脈寬調(diào)制的控制方式，但是這種方法的缺陷是元件的體積較大，另外當控制電壓急劇變化時MOS管比較容易燒損，再查閱相關(guān)方案后，最終選用了大電流半橋驅(qū)動芯片BTN7960來搭建H橋驅(qū)動電路，因為芯片穩(wěn)定性高，而且元件體積比較小，更能滿足本設計需求，其中H橋驅(qū)動方案的電路原理圖見圖4.4。圖4.574LS541D緩沖電路值得注意的是，如果MCU的PWM引腳直接與BTN7960引腳和BTN7960輸入引腳連接，電機高速運行產(chǎn)生的大電流波動很可能燒毀MCU，因此，本文在單片機引腳和BTN7960之間增加了緩沖器，防止大電流涌入單片機。本文采用了74HC138八路緩沖器來進行緩沖，緩沖電路如圖4.5所示，本文采用74HC138八路緩沖器[6]。第5章軟件設計智能管家機器人的主要功能包括：①安保巡邏②物聯(lián)網(wǎng)通訊③娛樂互動。其中安保巡邏實際就是智能家居機器人隨機在房間內(nèi)進行巡邏，此時OPENMV一直在采集和處理拍攝到的室內(nèi)圖像信息，當采集到室內(nèi)有人員時，對人臉特征進行識別，當采集到的人臉特征并非數(shù)據(jù)庫內(nèi)先前錄入的特征時，觸發(fā)報警服務。物聯(lián)網(wǎng)通訊功能實際就是為設備端、云服務器端、智能家居機器人端、手機APP端搭建起一條實時通訊的通道，不同終端可以通過這條通道實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時共享。娛樂互動功能實際上就是智能家居機器人能與用戶進行一些簡單的交流互動和命令執(zhí)行，例如我們可以向智能家居機器人下達轉(zhuǎn)圈、前進、后退等指令，也可以與智能家居機器人進行簡單的對話交流。按照不同功能任務的重點難點，我們這里按照人臉識別、機器的運動控制、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建分為三個方面對軟件設計進行闡述。5.1基于Haar特征Adaboost分類器的人臉識別目前，人臉檢測方法主要有兩種：基于知識的方法和基于統(tǒng)計的方法[7]?；谥R的方法主要是利用先驗知識將人臉視為器官特征的組合，根據(jù)眼睛、眉毛、眉毛的面部特征，關(guān)系來根據(jù)嘴巴等器官的特征以及它們之間的幾何位置來檢測人臉?；诮y(tǒng)計的方法是將人臉看作一個完整的模式-二維像素矩陣。從統(tǒng)計學的角度出發(fā)，通過大量的人臉圖像樣本構(gòu)建人臉模式空間，并根據(jù)相似性測度判斷人臉的存在。這里實現(xiàn)人臉檢測任務所使用的是Haar分類器方法。是在Adaboost算法的基礎(chǔ)上，運用Haar-like小波特征和積分圖的方法，對AdaBoost訓練出的強分類器進行級聯(lián)，從而實現(xiàn)了較高準確率實現(xiàn)人臉是識別[8]。這里由于OPENMV平臺內(nèi)部提供了效果較好的訓練器和檢測器，不需要花費太多時間進行模型的重新訓練和評估，這里只需要進行簡單的調(diào)用就能較好地滿足我們地任務需求。下面將對Haar分類器的算法、整個人臉檢測算法的檢測流程、實驗效果及實現(xiàn)代碼進行簡要闡述。5.1.1Haar分類器算法簡述 Haar特征分為三類：邊緣特征、線性特征、中心特征和對角線特征，這些特征組合成為特征模板，特征模板內(nèi)有白色區(qū)域和黑色區(qū)域，我們稱白色區(qū)域的灰度值之和減去黑色區(qū)域的灰度值之和為Haar特征值[10]，這個特征值反映了灰度的變化情況，我們可以通過這樣的特征對臉部一些區(qū)域進行簡單的識別，比如眼睛要比臉頰顏色要深，鼻梁兩側(cè)比鼻梁的顏色要深等。通過改變所檢測矩形的位置、大小和類別，我們可以得到許許多多的特征信息，這些特征信息就能幫助我們進行臉部識別。但這里存在兩個問題，一是矩陣的位置、類別、大小不斷變換24*24像素大小的檢測窗口內(nèi)矩陣特征信息就有16萬個，怎么樣快速計算這么多的特征？二是哪些矩陣特征才是對分類器分類最有效的，能讓我們有效的識別出臉部各個部位從而實現(xiàn)高準確率識別人臉？ 其中針對第一個問題，這里采用了積分圖的方法來解決，積分圖是指只遍歷一次積分圖，將圖像從起點開始到各點形成的矩形區(qū)域像素之和作為數(shù)組元素保存在內(nèi)存中，當要計算某個區(qū)域的像素和是，不需要重新計算這個區(qū)域的像素和，只需要第一遍遍歷是存儲的數(shù)值進行一定簡單計算就能得到結(jié)果，大大提高了圖像特征計算的效率。其中針對第二個問題，這里采用了通過AdaBoost算法來訓練的方法，其中由于OPENMV內(nèi)自帶了已經(jīng)經(jīng)過訓練的訓練器和檢測器，這里就不再進行過多贅余描述。5.1.2Haar特征人臉檢測的檢測流程圖5.1級聯(lián)分類器檢測流程基于Haar特征級聯(lián)分類器的檢測流程為：首先加載訓練好的分類器，接著加載待檢測的圖像，然后經(jīng)過級聯(lián)分類器一次檢測，只有通過每一級的檢測才認定為人臉對象。值得注意的是分類器的級聯(lián)等級與識別準確度正相關(guān)而與識別速度負相關(guān)，檢測過程如下圖所示[11]。5.1.3實驗效果分析及實現(xiàn)代碼對面部區(qū)域進行矩形框標定，能較好地完成任務需求，其中核心實現(xiàn)代碼如下：5.2智能管家機器人的運動控制5.2.1智能管家機器人轉(zhuǎn)向行進的實現(xiàn)常見的轉(zhuǎn)向控制方法可以粗略分為以下三種：1）電機不差速，舵機轉(zhuǎn)向2）后輪差速3）舵機轉(zhuǎn)向+兩輪差速。為節(jié)省制作原料成本和盡量減小機器人的占地面積，本智能管家機器人采用了四輪式的結(jié)構(gòu)，其中最前、后方輪型選用了萬向輪，中間兩個輪子保持平行位置安裝了普通輪胎，如圖。利用兩輪差速來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的原理很簡單，就是當左輪轉(zhuǎn)的比右輪快時，則車向前右轉(zhuǎn)；反之左轉(zhuǎn)；兩個電機轉(zhuǎn)的一樣快，則直行。5.2.2智能管家機器人避障功能的實現(xiàn)圖5.3避障功能程序流程圖智能管家機器人的避障功能設計思路是首先通過紅外傳感器對車前方進行測距，當距離小于20cm時，則機器人進行轉(zhuǎn)向，直到前方?jīng)]有障礙物，設計思路圖如下。通過示意圖我們可以知道，測距步驟對于避障功能的效果具有直接決定的作用。其中紅外傳感器測距由位置敏感探測器、紅外發(fā)射二極管和信號處理電路組成，能實現(xiàn)對各種物體的距離檢測，不易受到環(huán)境溫度和操作時間的影響（但可能會受相同頻段其他紅外線干擾），采用三角測量的方法輸出電壓對應檢測距離[12]，5V對其供電后，直接通過單片機內(nèi)部ADC采集即可知道當前距離為多少。5.3物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建智能管家機器人與用戶之間的信息交互通訊是物聯(lián)網(wǎng)項目的核心，本設計采用原子云服務器做物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，這個平臺適配多種網(wǎng)絡環(huán)境和常見傳輸協(xié)議，提供各類硬件終端的快速接入方案和設備管理服務，這里我們采用ATK-ESP8266接入原子云服務器；面向應用層，提供豐富的API和數(shù)據(jù)分析能力以滿足各類行業(yè)應用系統(tǒng)的開發(fā)需求。該平臺支持的協(xié)議有HTTP、WEBSOCKET協(xié)議，在這里我們選用HTTP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。首先我們需要在平臺注冊產(chǎn)品，并在產(chǎn)品內(nèi)添加設備，并選擇接入?yún)f(xié)議等。5.4.1物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡述圖5.3物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)初次登錄設置完成后，將得到設備的用戶名，APITOKEN等重要開發(fā)用信息，拿到這些信息后，根據(jù)開發(fā)文檔提供的API接口地址，我們可以通過http的方式請求獲得原子云服務器里的數(shù)據(jù)（這些數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)場傳感器）其中API地址為/api/orgs/:org_id/devicepacket/:device_number。一次通訊過程如下所示，Mobile應用端或PC應用端發(fā)送RequestHeader，請求服務器返回數(shù)據(jù)信息，然后服務器端發(fā)送來當前各傳感器狀態(tài)信息，其中返回數(shù)據(jù)格式如下所示，其中包含了數(shù)據(jù)發(fā)送的時間和內(nèi)容等。

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66",…},}第6章總結(jié)與展望本文所設計的智能家居機器人——基于圖像處理與物聯(lián)網(wǎng)云通訊技術(shù)，功能已經(jīng)基本實現(xiàn)，運行效果比較穩(wěn)定，實現(xiàn)效果良好。設計緊跟當今科技熱點與需求痛點，為智能家居環(huán)境的搭建提供了一種新的方案。機器人技術(shù)、5G技術(shù)、智能家居技術(shù)進入了新的發(fā)展時期，人們開始追求更高的生活品質(zhì)、更舒適的居家環(huán)境，人們?nèi)找嬖鲩L的智能化需求，不斷讓我們反思這一問題——如果讓科技更好地服務生活、改善生活。讓人臉識別技術(shù)來幫我們“照看門戶”，物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)來實現(xiàn)我們的“一鍵控制”，這些過去我們所認為遙遠的、夢幻的一切，正在技術(shù)和需求的推動下，一步一步踏入我們每個人的日常生活，相信在時間的醞釀下，我們生活會變得愈加舒適、便利。參考文獻[1]汪東芳.智能家居機器人的研究與開發(fā)[D].南京理工大學,2018.[2]張琦.移動機器人的路徑規(guī)劃與定位技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2014.[3]麗君.移機器人研發(fā)的難點與創(chuàng)新[N].科技日報,2016-05-29(002).[4]NationalSemiconductor.LM29401ALowDropoutRegulatorDatasheet.2003[5]AdvancedMonolithicSystemsInc.AMS117-3.3Datasheet.2013[6]黃凱龍.基于飛思卡爾單片機的智能車及其調(diào)試系統(tǒng)設計[D].湖南大學,2014.[7]任琳,岳光,郭保全.AdaBoost視覺算法的士兵疲勞預警系統(tǒng)研究[J].機械工程與自動化,2021(02):40-42+45.[8]張興賢.目標驅(qū)動的監(jiān)控視頻定位系統(tǒng)中人臉檢測方法的設計與實現(xiàn)[D].北京郵電大學,2018.[9]P.ViolaandM.Jones,"Rapidobjectdetectionusingaboostedcascadeofsimplefeatures,"Proceedingsofthe2001IEEEComputerSocietyConferenceonComputerVisionandPatternRecognition.CVPR2001,2001,pp.I-I,doi:10.1109/CVPR.2001.990517.[10]"Robustreal-timefacerecognition,"2013Africon,2013,pp.1-5,doi:10.1109/AFRCON.2013.6757719.[11]王玉龍.基于人臉檢測的增強現(xiàn)實交互技術(shù)研究與應用[D].大連理工大學,2012.[12]羅冬華.基于ARM嵌入式的清潔機器人系統(tǒng)研究[D].桂林電子科技大學,2016.附錄實物圖運動控制程序部分代碼//voidPIT0_IRQHandler(void){//aaaaa=uart_query(UART3);AngleGet();Angle_actual=g_fAngle+180;//Motor_control(test_speed1,test_speed2);hhh=adc_once(AD