陶筱云 刘润扬 张炜玮 胡宇航

摘要：近年来，智能家居逐渐走入大众家庭，但针对老年人居家护理的智能家居仍出于市场空缺状态。人步入老年，面对病痛、记忆力与体力的衰退，生活质量均有所下降。针对老年人的这些问题，就需要一个能定时定点为其提供一些生活用品的智能家居，本设计针对解决老人居家养老护理问题进行讨论，基于STM32单片机，结合OPENMV、机械臂等硬件设计康护智能小车。设计能实现智能小车在指令下寻找固定目标并到达指定地点，为用户提供指定用品的功能，具备智能家居产品特点，在居家养老领域有重要意义。

关键词：STM32;智能小车;机械臂

0 引言

随着我国老年人人口基数不断增大，我国逐渐迈入人口老龄化社会。面对老年人记忆力和体力等不断下降的问题，老年人日常护理成为年轻人心头之患。且近年来随着科技发展，智能家居逐渐被普及，但针对老年人日常护理需求的智能产品迟迟没有出现。针对老人腿脚不便且记忆力较差的情况，希望能够有智能产品能够按时定点为老人提供日常生活中所需要的物品。

康护智能小车利用OPENMV结合AprilTag，可以实现智能小车寻找固定目标的需求，即达到了“定点”的要求。通过OPENMV自带的视觉算法，加上AprilTag的3D定位原理且每一个AprilTag库中的图像均具有独立标识，与二维码相似，但更为简单，提高识别的实时性，可在OPENMV内置的STM32单片机中得到所在的方向、3D位置和标识，通过串口通信将数据传到小车主控STM32单片机上，在STM32中完成识别得到的标识与指令中的标识相匹配，通过3D位置的条件判断是否成立，传输相应指令到STC89C52RC单片机上，驱动相应电机转动。利用机械臂的抓取动作结合Apriltag识别，实现了提供指定物品的功能。结合避障、语音识别等功能加以程序编写，实现智能小车在一般家庭户型中自动匹配指令中的对应，并前往所在处，即可完成智能小车前往固定目标的需求。设计的重点是智能小车寻找到固定地点并提供指定物品。

1 系统整体设计

智能小车主体利用STM32F103RC主控，结合三轮小车电机驱动，电源模块，OPENMV视觉算法摄像头模块和apriltag3D定位算法，通过串口通信，与OPENMV自带的STM32F427VG通信获取AprilTag的相关信息，经计算判断过后，与STC89C52RC单片机通信，控制电机转动圈数和转动方向控制智能小车的前进、后退、转向以及行进距离。本文主要讨论的是OPENMV与AprilTag结合得到所需数据对于智能小车寻找固定目标的方法。系统整体结构图如图1所示。

2功能模块设计

2.1 OPENMV摄像头模块

本设计所采用的OPENMV摄像头模块基于STM32F427VG ARM Cortex M4 处理器，搭载OV7725 感光元件和一个2.8mm焦距鏡头，可以处理640×480 8-bit 灰度图或者320×240 16-bit RGB565 彩色图像。利用MicroPython语言进行编程，并且内置MicroPython和OPENMV Cam特定的函数库，还可以添加第三方函数库，可以实现感光元件、机器视觉、神经网络等特定功能，可读性较高，且编译过程简单。能够实现帧差分算法、颜色追踪、标记跟踪、人脸检测等功能。

OPENMV对于AprilTag的识别十分迅速，且精确度较高，标识识别准确率高，因此通过在不同物体或地点上设置不同的APRILTAG，就可以实现智能小车准确前往指令内的目标，即实现固定目标的寻找。

其控制芯片STM32F427VG基于ARM Cortex M4 处理器，模块整体工作电压在3.3V-5.0V。有一异步串口总线，可用于与其他单片机通信。并且含有一μSD卡槽，可用于程序的存储，便于OPENMV脱机使用，也可以存储摄像头传回的图像、视频等。

2.2 主控芯片与辅助芯片

STM32F103RC是32位ARM微控制器，基于ARM 32位的Cortex-M3内核，工作电压在2.0V-3.6V，工作温度在-40℃-85℃，同时含有睡眠、停机和待机模式，降低功耗和成本。共有三个异步通信串口，保证数据接收和发送分别进行，提高容错率。串口一接收OPENMV传来数据，串口二接收语音识别或APP传来的指令数据，并把二者进行匹配;串口三发送小车行进指令到STC89C52RC单片机，STC89C52RC单片机接收指令后，控制电机做出相应动作。

STC89C52RC单片机是基于51内核的8位CMOS单片机，具有低功耗的优点，工作电压在2.0V-3.3V，工作温度在0℃-75℃，含有一个异步通信串口，可供其与STM32F103RC主控芯片通信。

2.3 小车基本功能模块

电机驱动主要是通过L298N驱动模块，可同时控制两个二相直流电机，即两个电机分别同时控制左右转向轮，在判断条件成立后分别执行前进、后退、转向等功能。利用I/O口可直接提供控制信号，模块输出电压最高可达50V。模块所需工作电压位4.5V-46V，工作温度为-25°C-130°C。具有启动性能好，启动转矩大的优点。

避障模块主要利用小车前方的两个红外传感器，对小车前方物体进行避障，检测到极限距离内存在红外反射时，小车优先执行避障程序。两个红外传感器，能做到小车前方180°范围内是否存在障碍，加上软件设计部分保证小车朝向始终为正向，即可保证小车能正常行进。

2.4 机械臂模块

在小车上加装机械臂，大大的提升养老的实用性，在摄像头模块和Apriltag识别的辅助下，机械臂可以拾取地面上的杂物或通过编程进行实现定时定点为老人夹取所需药品或生活用品，防止老人被杂物绊倒或者滑倒，也减少了老人自己拿取药物出现错误的的可能性。本设计利用六个TBS2701舵机，实现机械臂在前后左右及斜向六度自由运动，灵活性更高，能够实现的操作也更多。结合金属机身与抓夹，延长机械臂的使用寿命，同时也能保证动作精度更高。具备以下特点：

（1）承载能力足——能够抓取一定重量的物体以及小车机身在运动时机械臂的转动惯性。

（2）刚度高——用于适应外界环境的变化，比如过热或者过冷的天气。

（3）导向性能好——设置导向装置或者定位辅助装置。

（4）重量轻——减少小车运动状态下的负荷以及提升其灵活性，在不改变功能的前提下减轻机械臂重量。

2.5蓝牙模块

通过蓝牙ATK-HC50模块与STM32单片机相连，结合APP inventor，进行图像化APP开发。在APP内编程可实现蓝牙连接、地点指令转换相应数字代码、预设时间等功能，即可使现实中使用的模拟信号转换为程序内使用的数字信号，使程序更不容易出错，指令更加精准，简化了单片机之间串口通信的难度。通过蓝牙连接到手机，再通过我们自主开发的APP可以实现手机远程控制小车，在不方便发声或语言有障碍的情况下，依然可以操控智能小车。

2.6 闹钟模块

本设计采用4×4矩阵式键盘与52单片机结合实现闹钟功能。通过闹钟功能+语音播报系统可以实现提醒老人按时吃饭喝水以及吃药等日常行为，保证了老人的日常规律作息，在一定程度上使老人的身体更加健康。闹钟主要由时、分，以及闹钟状态组成，闹钟的对外接口主要由闹钟初始化，检测闹钟，设置闹钟，关闭闹钟等操作组成。

设计利用52单片机与OLED屏，结合矩阵键盘，实现用户自主调时;也可以通过蓝牙模块与手机APP相连，实现家人进行预设或老年人无需移动自由操控，减低老年人的操作压力，提升用户的使用体验。

3 结论

设计基于STM32单片机，利用OPENMV摄像头模块，结合AprilTag，设计了康护智能小车的寻找固定目标的功能。经过两种方案多次利用实物重复对比实验，将AprilTag置于天花板处时，小车在寻找固定目标时，更加精确，且受到误差影响较小，并结合高优先级的小车中断避障方案，可保证小车在较简单的家庭户型中为使用者提供基本的日常生活辅助。结合语音识别功能和蓝牙app模块，小车能够在指令下到达目标id码处，简化操作，提高使用体验。进一步可改进小车行进中避障功能的优先级，调整小车的避障方法，让小车能够在更复杂的家庭布局中正常行进。

利用六度机械臂可以实现抓夹的动作，结合摄像头模块、Apriltag识别和编程，可以完成在预制时间下，为用户夹取指定物品，到达指定地点的功能。

参考文献

[1]何浩楠，陈宇涛，蒋占阳，陈健，施一剑.基于AprilTag的智能小车拓展定位追踪应用[J].现代信息科技，2020，4（16）：24-27+30.

[2]郑才国，江剑.基于STM32单片机智能小車设计[J].工业控制计算机，2021，34（09）：143-144+146.

[3]刘忠超，范灵燕，翟天嵩，赵志远.基于STM32体感交互式仿上肢采摘机械臂设计[J].中国农机化学报，2021，42（09）：164-169.

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目“康护智能小车”（项目号：202110066005）