根據國家統計局2016年公布的數據顯示,我國60歲以上的老年人超過(guò)2.3億,且老年人口規模不斷擴大。隨著(zhù)人口年齡結構急劇變化,人們的生活節奏越來(lái)越快,老年人往往不能得到周到的照料。為了順應社會(huì )的轉變,充分考慮當今的科技進(jìn)步和時(shí)代發(fā)展,本文設計一種基于物聯(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老問(wèn)題,讓老年人享受到更高品質(zhì)的生活的同時(shí),也大大減輕年輕人與社會(huì )的壓力。

本文系統總體結構如圖1所示。

該系統的機器人集合各種模塊進(jìn)行設計,以樹(shù)莓派為處理核心,搭載Linux系統,以STM32芯片輔助連接各個(gè)模塊。機器人的底盤(pán)主要由兩個(gè)直流減速電機、激光雷達、SLAMWARE模塊、自動(dòng)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(yǔ)音增強核心板和樹(shù)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。

設計采用樹(shù)莓派4B作為數據的處理核心,并加上STM32芯片及其他硬件模塊MCU的輔助完成各個(gè)硬件模塊的數據處理與控制。樹(shù)莓派4B型搭載了基于Cortex-A72架構的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)及家中的智能設備,同時(shí)外接上EMMC存儲器進(jìn)一步提升其數據的讀寫(xiě)性能。在樹(shù)莓派上可以運行多種Linux系統或Windows 10 IoT Core系統,有圖形界面和眾多SDK的支持,可以更加簡(jiǎn)單快速的進(jìn)行開(kāi)發(fā),同時(shí)能夠簡(jiǎn)單高效的進(jìn)行程序線(xiàn)程的處理,系統的穩定性也能得到保障。

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

首先得明確該機器的的語(yǔ)音識別環(huán)境是在室內,相比手機上的近場(chǎng)語(yǔ)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(huì )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(chǎng)語(yǔ)音識別[3]環(huán)境,語(yǔ)音前端的設備和算法的處理十分重要。設計采用“環(huán)形6+1”麥克風(fēng)陣列方案,配合語(yǔ)音增強模塊的算法可以有效增強遠場(chǎng)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(gè)步驟,這些需要前端通過(guò)算法完成,而且需要不間斷地實(shí)時(shí)監聽(tīng)運算,顯然無(wú)法通過(guò)樹(shù)莓派來(lái)完成這些算法,而必須借助專(zhuān)用的語(yǔ)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(yǔ)音增強模塊,無(wú)需理解其復雜的算法便可以完成語(yǔ)音信號的前端處理。再通過(guò)樹(shù)莓派接入云端語(yǔ)音識別RestfulAPI和TTS語(yǔ)音引擎,完成語(yǔ)音的識別、自然語(yǔ)言理解、業(yè)務(wù)邏輯分析、語(yǔ)音合成和語(yǔ)音模型的訓練。

機器人的自主定位導航[8]包括:自主定位、自動(dòng)地圖建模和自主路徑規劃,還需要實(shí)時(shí)自動(dòng)避障,并在環(huán)境發(fā)生變化時(shí)重定位。

本設計采用SLAMTEC思嵐科技的自主定位導航套裝:RPLIDAR激光雷達加SLAMWARE自主定位導航核心。SLAMWARE核心集成了9自由度的IMU,內置了SLAM算法[9]引擎、改良的D*算法[10],配合激光雷達可以自動(dòng)快速完成機器人的定位、建圖和路徑規劃。并且思嵐科技提供了SLAMWARESDK,可以在電腦上通過(guò)串口連接SLAMWARE核心方便地查看實(shí)時(shí)地圖、修改參數和命令等。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(shí)時(shí)自動(dòng)避障和激光雷達測量受阻時(shí)的重定位。SLAMWARE還提供了“自動(dòng)回巢”的算法,以實(shí)現機器人的自動(dòng)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監控、視頻通話(huà)、人臉識別、物品識別等功能,攝像頭模塊采用無(wú)畸變、可夜視的高清攝像頭,同時(shí)加裝由兩個(gè)微型舵機組成的自動(dòng)云臺來(lái)自動(dòng)調整攝像的視角。

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

機器人的軟件系統由樹(shù)莓派、語(yǔ)音增強核心、SLAMWARE核心和云端服務(wù)器4部分進(jìn)行分模塊的處理。樹(shù)莓派作為主系統負責其他模塊的連接調用、進(jìn)程的調配、本地語(yǔ)音識別、云端的數據交互等任務(wù)。語(yǔ)音增強核心負責語(yǔ)音識別的前端聲音處理,SLAMWARE負責機器人的自主定位導航功能,云端服務(wù)器負責語(yǔ)音、語(yǔ)義的識別,做出對應的執行邏輯處理,合成應答語(yǔ)音,并返回命令和語(yǔ)音數據給機器人終端。

4 結 語(yǔ)

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