基于人体动态行为追踪的智能跟随机器人系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于人体动态行为追踪的智能跟随机器人系统和方法。本系统由动态行为分析系统经无线传输系统连接运动控制系统构成，本方法是：一方面利用陀螺仪传感器获取人体行为参数然后传递给STM32单片机进行转向角度数据的提取，再通过无线蓝牙传输模块将提取后的有效数据传送给小车上的MK22单片机，将数据转化为PWM值并传递给舵机来控制前轮的转动方向与转动角度；另一方面利用一对超声波测距模块，将其获取的频率为50Hz的方波传递给MK22单片机，经过数据处理得到人机距离值，通过判断其与安全阈值的大小来决定后轮的加减速与否，从而达到了实时跟随的效果。

【技术实现步骤摘要】
基于人体动态行为追踪的智能跟随机器人系统和方法
本专利技术涉及到智能跟随机器人的
，具体来说是一套基于人体动态行为追踪的智能跟随机器人系统和方法，该系统是基于单片机和传感器的无线传输控制系统，主要分为三部分：动态行为分析系统、无线传输系统与运动控制系统。动态行为分析系统主要是利用陀螺仪传感器获得人体运动的三维方向参数，同时设置超声波测距模块；无线传输系统利用蓝牙模块的数据通信协议进行串口通信，进行数据的发送与接收；运动控制系统主要是利用PWM调速、PID速度反馈和超声波测距等模块，控制小车的机械特性如速度、转向等。这样就构成了一套完整的智能跟随机器人系统和方法。
技术介绍
随着科技的进步与智能化技术的普及，机器人领域技术得到了突飞猛进的发展，无论是工业机器人还是服务机器人都得到了空前的关注，机器人已经不再只是存在于科幻电影当中，而是慢慢渗透我们的生活，进入万千家庭当中。当前越来越多的孩子开始把兴趣由传统玩具转向智能化玩具，这样既符合孩子爱玩的天性，又可以培养孩子产生科技方面的爱好。本设计应用扩展性较强，可以将外形进行加工，制成跟随宠物。同时，也可做成小型跟随行李箱，满足那些因外出旅行或出差苦恼行李太多的人群。当前定位技术主要有以下几种：1.传感器定位。2.蓝牙三角定位技术。3.激光定位。其中应用最多的是传感器定位技术，通过将陀螺仪传感器和超声波传感器获得方位数据和距离数据进行建模，获得空间中物体与人之间的相对位置。蓝牙三角定位技术是在跟随机器人装两个蓝牙模块（假定为A和B），且A和B之间的距离已知，用户身上安装一个蓝牙模块C，通过测量蓝牙模块之间信号强度的衰减来标定两蓝牙模块之间的距离，以实现定位的效果。激光定位方案则通过激光传感器向前方发射一束射线，根据射线发出返回的时间差来计算跟随机器人与用户之间的距离，根据发射激光的角度来确定跟随机器人与用户的相对位置。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对服务机器人在市场上的需求，提供一种基于人体动态行为追踪的智能跟随机器人系统和方法，可将其运用到服务机器人领域，生产出满足市场需求的服务机器人等，给人们的生活带来便利。为达到上述目的，本专利技术的构思是：1.建立以单片机为核心的人体行为检测装置和跟随机器人，当附着在人身上的人体行为检测装置计算出用户的转向信息后，将这些信息通过蓝牙模块无线发送至机器人的K22单片机，单片机接收到信息后通过舵机控制机器人的转向，通过电机更改机器人的行进速度，以实现实时跟随的效果。人体行为检测装置和机器人两子系统组成部分如下：2.人体行为检测装置：由STM32单片机及其核心板、陀螺仪模块、精密超声波测距模块和蓝牙模块组成。该装置以STM32单片机为核心处理单元，负责接收数据以及发送指令；陀螺仪模块负责检测人体运动过程中的姿态角信息，超声波测距模块负责计算人体行为检测装置与机器人之间的距离。3.机器人部分：以Freecars公司的车模为载体，MK22单片机及其核心板，超声波模块、蓝牙模块组成。该部分以MK22单片机为核心处理单元，负责接收和处理数据，并向各模块发送指令；蓝牙模块用于实现无线传输数据的功能；超声波模块与人体行为检测装置的超声波模块配对使用，负责测量人体与机器人之间的距离。4.获取人体姿态角信息，首先通过陀螺仪模块获取原始数据，之后经过卡尔曼滤波算法等进行处理，便得到了人体转向角度的数据。5.获取人体与机器人之间的距离数据。为获取此数据，本系统采用的是精密超声波测距模块，该模块由发送部分和接收部分组成，分别安装在附着在人身上的人体行为检测装置和机器人部分，开始运行后，接收装置会不断向单片机输送50HZ的方波，高电平脉冲的宽度即人体与机器人之间距离所对应的声波传送的时间，运用单片机的定时器来计算出此时间数据，在均值滤波处理之后，乘以声波的速度，即得到了人体与机器人之间的距离。6.控速处理，当机器人遇到不同的路况时，会因地面摩擦力的不同导致行进速度偏离预设速度，导致跟随效果不稳定，故需要对机器人进行控速处理。通过编码器对电机轮转数进行计数，并将其保存到单片机中，之后运用闭环增量式PID算法进行处理，使机器人的速度稳定在预设速度值。7.远程数据通信的实现。本系统采用蓝牙模块实现无线数据传输的功能，蓝牙模块分为主机和从机两个子模块；其中主机和人体行为检测装置中的STM32单片机进行连接，从机则与机器人部分的MK22单片机进行连接，通过串口数据传送通道实现远程无线数据传输的功能。根据上述专利技术构思，本专利技术的技术方案是：一种基于人体动态行为追踪的智能跟随机器人系统，包括动态行为分析系统（Ⅰ）经无线传输系统（Ⅱ）连接运动控制系统（Ⅲ），其特征在于动态行为分析系统（Ⅰ）实时读取人体行为参数，通过无线传输系统（Ⅱ）实时且高效地将人体行为参数传递给运动控制系统（Ⅲ），人体行为参数被接收处理转化为机械参数从而来控制智能跟随机器人的小车机械运动；所述动态行为分析系统（Ⅰ）由一个陀螺仪（1）和一个超声波测距模块A（2）连接一个STM32单片机（3）构成，陀螺仪（1）需要将感应到的参数传递给STM32单片机（3），超声波测距模块A（2）需由STM32单片机（3）供电；所述无线传输系统（Ⅱ）由一个蓝牙设备A—主机（4）连接一个蓝牙设备B—从机（5）构成，蓝牙设备A—主机（4）连接动态行为分析系统（Ⅰ）中的STM32单片机（3），主要负责传送人体动态行为追踪时获取的人体行为参数，蓝牙设备B—从机（5）连接运动控制系统（Ⅲ）中的一个MK22单片机（6），主要负责接收从蓝牙设备A—主机（4）传递过来的人体行为参数和发送这些参数给MK22单片机（6）；所述运动控制系统（Ⅲ）由所述MK22单片机（6）连接一个超声波测距模块B（7）、一个前轮舵机（8）和一个后轮电机（9）构成，MK22单片机（6）连接蓝牙设备B—从机（5）、超声波测距模块B（7）、前轮舵机（8）和后轮电机（9），主要是对其进行供电和接收、处理和发送数据。一种基于人体动态行为追踪的智能跟随机器人方法，采用上述的基于人体动态行为追踪的智能跟随机器人系统进行操作，其特征在于具体的操作步骤如下：①动态行为分析系统（Ⅰ）和无线传输系统（Ⅱ）中的蓝牙设备A—主机（4）由人体携带，无线传输系统（Ⅱ）中的蓝牙设备B—从机（5）和运动控制系统（Ⅲ）由智能跟随机器人小车携带；②动态行为分析系统（Ⅰ）由人体随身携带，当人体有身体转向变化时，陀螺仪（1）通过感应人体的自由空间移动，获取到人体转向的姿态参数，将该参数通过接口传递给STM32单片机（3）；③STM32（3）单片机对陀螺仪（1）接口传送过来的角度数据进行处理与运算，提取出三维空间中表示人体转向角度的数据，通过串口数据传输通道将此数据传送给蓝牙设备A—主机（4）的接收RX端；蓝牙设备A—主机（4）通过蓝牙数据传输协议将数据传输给蓝牙设备B—从机（5），蓝牙设备B—从机（5）通过发送TX接口将数据传送给MK22单片机（6），从而完成了人和智能跟随机器人小车的角度数据实时无线传输部分；④MK22单片机（6）接收数据并进行处理，将其转换为适合智能跟随机器人小车状态改变的机械参数值，再通过接口将人体转向角度等效值传递给前轮舵机（8），从而控制前轮的转动方向与转动角度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于人体动态行为追踪的智能跟随机器人系统，包括动态行为分析系统（Ⅰ）经无线传输系统（Ⅱ）连接运动控制系统（Ⅲ），其特征在于动态行为分析系统（Ⅰ）实时读取人体行为参数，通过无线传输系统（Ⅱ）实时且高效地将人体行为参数传递给运动控制系统（Ⅲ），人体行为参数被接收处理转化为机械参数从而来控制智能跟随机器人的小车机械运动；所述动态行为分析系统（Ⅰ）由一个陀螺仪（1）和一个超声波测距模块A（2）连接一个STM32单片机（3）构成，陀螺仪（1）需要将感应到的参数传递给STM32单片机（3），超声波测距模块A（2）需由STM32单片机（3）供电；所述无线传输系统（Ⅱ）由一个蓝牙设备A—主机（4）连接一个蓝牙设备B—从机（5）构成，蓝牙设备A—主机（4）连接动态行为分析系统（Ⅰ）中的STM32单片机（3），主要负责传送人体动态行为追踪时获取的人体行为参数，蓝牙设备B—从机（5）连接运动控制系统（Ⅲ）中的一个MK22单片机（6），主要负责接收从蓝牙设备A—主机（4）传递过来的人体行为参数和发送这些参数给MK22单片机（6）；所述运动控制系统（Ⅲ）由所述MK22单片机（6）连接一个超声波测距模块B（7）、一个前轮舵机（8）和一个后轮电机（9）构成，MK22单片机（6）连接蓝牙设备B—从机（5）、超声波测距模块B（7）、前轮舵机（8）和后轮电机（9），主要是对其进行供电和接收、处理和发送数据。...

【技术特征摘要】
1.一种基于人体动态行为追踪的智能跟随机器人系统，包括动态行为分析系统（Ⅰ）经无线传输系统（Ⅱ）连接运动控制系统（Ⅲ），其特征在于动态行为分析系统（Ⅰ）实时读取人体行为参数，通过无线传输系统（Ⅱ）实时且高效地将人体行为参数传递给运动控制系统（Ⅲ），人体行为参数被接收处理转化为机械参数从而来控制智能跟随机器人的小车机械运动；所述动态行为分析系统（Ⅰ）由一个陀螺仪（1）和一个超声波测距模块A（2）连接一个STM32单片机（3）构成，陀螺仪（1）需要将感应到的参数传递给STM32单片机（3），超声波测距模块A（2）需由STM32单片机（3）供电；所述无线传输系统（Ⅱ）由一个蓝牙设备A—主机（4）连接一个蓝牙设备B—从机（5）构成，蓝牙设备A—主机（4）连接动态行为分析系统（Ⅰ）中的STM32单片机（3），主要负责传送人体动态行为追踪时获取的人体行为参数，蓝牙设备B—从机（5）连接运动控制系统（Ⅲ）中的一个MK22单片机（6），主要负责接收从蓝牙设备A—主机（4）传递过来的人体行为参数和发送这些参数给MK22单片机（6）；所述运动控制系统（Ⅲ）由所述MK22单片机（6）连接一个超声波测距模块B（7）、一个前轮舵机（8）和一个后轮电机（9）构成，MK22单片机（6）连接蓝牙设备B—从机（5）、超声波测距模块B（7）、前轮舵机（8）和后轮电机（9），主要是对其进行供电和接收、处理和发送数据。2.一种基于人体动态行为追踪的智能跟随机器人方法，采用权利要求1所述的基于人体动态行为追踪的智能跟随机器人系统进行操作，其特征在于具体的操作步骤如下：①动态行为分析系统（Ⅰ）和无线传输系统（Ⅱ）中的蓝牙设备A—主机（4）由人体携带，无线传输系统（Ⅱ）中的蓝牙设备B—从机（5）和运动控制系统（Ⅲ）由智能跟随机器人小车携带；②动态行为分析系统（Ⅰ）由人体随身携带，当人体有身体转向变化时，陀螺仪（1）通过感应人体的自由空间移动，获取到人体转向的姿态参数，将该参数通过接口传递给STM32单片机（3）；③STM32（3）单片机对陀螺仪（1）接口传送过来的角度数据进行处理与运算，提取出三维空间中表示人体转向角度的数据，通过串口数...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾丹，梁子轩，李丹丹，张之江，郑大岳，沈为，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31