根據(jù)國家統(tǒng)計局2016年公布的數(shù)據(jù)顯示,我國60歲以上的老年人超過2.3億,且老年人口規(guī)模不斷擴大。隨著人口年齡結(jié)構(gòu)急劇變化,人們的生活節(jié)奏越來越快,老年人往往不能得到周到的照料。為了順應(yīng)社會的轉(zhuǎn)變,充分考慮當(dāng)今的科技進步和時代發(fā)展,本文設(shè)計一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家庭機器人。智能家庭機器人作為一種服務(wù)型人工智能可以更好地解決養(yǎng)老問題,讓老年人享受到更高品質(zhì)的生活的同時,也大大減輕年輕人與社會的壓力。

本文系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)的機器人集合各種模塊進行設(shè)計,以樹莓派為處理核心,搭載Linux系統(tǒng),以STM32芯片輔助連接各個模塊。機器人的底盤主要由兩個直流減速電機、激光雷達、SLAMWARE模塊、自動充電模塊和超聲波模塊組成,中間部分安裝功放模塊、煙霧檢測模塊和鋰電池組,上部安裝麥克風(fēng)陣列板、語音增強核心板和樹莓派核心板,頭部搭載舵機云臺、攝像頭模塊、遙控模塊和心率檢測模塊。

設(shè)計采用樹莓派4B作為數(shù)據(jù)的處理核心,并加上STM32芯片及其他硬件模塊MCU的輔助完成各個硬件模塊的數(shù)據(jù)處理與控制。樹莓派4B型搭載了基于Cortex-A72架構(gòu)的64位四核處理器BCM2711,主頻可達1.5 GHz,性能強勁,并集成了雙頻WiFi模塊和Bluetooth 5.0模塊,可以非常便捷地連接互聯(lián)網(wǎng)及家中的智能設(shè)備,同時外接上EMMC存儲器進一步提升其數(shù)據(jù)的讀寫性能。在樹莓派上可以運行多種Linux系統(tǒng)或Windows 10 IoT Core系統(tǒng),有圖形界面和眾多SDK的支持,可以更加簡單快速的進行開發(fā),同時能夠簡單高效的進行程序線程的處理,系統(tǒng)的穩(wěn)定性也能得到保障。

語音交互模組設(shè)計如圖2所示。語音交互模組包括:環(huán)形麥克風(fēng)陣列[1]模塊、語音增強[2]核心、功放模塊。

首先得明確該機器的的語音識別環(huán)境是在室內(nèi),相比手機上的近場語音交互,其環(huán)境更加苛刻,人的聲源位置是不斷變化的,還會有背景噪音、混響、回聲、多人聲混肴等多種干擾因素。面對這樣的遠場語音識別[3]環(huán)境,語音前端的設(shè)備和算法的處理十分重要。設(shè)計采用“環(huán)形6+1”麥克風(fēng)陣列方案,配合語音增強模塊的算法可以有效增強遠場拾音能力和抑噪能力。主流的麥克風(fēng)陣列拾音流程分為回聲抵消[4]、聲源定位[5]、波束形成[6]、去混響[7]、信號增益這幾個步驟,這些需要前端通過算法完成,而且需要不間斷地實時監(jiān)聽運算,顯然無法通過樹莓派來完成這些算法,而必須借助專用的語音處理單元。如今,市面上如百度、科大訊飛等公司都推出了功能完善的麥克風(fēng)陣列模塊和語音增強模塊,無需理解其復(fù)雜的算法便可以完成語音信號的前端處理。再通過樹莓派接入云端語音識別RestfulAPI和TTS語音引擎,完成語音的識別、自然語言理解、業(yè)務(wù)邏輯分析、語音合成和語音模型的訓(xùn)練。

機器人的自主定位導(dǎo)航[8]包括:自主定位、自動地圖建模和自主路徑規(guī)劃,還需要實時自動避障,并在環(huán)境發(fā)生變化時重定位。

本設(shè)計采用SLAMTEC思嵐科技的自主定位導(dǎo)航套裝:RPLIDAR激光雷達加SLAMWARE自主定位導(dǎo)航核心。SLAMWARE核心集成了9自由度的IMU,內(nèi)置了SLAM算法[9]引擎、改良的D*算法[10],配合激光雷達可以自動快速完成機器人的定位、建圖和路徑規(guī)劃。并且思嵐科技提供了SLAMWARESDK,可以在電腦上通過串口連接SLAMWARE核心方便地查看實時地圖、修改參數(shù)和命令等。SLAMWARE還提供了算法和API接口配合超聲波傳感器、防跌落傳感器,完成實時自動避障和激光雷達測量受阻時的重定位。SLAMWARE還提供了“自動回巢”的算法,以實現(xiàn)機器人的自動回充[11]。

家電遙控模塊:由紅外遙控模塊和WiFi模塊組成。

心率檢測模塊:使用MAX30102心率血氧檢測模塊。

攝像頭模塊:考慮到攝像頭需要完成室內(nèi)監(jiān)控、視頻通話、人臉識別、物品識別等功能,攝像頭模塊采用無畸變、可夜視的高清攝像頭,同時加裝由兩個微型舵機組成的自動云臺來自動調(diào)整攝像的視角。

煙霧檢測模塊:由MQ-2,MQ-5,ME3-CO和ME3-H2S等多個不同的煙霧檢測傳感器組成,主要檢測室內(nèi)氣體的天然氣、液化氣、甲烷、一氧化碳、硫化氫等氣體的濃度。

機器人的軟件系統(tǒng)由樹莓派、語音增強核心、SLAMWARE核心和云端服務(wù)器4部分進行分模塊的處理。樹莓派作為主系統(tǒng)負責(zé)其他模塊的連接調(diào)用、進程的調(diào)配、本地語音識別、云端的數(shù)據(jù)交互等任務(wù)。語音增強核心負責(zé)語音識別的前端聲音處理,SLAMWARE負責(zé)機器人的自主定位導(dǎo)航功能,云端服務(wù)器負責(zé)語音、語義的識別,做出對應(yīng)的執(zhí)行邏輯處理,合成應(yīng)答語音,并返回命令和語音數(shù)據(jù)給機器人終端。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種以語音為核心交互方式,集成多種智能服務(wù)的家庭養(yǎng)老監(jiān)護機器人。以機器人作為智能中樞,借助簡單的語音交互,使老人能夠簡便地使用眾多的智能家電,給千萬家庭帶來生活質(zhì)量的提升。