迷你智能管家

迷你智能管家

作者：董兴 何昌昕

来源：《中国科技博览》2017年第23期

[摘 要]迷你智能管家以两轮自平衡小车为硬件底盘，融合视觉、语音、物联网、3D等多种元素，结合Opencv图像处理技术、语音交互、PID算法等多种前沿技术，能够实现用户人脸识别、语音交互、远程监控、自动无线充电、卖萌舞蹈等功能。旨在帮助用户更为方便快捷地管理家用电器，满足日常娱乐与交流，家居安全与防盗，整体设计智能、安全、可靠。 [关键词]PID算法 Opencv视觉处理 语音交互 小车

中图分类号：TN945 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0103-01 1、前言

随着时代的发展，物联网设备和智能手机不断普及，生活越来越多样化和智能化，但越来越多的智能化设备也给我们带来了麻烦，由于其平台和操作不统一，不便于统一管理，切换操作繁琐。为了解决上述问题，自主研发设计了一款迷你智能管家，作品以SLA材料打印的两轮自平衡小车为硬件底盘，融合视觉、语音、物联网、3D等多种元素，结合Opencv图像处理技术、语音交互、3D打印、PID算法等多种前沿技术，能够实现用户人脸识别、语音交互、远程监控、自动无线充电、卖萌舞蹈等功能。旨在帮助用户更为方便快捷地管理家用电器，满足日常娱乐与交流、家居安全与防盗的需求，整体设计智能、安全、可靠，开创人工智能的新时代。该作品包含领域众多，涉及机械结构、控制算法、3D建模、安卓开发等多个领域的先进技术， 二、系统方案 1）系统方案设计

首先，通过在小车上安装并采集和处理惯性传感器的信息来获取小车的姿态，结合串级PID控制算法实现小车的直立、转向和运动。其次，通过安卓开发，并借助国内较为成熟的科大讯飞语音开发平台来进行语音识别和语音合成的功能。然后，通过将Opencv图像处理算法移植到安卓平台上，进行人脸识别和颜色跟踪的功能并结合3D引擎来实现UI设计与人机交互。最后，我们通过乐鑫的WIFI模块和微分电子提供的云平台进行物联网家居的开发和视频的传输，能够出门在外就可以查看家居的具体数据和视频。

作品以两轮自平衡车和3D打印的支架为硬件基础，选用STM32高性能处理器为控制中枢，搭载智能手机作为视觉和语音交互设备，在安卓开发平台上使用Opencv开源视觉库进行人脸识别和颜色跟踪，使用科大讯飞的语音SDK进行语音识别和语音合成，车体选用MPU6050进行姿态解算，并根据当前的姿态角进行多环串级PID控制，实现智能管家的直

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立、转向和运动控制。还增加了ESP8266模块连接微分电子的云平台，并能够自由地控制家用电器，实时显示环境数据。智能管家能够自动寻找无线充电桩，给设备进行无线充电。此外，用户在外还可视频监控家中状况，具有防盗功能；在家可以通过语音控制他执行相应的操作，用户可和智能管家正常交谈，可以操作玩耍跳舞，兼有娱乐功能。

作品框架大致可分为处理、信息采集、动作执行三个大类，细分则由七个主要部分构成，每个模块都有自己的功能和职责，相互协调工作，构成了完整的嵌入式系统。 2）功能模块选取

主控MCU选取：由于作品的涉及到多个数据的传输和处理以及多个模块的控制，所以使用性能和性价比兼具的STM32F103单片机来作为我们的控制MCU。基于Cortex-M3内核的STM32F103单片机采用3.3V供电，性能出色，价格非常便宜，运算速度是51单片机的20倍，采用3级流水线和哈佛结构，带有的本地指令和数据总线以及用于外设的第三条总线。

惯性传感器选取：选用应美盛的六轴传感器MPU6500，内部集成了一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪，支持IIC和SPI通信，其中IIC最高通信速率能够达到400KHz，SPI最高通信速率能够达到20MHz。

WIFI模块选取：我们的智能管家搭载WIFI模块，能够实现连接微分电子的云平台和控制智能家居控制板，这就要求其稳定性高、适用性强。CC3200功能非常强大，但其价格较为昂贵，无法满足我们的需求，最终选用有“业界里程碑”之称的ESP8266-WIFI模块作为我们的物联网传输设备。 3）图像处理分析

选用集成双摄像头的智能手机进行处理，无中间环节，图像实时性高，稳定可靠，且手机体积小巧，处理运算能力快，非常适合作为我们智能管家的视觉处理设备，Opencv开源库，功能强大，使用较为方便，完全满足我们的设计需求。 4）语音交互分析

迷你智能管家需要完成语音交互的功能，这期间设计的处理和运算量相比视觉处理更为巨大，因为语音体系非常庞大，如果用单片机和语音模块、功放模块等仅能实现简单语句的比对和识别，无法完成更为复杂的语音识别和语音合成操作，基于此，最终选用科大讯飞的语音SDK进行开发，并结合视觉处理在智能手机端完成，相辅相成，尽可能地减少了外围电路的设计，相比单片机，手机拥有更强的处理能力，更高的集成度和稳定性。 三、软件设计

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迷你智能管家的软件部分主要分为姿态解算，PID控制，Opencv图像处理，安卓开发结合科大讯飞语音SDK进行语音交互，通过ESP8266-WROOM2-WIFI模块将数据上传至微分电子的云平台，并可以通过云平台进行相应的控制，此外智能官网还能连接家用电器，用户能够随时随地控制和查看家用电器的状态，可以通过摄像头实时查看家中状况，还兼有防盗和娱乐功能。

姿态解算：卡尔曼滤波器：卡尔曼滤波器是一个“最优化自回归数据处理算法”。对于解决大部分的问题，它是最优，效率最高甚至是最有用的。其广泛应用已经超过30年，包括机器人导航，控制，传感器数据融合甚至在军事方面的雷达系统以及导弹追踪等。近年来更被应用于计算机图像处理，列入，面部识别，图像分割，图像边缘检测等方面。

四元数转欧拉角：在笛卡尔坐标系中，最常用的旋转表示方法便是四元数和欧拉角，比起矩阵来具有节省存储空间和方便插值的优点，将解算后获取的四元数根据公式转换为系统所需的欧拉角

PID算法：工程实际中，应用最为广泛调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。智能管家的平衡直立控制采用PD控制，通过检测角度，小车始终往偏角那边跑，最终达到一个平衡稳定的状态。智能管家的速度控制采用PI控制，对编码器信息进行低通滤波后可以削弱电机控制的比重，提高系统的稳定性，只需更改设定的目标速度。

安卓平台开发：智能管家采用智能手机为依托，借助Opencv开源图像处理库和科大讯飞语音SDK进行开发，能够完成视觉和语音双重高难度任务。开源视觉库和语音开放平台对我们的智能管家进行开发，实现视觉处理和语音交互的功能。能够进行人脸识别，进行身份验证，能够颜色跟踪，自动寻找充电桩，能够和你像朋友一样交谈，可以根据你的指令执行相应的操作。

四、作品创新性及前景

本作品将立足于解决现在或者将来由于物联网的普及化给生活可能带来的问题，设计新颖独特，采用3D打印的支架和两轮自平衡底盘为硬件基础，融合视觉、语音、物联网、3D等多种元素，结合Opencv图像处理技术、语音交互、3D打印、PID算法等多种前沿技术，能够实现用户人脸识别、语音交互、远程监控、自动无线充电、卖萌舞蹈等功能。旨在帮助用户更为方便快捷地管理家用电器，满足日常娱乐与交流，家居安全与防盗，整体设计智能、安全、可靠，开创人工智能的新时代。

智能管家是一个科技作品系列，拥有着诸多不同的有趣功能，并可以根据个人的想法无限添加，发展分支多样化，该作品衍生创作出了视觉跟踪、语音交互等应用，丰富人们的生活。 参考文献

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[1] 谢兴红.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].电子工业出版社，2011.5-.

[2] 高吉祥.数字电子技术.2版[M].北京：电子工业出版社，2008.70-100.