[發明專利]基于人體動態行為追蹤的智能跟隨機器人系統和方法

在審

• 申請號: 201710077416.7
• 申請日: 2017-02-14
• 公開（公告）號: CN106843215A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 曾丹;梁子軒;李丹丹;張之江;鄭大岳;沈為
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙)31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及到智能跟隨機器人的技術領域，具體來說是一套基于人體動態行為追蹤的智能跟隨機器人系統和方法，該系統是基于單片機和傳感器的無線傳輸控制系統，主要分為三部分：動態行為分析系統、無線傳輸系統與運動控制系統。動態行為分析系統主要是利用陀螺儀傳感器獲得人體運動的三維方向參數，同時設置超聲波測距模塊；無線傳輸系統利用藍牙模塊的數據通信協議進行串口通信，進行數據的發送與接收；運動控制系統主要是利用PWM調速、PID速度反饋和超聲波測距等模塊，控制小車的機械特性如速度、轉向等。這樣就構成了一套完整的智能跟隨機器人系統和方法。

背景技術

隨著科技的進步與智能化技術的普及，機器人領域技術得到了突飛猛進的發展，無論是工業機器人還是服務機器人都得到了空前的關注，機器人已經不再只是存在于科幻電影當中，而是慢慢滲透我們的生活，進入萬千家庭當中。當前越來越多的孩子開始把興趣由傳統玩具轉向智能化玩具，這樣既符合孩子愛玩的天性，又可以培養孩子產生科技方面的愛好。本設計應用擴展性較強，可以將外形進行加工，制成跟隨寵物。同時，也可做成小型跟隨行李箱，滿足那些因外出旅行或出差苦惱行李太多的人群。

當前定位技術主要有以下幾種：1.傳感器定位。2.藍牙三角定位技術。3.激光定位。其中應用最多的是傳感器定位技術，通過將陀螺儀傳感器和超聲波傳感器獲得方位數據和距離數據進行建模，獲得空間中物體與人之間的相對位置。藍牙三角定位技術是在跟隨機器人裝兩個藍牙模塊（假定為A和B），且A和B之間的距離已知，用戶身上安裝一個藍牙模塊C，通過測量藍牙模塊之間信號強度的衰減來標定兩藍牙模塊之間的距離，以實現定位的效果。激光定位方案則通過激光傳感器向前方發射一束射線，根據射線發出返回的時間差來計算跟隨機器人與用戶之間的距離，根據發射激光的角度來確定跟隨機器人與用戶的相對位置。

發明內容

本發明的目的在于針對服務機器人在市場上的需求，提供一種基于人體動態行為追蹤的智能跟隨機器人系統和方法，可將其運用到服務機器人領域，生產出滿足市場需求的服務機器人等，給人們的生活帶來便利。

為達到上述目的，本發明的構思是：

1.建立以單片機為核心的人體行為檢測裝置和跟隨機器人，當附著在人身上的人體行為檢測裝置計算出用戶的轉向信息后，將這些信息通過藍牙模塊無線發送至機器人的K22單片機，單片機接收到信息后通過舵機控制機器人的轉向，通過電機更改機器人的行進速度，以實現實時跟隨的效果。人體行為檢測裝置和機器人兩子系統組成部分如下：

2.人體行為檢測裝置：由STM32單片機及其核心板、陀螺儀模塊、精密超聲波測距模塊和藍牙模塊組成。該裝置以STM32單片機為核心處理單元，負責接收數據以及發送指令；陀螺儀模塊負責檢測人體運動過程中的姿態角信息，超聲波測距模塊負責計算人體行為檢測裝置與機器人之間的距離。

3.機器人部分：以Freecars公司的車模為載體，MK22單片機及其核心板，超聲波模塊、藍牙模塊組成。該部分以MK22單片機為核心處理單元，負責接收和處理數據，并向各模塊發送指令；藍牙模塊用于實現無線傳輸數據的功能；超聲波模塊與人體行為檢測裝置的超聲波模塊配對使用，負責測量人體與機器人之間的距離。

4.獲取人體姿態角信息，首先通過陀螺儀模塊獲取原始數據，之后經過卡爾曼濾波算法等進行處理，便得到了人體轉向角度的數據。

5.獲取人體與機器人之間的距離數據。為獲取此數據，本系統采用的是精密超聲波測距模塊，該模塊由發送部分和接收部分組成，分別安裝在附著在人身上的人體行為檢測裝置和機器人部分，開始運行后，接收裝置會不斷向單片機輸送50HZ的方波，高電平脈沖的寬度即人體與機器人之間距離所對應的聲波傳送的時間，運用單片機的定時器來計算出此時間數據，在均值濾波處理之后，乘以聲波的速度，即得到了人體與機器人之間的距離。

6.控速處理，當機器人遇到不同的路況時，會因地面摩擦力的不同導致行進速度偏離預設速度，導致跟隨效果不穩定，故需要對機器人進行控速處理。通過編碼器對電機輪轉數進行計數，并將其保存到單片機中，之后運用閉環增量式PID算法進行處理，使機器人的速度穩定在預設速度值。

7.遠程數據通信的實現。本系統采用藍牙模塊實現無線數據傳輸的功能，藍牙模塊分為主機和從機兩個子模塊；其中主機和人體行為檢測裝置中的STM32單片機進行連接，從機則與機器人部分的MK22單片機進行連接，通過串口數據傳送通道實現遠程無線數據傳輸的功能。

根據上述發明構思，本發明的技術方案是：