基于樹莓派的智能居家機器人系統(tǒng)設(shè)計

1、    基于樹莓派的智能居家機器人系統(tǒng)設(shè)計    詹宇嫻 陳耿 凌活龍 劉常燁 許樹杰 丁凡 陳景華摘要：該文闡述了以樹莓派作為主機，以室內(nèi)遠(yuǎn)場語音識別和室內(nèi)自主定位導(dǎo)航為技術(shù)核心，針對需陪護(hù)的居家人士的智能居家機器人設(shè)計方案。通過物聯(lián)網(wǎng)、opencv機器視覺、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，拓展家電控制、健康檢測、家人通信等陪護(hù)功能。關(guān)鍵詞：智能陪護(hù);語音增強;激光雷達(dá);自主定位導(dǎo)航;樹莓派：tp18        ：a：1009-3044（2020）24-0193-021 引言近年來愈來愈多智能家電產(chǎn)品涌進(jìn)了千萬家庭，從智能電

2、視、智能冰箱、智能空調(diào)、智能燈控系統(tǒng)，到智能插座、智能門窗，再到掃地機器人、智能音箱等等，在帶來便利的同時，也為老人、病人等弱勢群體增加了知識負(fù)擔(dān)。為了讓智能產(chǎn)品更好地服務(wù)于老人、病人等居家群體，同時讓老人、病人更便捷地融入這個互聯(lián)網(wǎng)的信息時代，本文設(shè)計了一個以簡單語音交互為操作方式的智能機器人系統(tǒng)，以機器人作為家庭智能中樞控制眾多家電，同時集成視頻通訊、健康檢測、備忘提醒等多種功能。2 機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計機器人系統(tǒng)以樹莓派作為主機，用stm32芯片拓展串口連接各個模塊，主要的模組由專門的處理核心完成數(shù)據(jù)處理并與樹莓派交互。由語音增強芯片配合麥克風(fēng)陣列板完成語音識別的前端處理，僅將編碼過后的音

3、頻信息交予樹莓派處理，樹莓派通過連接云端服務(wù)完成語音識別的后端處理。自主定位導(dǎo)航模組由激光雷達(dá)、超聲波模塊、直流減速電機組和slamware核心板組成，由slamware核心完成機器人的定位、建圖、路徑規(guī)劃、運動控制等功能。此外，再拓展攝像頭模塊、遙控模塊、心率檢測模塊等完成更多的功能。2 系統(tǒng)軟件設(shè)計機器人軟件系統(tǒng)的運行載體包括樹莓派、語音增強核心、自主定位導(dǎo)航核心、云端服務(wù)器、手機客戶端五大板塊。主要涉及語音交互和基于slam框架的自主定位導(dǎo)航兩個核心的程序設(shè)計，并拓展其他人性化的功能，如：顯示屏交互設(shè)計，家電控制，健康檢測與統(tǒng)計報告，自適應(yīng)任務(wù)、老人社交平臺建立等。2.1 語音交互語音交

4、互的流程包括語音識別asr、自然語言理解nlu、對話管理dm、自然語言生成nlg和語音合成tts，其中語音識別的準(zhǔn)確率尤為關(guān)鍵。語音識別又包括了機器前端的語音采樣、語音激活檢測、特征提取，后端的語音模型構(gòu)建、語音解碼。在面對室內(nèi)包含各種噪聲、混響、回聲、不相關(guān)人聲等復(fù)雜的環(huán)境下，前端的語音采樣處理對提高語音識別的魯棒性十分重要。通過語音增強模塊先運用自適應(yīng)回聲消除（aec）算法1對環(huán)形麥克風(fēng)各個通道的信號進(jìn)行回波消除，然后根據(jù)時延估計算法2進(jìn)行聲源定位，進(jìn)而通過自適應(yīng)波束形成算法形成拾音波束，并抑制其他方向的信號，再通過后置濾波算法3消除混響等噪聲，最后對語音信號進(jìn)行增益輸出，這一系列操作完成

5、語音信號的前端。對前端處理過的語音信號進(jìn)行特征提取、喚醒詞檢測等判斷語音的有效性，再對語音信號進(jìn)行編碼。樹莓派通過接入云端語音交互restful api上傳音頻編碼，在云端通過語音模型匹配完成語音識別，并通過云端的自然語言處理nlp進(jìn)行邏輯分析以執(zhí)行相應(yīng)功能。但是在面對部分群體不會說普通話、語速緩慢或吐詞不清等情況，傳統(tǒng)的語音模型識別的準(zhǔn)確率很低。若建立針對性地語音模型，需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，且面對多種情況，訓(xùn)練模型的難度和成本都很大。因此本設(shè)計采用了較為簡單的語音音頻相似度對比的方法構(gòu)建語音模型，通過手機客戶端app錄入語音和相應(yīng)功能完成常用語音的識別，把針對性模型訓(xùn)練的工作交給年輕用

6、戶。同時通過對語音進(jìn)行聲學(xué)特征比對，進(jìn)行聯(lián)想性的語音識別，降低語速和吐詞不清帶來的影響。2.2 自主定位導(dǎo)航機器人的室內(nèi)自主定位導(dǎo)航4主要包括定位與地圖構(gòu)建（slam）、路徑規(guī)劃和運動控制與實時避障三個部分。其中slam5又包括預(yù)處理、匹配、地圖融合三個核心步驟，即通過激光雷達(dá)實時不斷地獲得數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波優(yōu)化完成數(shù)據(jù)預(yù)處理，再通過點云匹配算法6將局部環(huán)境的點云數(shù)據(jù)匹配并拼接到上一次的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過在室內(nèi)不斷的移動和雷達(dá)掃描形成地圖。在經(jīng)過新一輪的環(huán)境掃描時，把新的數(shù)據(jù)匹配拼接到先前的地圖中，不斷進(jìn)行融合更新。根據(jù)要執(zhí)行的功能通過d*算法7進(jìn)行路徑規(guī)劃，控制電機運行，并在行進(jìn)過程中通過超聲

7、波模塊、防跌落模塊檢測障礙實時避障。2.3 手機客戶端app設(shè)計手機客戶端主要服務(wù)于監(jiān)護(hù)人，便于其通過手機對機器人系統(tǒng)進(jìn)行配置和遠(yuǎn)程查看需陪護(hù)的居家人士的健康狀況，形成立體化的陪護(hù)系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^手機客戶端錄入自定義語音，進(jìn)行語音模型訓(xùn)練，配置家電的遙控參數(shù)，根據(jù)時間、環(huán)境溫度設(shè)置特定任務(wù)時間。還可以在手機上查看其健康狀態(tài)報告，遠(yuǎn)程監(jiān)看家里的情況。3 結(jié)語本文設(shè)計的機器人系統(tǒng)通過本地簡單語音模型與完善的在線語音識別方案結(jié)合，提高現(xiàn)有語音模型對老人、病人的適應(yīng)性，這種方案簡單、成本低，可以滿足人們對智能產(chǎn)品簡便實用的需求。為居家人士創(chuàng)造出一個安全，便捷，安逸休閑的智能化居家環(huán)境。相信隨著人工智能在

8、各個領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和完善，語音交互的適應(yīng)性會更強，機器人系統(tǒng)也能夠通過用戶狀態(tài)、周圍環(huán)境提供更加智能的服務(wù)?，F(xiàn)下社會正在加速進(jìn)入人工智能的時代，本設(shè)計可以更好地帶領(lǐng)所有人群包括老人病人等弱勢群體無障礙地融入人工智能時代，為生活增添光彩。參考文獻(xiàn)：1 馮江浩.基于自適應(yīng)濾波的聲學(xué)回聲消除算法研究d.太原：太原理工大學(xué)，2018.2 宗志亞.基于麥克風(fēng)陣列的室內(nèi)聲源定位方法研究d.重慶：重慶大學(xué)，2012.3 夏杰.麥克風(fēng)陣列自適應(yīng)波束形成及后置濾波技術(shù)研究d.重慶：重慶郵電大學(xué)，2017.4 鄭燦濤.基于激光雷達(dá)的室內(nèi)移動機器人自主導(dǎo)航與行人跟蹤研究d.廣州：華南理工大學(xué)，2018.5 李想.基于slam的室內(nèi)移動機器人導(dǎo)航技術(shù)研究d.哈爾濱：哈爾濱