CN109514566A - 一种基于树莓派的智能监控机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于树莓派的智能监控机器人。本发明包括移动底座上设置有电机驱动模块、电源稳压模块，辅助机器人转弯检测方向的电子陀螺仪、避免机器人发生碰撞的超声波传感器、用于识别语音指令的语音模块、用于处理数据的树莓派开发板、用于采集视频信息的摄像头和用于固定摄像头的碳纤维立柱本发明控制部分包括树莓派开发板、驱动单元、传感器检测单元、监控单元、语音识别单元。本发明使得整个安防监控系统的体积更小，结构简单，适用于智能家居的开发和利用，实现对无人家居实时监控的效果，保证用户的家居安全。

Description

一种基于树莓派的智能监控机器人

技术领域

本发明提供一种基于树莓派的智能监控机器人。

背景技术

随着智能分析技术、网络技术的迅速发展以及人民生活水平的提高，人们开始更加注重家居环境的安全，伴随着人们需求的提高，各种各样基于智能化的监控机器人或家居系统应运而生。由于繁忙的工作节奏，人们无法在安心工作的同时又能掌握居家老人小孩的照护或者家庭安全的防护情况，于是就可以通过远程监控设备，通过网络将监控信息传送给远端的使用者来观看，从而达到安全监控的目的。

现有的监控设备大多是固定式的摄影机，不仅要考虑监控地点布局的复杂性和硬件设备布置的繁琐性，而且经济成本较高，还容易产生监控死角，还存在重复布线、传输距离有限、功能单一、软件开放性较差、功耗高等缺点，既不够合理，也不够贴近智能化和人性化，已经无法满足现代社会快速发展的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于树莓派的智能监控机器人，用户可以通过手机APP或电脑与机器人进行远程交互，其中APP具有多种监测模式，机器人上的摄像头采集周围环境视频信息，通过网络实现树莓派与用户终端间的通讯，从而实现远程控制机器人的移动及监控功能，起到保护居家安全的作用，可以克服背景技术中的不足。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于树莓派的智能监控机器人结构部分包括移动底座(1)，所述的移动底座(1)上设置有电机驱动模块(4)、电源稳压模块(5)，辅助机器人转弯检测方向的电子陀螺仪6、避免机器人发生碰撞的超声波传感器(7)、用于识别语音指令的语音模块(8)、用于处理数据的树莓派开发板(9)、用于采集视频信息的摄像头(10)和用于固定摄像头的碳纤维立柱(11)；所述的移动底座(1)下方左右两侧分别有四个驱动电机和车轮(2、3)，其中驱动电机通过联轴器和车轮连接，且前后车轮沿底座中心呈对称，使得机器人有良好的转向性，并且能够保持行驶的稳定；电机驱动模块(4)通过控制驱动电机使得机器人移动；

所述的移动底座(1)采用2mm硬性铝板材质制成，底座下面中心设有用于放置电池的电池安放槽(12)，电池安放槽下端设有电池护板；垂直于底盘中央设有可伸缩长度的碳纤维立柱(11)，用户能够根据实际使用情况进行调节，摄像头(10)固定在立柱上，稍微向上倾斜，并朝向正前方，以获得较广的视角。

本发明控制部分包括树莓派开发板、驱动单元、传感器检测单元、监控单元、语音识别单元；

所述的树莓派开发板，用铜柱架设在机器人底盘前端，与车底盘保持0.5cm的间距；树莓派开发板设有RCA或者HDMI视频输出接口、1个RJ-45网线接口、4个USB口、40针的GPIO口，支持蓝牙和wifi；树莓派开发板用于处理所有核心指令，包括语音指令、视频信息、驱动指令以及与用户终端进行通讯的功能；

所述的驱动单元包括电机、电机驱动模块和电源稳压模块，电机为385型的“Z”字型减速马达，其额定电压为DC12V、额定转速为950r/min、额定功率为20W、堵转扭矩为30kg·cm；使用四个电机，通过联轴器分别与四个车轮和底座相连接，并在每个电机上安装了一个编码器用来监测机器人运动速度；

电机驱动模块与树莓派开发板通过串口连接，由树莓派开发板发送PWM波驱动信号，电机驱动模块接收信号后控制电机做出相应正反转，从而控制机器人运动；电机驱动模块采用双路H桥控制电路，使用L298N集成模块，工作电压值为+12V，使能电压为+5V；

电源稳压模块采用型号为LM2596S的稳压器，将12V的电源电压降至5V，分别给电机驱动模块、树莓派开发板、各个传感器模块及摄像头等部件进行供电；

所述的传感器检测单元包括电子陀螺仪和超声波传感器；

电子陀螺仪采用型号为MPU-6050的三维角度传感器模块，以数字输出6轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据，并利用Invensense运动处理资料库，处理由机器人运动感测到的复杂数据，将处理后的数据传送给树莓派开发板进行移动方向的判别；

超声波传感器型号为HC-SR04，通过发送和接收超声波，利用时间差和声音传播速度，计算出超声波传感器到前方障碍物的距离，并将距离信息传送给树莓派开发板，使机器人在碰到障碍物时能够及时减速或者规避，从而有效防止机器人因速度过大或操作者注意力不集中等因素造成的机器人碰撞，防止损毁器材；

所述的监控单元由摄像头和用户终端组成；

摄像头采用OV5647的感光芯片；

用户终端包括手机APP和电脑软件；树莓派开发板将视频信息发送到网络后台进行处理后再传送给用户终端；当用户在点击手机APP或电脑软件上相应位置的按键发起视频监控请求后，机器人被唤醒，树莓派开发板通过网络与用户终端进行数据通信，实现远程监控；

所述的语音识别单元包括机器人上的语音模块和用户终端语音识别模块；

语音模块使用的是LD3320A语音识别芯片及WT588D语音播报模块；用户终端语音识别模块采用科大讯飞API，主要调用InitListener初始化语音监听器和GrammarListener构建语法监听器，最后调用RecognizerDialogListener进行识别结果的回调，并将结果通过网络传送到树莓派开发板上，进一步对机器人进行控制。

本发明机器人外接12V电源，并同时给电机驱动模块和电源稳压模块供电，电机驱动模块再将12V电压传递给电机，电源稳压模块再将12V电压降至5V，作为工作电压分别给电机驱动模块、语音模块、摄像头、超声波传感器、电子陀螺仪和树莓派开发板供电；语音模块给树莓派开发板传送语音指令，摄像头给树莓派开发板传送视频信息，电子陀螺仪给树莓派开发板传送方向信息，超声波传感器给树莓派开发板传送避障信息；树莓派开发板接收到各种信息后进行数据处理，然后给电机驱动模块传送PWM波驱动信号，电机驱动模块接收到信号之后驱动电机正反转，从而控制机器人运动；树莓派开发板还可以与用户终端进行人机交互，从而实现远程控制。

本发明有益效果如下：

与现有技术相比，上述基于树莓派的智能监控机器人，使用户不在现场通过终端APP对家居环境进行远程实时监控和接收报警信息，监控单元可进行远程监控，获得监控的视频信息，并对人体目标进行识别检测，树莓派开发板可通过网络将这些数据上传至云端，再传送到用户终端。本发明所用的树莓派开发板相对于其他的处理主板，使得整个安防监控系统的体积更小，结构简单，适用于智能家居的开发和利用，实现对无人家居实时监控的效果，保证用户的家居安全。

附图说明

图1为本发明实施例中机器人机械结构示意图。

图2为本发明实施例中系统控制原理示意图。

图3为本发明中机器人各模块间连接关系示意图。

图4为本发明中机器人在安全检测模式下目标识别原理示意图。

图5为本发明中用户终端APP界面示意图。

其中，1移动底座，2、3车轮，4电机驱动模块，5电源稳压模块，6电子陀螺仪、7超声波传感器、8语音模块、9树莓派开发板、10摄像头、11碳纤维立柱，12电池安放槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1，一种基于树莓派的智能监控机器人，结构部分包括移动底座1，所述的移动底座1上设置有电机驱动模块4、电源稳压模块5，辅助机器人转弯检测方向的电子陀螺仪6、避免机器人发生碰撞的超声波传感器7、用于识别语音指令的语音模块8、用于处理数据的树莓派开发板9、用于采集视频信息的摄像头10和用于固定摄像头的碳纤维立柱11。所述的移动底座1下方左右两侧分别有四个驱动电机和车轮(2、3)，其中驱动电机通过联轴器和车轮连接，且前后车轮沿底座中心呈对称，使得机器人有良好的转向性，并且能够保持行驶的稳定；电机驱动模块4通过控制驱动电机使得机器人移动。

所述的移动底座1采用2mm硬性铝板材质制成，底座下面中心设有用于放置电池的电池安放槽12，电池安放槽下端设有电池护板。垂直于底盘中央设有可伸缩长度的碳纤维立柱11，用户可以根据实际使用情况进行调节，摄像头10固定在立柱上，稍微向上倾斜，并朝向正前方，以获得较广的视角。

参照图2，本发明控制部分包括树莓派开发板、驱动单元、传感器检测单元、监控单元、语音识别单元。

所述的树莓派开发板，用铜柱架设在机器人底盘前端，与车底盘保持0.5cm的间距，以利于服务器散热。树莓派开发板设有RCA或者HDMI视频输出接口、1个RJ-45网线接口、4个USB口、40针的GPIO口，支持蓝牙和wifi。树莓派开发板是机器人处理所有核心指令的地方，包括语音指令、视频信息、驱动指令以及与用户终端进行通讯的功能。

所述的驱动单元包括电机、电机驱动模块和电源稳压模块，电机为385型的“Z”字型减速马达，其额定电压为DC12V、额定转速为950r/min、额定功率为20W、堵转扭矩为30kg·cm；使用四个电机，通过联轴器分别与四个车轮和底座相连接，并在每个电机上安装了一个编码器用来监测机器人运动速度，有效防止机器人因速度过大而发生碰撞，并保持机器人行驶的稳定。

电机驱动模块采用双路H桥控制电路，使用L298N集成模块，工作电压值为+12V，使能电压为+5V；电机驱动模块与树莓派开发板通过串口连接，由树莓派开发板发送PWM波驱动信号，电机驱动模块接收信号后控制电机做出相应正反转，从而控制机器人运动。

电源稳压模块采用型号为LM2596S的稳压器，将12V的电源电压降至5V，分别给电机驱动模块、树莓派开发板、各个传感器模块及摄像头等部件进行供电。

所述的传感器检测单元包括电子陀螺仪和超声波传感器。

电子陀螺仪采用型号为MPU-6050的三维角度传感器模块，以数字输出6轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据，并利用Invensense运动处理资料库，处理由机器人运动感测到的复杂数据，将处理后的数据传送给树莓派开发板进行移动方向的判别。

超声波传感器型号为HC-SR04，通过发送和接收超声波，利用时间差和声音传播速度，计算出超声波传感器到前方障碍物的距离，并将距离信息传送给树莓派开发板，使机器人在碰到障碍物时能够及时减速或者规避，从而有效防止机器人因速度过大或操作者注意力不集中等因素造成的机器人碰撞，防止损毁器材。

所述的监控单元由摄像头和用户终端组成。

摄像头采用OV5647的感光芯片，通过专用的CS接口与树莓派开发板相连，用于采集视频信息，然后通过摄像头自带的wifi模块与网络相连，在树莓派开发板上安装专用的摄像头驱动并使能该驱动,同时在树莓派开发板上运行MJPG-Slremar脚本,利用MIPG-Stremer实现的web服务器功能提供网络访问支持,远程用户终端通过浏览器访问该视频监控系统的wllb服务器,MJPG-Stremer程序将摄像头采集到的视频数据放到后台进行处理,然后通过web的http协议将视频数据传输到远端的PC机或手机APP,然后通过浏览器显示出来,从而达到远程视频监控的目的。

用户终端包括手机APP和电脑软件。树莓派开发板将视频信息发送到网络后台进行处理后再传送给用户终端。当用户在点击手机APP或电脑软件上相应位置的按键发起视频监控请求后，机器人被唤醒，树莓派开发板通过网络与用户终端进行数据通信，实现远程监控。

用户终端主界面为摄像观看区，下方为方向盘状的圆环方位控制键，可以实现上、下、左、右、左上、左下、右上、右下八个方位的控制，控制键具有半透明效果及自动隐藏功能，以实现全屏观看、保证观看效果，用户发送摄像头控制指令及小车方位指令，分别控制摄像头的开关以及小车的方位。手机APP还具备自检功能，若用户终端是手机APP，且手机APP与无线摄像头的远程连接建立成功，则手机APP可以看到摄像头的摄像；若远程连接建立失败，手机APP自动检查当前的网络状况并向用户发出反馈提示信息。

手机APP具有三种监控模式：第一种是普通监控模式，树莓派将直接将所监测到的视频信息发送到网络后台进行处理后再传送给手机APP，使用户看到实时的视频。第二种是语音输入模式，手机APP上按住语音输入按钮，录入语音命令，传送到网络后台进行语音格式转换和数据处理后，再传输到机器人的树莓派上，通过串口发送信号给驱动模块，驱动机器人运动，完成相应的指令。第三种是安全检测模式，该模式适合应用在家里无人的情况下，可以自主实现对人脸或人体的检测，识别过程中主要利用opencv函数库自带的人脸检测haarcascade_frontalface_alt分类器，当机器人上的摄像头捕捉到人脸或人体目标关键点后，将获取的图像进行几何校正，再进行图像预处理，即灰度化和直方图均衡化，然后使用detectMultiScale函数进行识别，使用rectangle函数提取找到的目标矩形框，将矩形框的坐标返回给树莓派进行处理后，机器人发出报警蜂鸣声，同时报警信号通过网络传送到用户端，提醒用户及时观看监控画面，以达到保证用户家居安全的目的。识别过程中采用跳帧技术和多核处理，提高图像的帧数，有效改善识别框的延迟效应。

所述的语音识别单元包括机器人上的语音模块和用户终端语音识别模块。

语音模块使用的是LD3320A语音识别芯片及WT588D语音播报模块，用于接收、处理和发送用户发出的语音信息，用户可在唤醒机器人后直接对着机器人发出前进、后退、转弯等命令，语音模块接收命令后进行数据处理并反馈到树莓派开发板上，由树莓派开发板控制驱动模块使机器人做出相应的行为。

用户终端语音识别模块采用科大讯飞API，主要调用InitListener初始化语音监听器和GrammarListener构建语法监听器，最后调用RecognizerDialogListener进行识别结果的回调，并将结果通过网络传送到树莓派开发板上，进一步对机器人进行控制。

参照图3，本发明使用12V电源，并同时给电机驱动模块和电源稳压模块供电，电机驱动模块再将12V电压传递给电机，电源稳压模块再将12V电压降至5V，作为工作电压分别给电机驱动模块、语音模块、摄像头、超声波传感器、电子陀螺仪和树莓派开发板供电；语音模块给树莓派开发板传送语音指令，摄像头给树莓派开发板传送视频信息，电子陀螺仪给树莓派开发板传送方向信息，超声波传感器给树莓派开发板传送避障信息；树莓派开发板接收到各种信息后进行数据处理，然后给电机驱动模块传送PWM波驱动信号，电机驱动模块接收到信号之后驱动电机正反转，从而控制机器人运动；树莓派开发板还可以与用户终端进行人机交互，从而实现远程控制。

Claims (3)

1.一种基于树莓派的智能监控机器人，其特征在于结构部分包括移动底座(1)，所述的移动底座(1)上设置有电机驱动模块(4)、电源稳压模块(5)，辅助机器人转弯检测方向的电子陀螺仪6、避免机器人发生碰撞的超声波传感器(7)、用于识别语音指令的语音模块(8)、用于处理数据的树莓派开发板(9)、用于采集视频信息的摄像头(10)和用于固定摄像头的碳纤维立柱(11)；所述的移动底座(1)下方左右两侧分别有四个驱动电机和车轮(2、3)，其中驱动电机通过联轴器和车轮连接，且前后车轮沿底座中心呈对称，使得机器人有良好的转向性，并且能够保持行驶的稳定；电机驱动模块(4)通过控制驱动电机使得机器人移动；

所述的移动底座(1)采用2mm硬性铝板材质制成，底座下面中心设有用于放置电池的电池安放槽(12)，电池安放槽下端设有电池护板；垂直于底盘中央设有可伸缩长度的碳纤维立柱(11)，用户能够根据实际使用情况进行调节，摄像头(10)固定在立柱上，稍微向上倾斜，并朝向正前方，以获得较广的视角。

2.根据权利要求1所述的一种基于树莓派的智能监控机器人，其特征在于控制部分包括树莓派开发板、驱动单元、传感器检测单元、监控单元、语音识别单元；

所述的树莓派开发板，用铜柱架设在机器人底盘前端，与车底盘保持0.5cm的间距；树莓派开发板设有RCA或者HDMI视频输出接口、1个RJ-45网线接口、4个USB口、40针的GPIO口，支持蓝牙和wifi；树莓派开发板用于处理所有核心指令，包括语音指令、视频信息、驱动指令以及与用户终端进行通讯的功能；

所述的驱动单元包括电机、电机驱动模块和电源稳压模块，电机为385型的“Z”字型减速马达，其额定电压为DC12V、额定转速为950r/min、额定功率为20W、堵转扭矩为30kg·cm；使用四个电机，通过联轴器分别与四个车轮和底座相连接，并在每个电机上安装了一个编码器用来监测机器人运动速度；

电机驱动模块与树莓派开发板通过串口连接，由树莓派开发板发送PWM波驱动信号，电机驱动模块接收信号后控制电机做出相应正反转，从而控制机器人运动；电机驱动模块采用双路H桥控制电路，使用L298N集成模块，工作电压值为+12V，使能电压为+5V；

电源稳压模块采用型号为LM2596S的稳压器，将12V的电源电压降至5V，分别给电机驱动模块、树莓派开发板、各个传感器模块及摄像头等部件进行供电；

所述的传感器检测单元包括电子陀螺仪和超声波传感器；

电子陀螺仪采用型号为MPU-6050的三维角度传感器模块，以数字输出6轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据，并利用Invensense运动处理资料库，处理由机器人运动感测到的复杂数据，将处理后的数据传送给树莓派开发板进行移动方向的判别；

超声波传感器型号为HC-SR04，通过发送和接收超声波，利用时间差和声音传播速度，计算出超声波传感器到前方障碍物的距离，并将距离信息传送给树莓派开发板，使机器人在碰到障碍物时能够及时减速或者规避，从而有效防止机器人因速度过大或操作者注意力不集中等因素造成的机器人碰撞，防止损毁器材；

所述的监控单元由摄像头和用户终端组成；

摄像头采用OV5647的感光芯片，通过专用的CS接口与树莓派开发板相连，用于采集视频信息，然后通过摄像头自带的wifi模块与网络相连，在树莓派开发板上安装专用的摄像头驱动并使能该驱动,同时在树莓派开发板上运行MJPG-Slremar脚本,利用MIPG-Stremer实现的web服务器功能提供网络访问支持,远程用户终端通过浏览器访问该视频监控系统的wllb服务器,MJPG-Stremer程序将摄像头采集到的视频数据放到后台进行处理,然后通过web的http协议将视频数据传输到远端的电脑软件或手机APP,然后通过浏览器显示出来,从而达到远程视频监控的目的；

用户终端包括手机APP和电脑软件；树莓派开发板将视频信息发送到网络后台进行处理后再传送给用户终端；当用户在点击手机APP或电脑软件上相应位置的按键发起视频监控请求后，机器人被唤醒，树莓派开发板通过网络与用户终端进行数据通信，实现远程监控；

用户终端主界面为摄像观看区，下方为方向盘状的圆环方位控制键，可以实现上、下、左、右、左上、左下、右上、右下八个方位的控制，控制键具有半透明效果及自动隐藏功能，以实现全屏观看、保证观看效果，用户发送摄像头控制指令及小车方位指令，分别控制摄像头的开关以及小车的方位；手机APP还具备自检功能，若用户终端是手机APP，且手机APP与无线摄像头的远程连接建立成功，则手机APP可以看到摄像头的摄像；若远程连接建立失败，手机APP自动检查当前的网络状况并向用户发出反馈提示信息；

所述的语音识别单元包括机器人上的语音模块和用户终端语音识别模块；

语音模块使用的是LD3320A语音识别芯片及WT588D语音播报模块，用于接收、处理和发送用户发出的语音信息，用户可在唤醒机器人后直接对着机器人发出前进、后退、转弯命令，语音模块接收命令后进行数据处理并反馈到树莓派开发板上，由树莓派开发板控制驱动模块使机器人做出相应的行为；

用户终端语音识别模块采用科大讯飞API，主要调用InitListener初始化语音监听器和GrammarListener构建语法监听器，最后调用RecognizerDialogListener进行识别结果的回调，并将结果通过网络传送到树莓派开发板上，进一步对机器人进行控制。

3.根据权利要求2所述的一种基于树莓派的智能监控机器人，其特征在于该机器人外接12V电源，并同时给电机驱动模块和电源稳压模块供电，电机驱动模块再将12V电压传递给电机，电源稳压模块再将12V电压降至5V，作为工作电压分别给电机驱动模块、语音模块、摄像头、超声波传感器、电子陀螺仪和树莓派开发板供电；语音模块给树莓派开发板传送语音指令，摄像头给树莓派开发板传送视频信息，电子陀螺仪给树莓派开发板传送方向信息，超声波传感器给树莓派开发板传送避障信息；树莓派开发板接收到各种信息后进行数据处理，然后给电机驱动模块传送PWM波驱动信号，电机驱动模块接收到信号之后驱动电机正反转，从而控制机器人运动；树莓派开发板还可以与用户终端进行人机交互，从而实现远程控制。