机器人制作开源方案 | 宠物智能机器人" class="zoom" height="310" id="aimg_QYDuJ" src="https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/d2b611f9ac1979177a195e768aadefcc.gif" width="361" />

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二、总体功能设计

       针对宠物无人看管的问题，设计了一个可以在家中无人看管时照看宠物的智能宠物 机器人。具有自主导航、宠物识别、自主避障、清理宠物毛发、自动喂食等功能。
       （1） 智能交互功能：通过指令触发实现机器人指定控制功能，与用户实现智能交互；
       （2）自主喂食功能：利用视觉识别检测到宠物的位置和状态，并在设定时间或者由直 接操作进行喂食功能。
       （3）清理毛发功能：通过强力吸风机，将途径的灰尘和宠物毛发吸到储物盒之中，且 储物盒贴有粘性贴，可将灰尘和毛发粘到盒中，从而实现打扫屋内及清理宠物毛发的功 能。
       （4）自主定位与导航：机器人在室内移动过程中根据视觉扫描和对自身位置的估计， 实现机器人的自主定位和导航；
       （5）避障功能：通过与主控板相连接的红外传感器发送数据，指引驱动器进行避障。

1. 机器人机械设计

       宠物机器人的外观三维设计图如下图所示。

       机器人的本体结构由喂食装置、探索者、宠物识别装置、压力传感器步进电机、清 理毛发装置组成。其具体结构如下图所示。

2. 软件功能实现

2.1宠物识别

       本作品在开发板上使用 yolov2 算法实现对猫、狗、猪等家庭动物的识别。为宠物 追踪、区分物种定量投食奠定了技术支撑。 本次研究在识别方面采用了 yolov2 的技术处理。yolov2 基于 DarkNet19 结构，它 有 19 个卷积层，有 3×3 的滤波器和 5 个最大集合层，与之前的层相比，通道的数量增 加了一倍。这提高了结果的准确性。通过在每个 3×3 卷积层之后增加一个 1×1 卷积层， 降低了网络计算的复杂性。这种复杂性的降低增加了图像处理的推理时间，优化了算法 的性能。yolov2 的功能是提高输入图像的分辨率，增加检测像素和检测信息量，有利于 提高检测精度。数据增强通过扩大输入数据集为模型添加特征。这通过随机裁剪和旋转 输入图像来进行，为模型增加维度。正如该算法的作者所说，"YOLO9000 预测了 9000 多个不同的物体类别的检测，而且都是实时的。yolov2 在每个卷积层之后都使用了批量 归一化（BN）。它将数据的分布统一为标准的正态分布，从而提高检测的准确性。 然而必须指出的是使用批量归一化和数据增量提高了准确性和 mAP，与之前的 yolo 版本相比，它也有定位误差。与 yolov2 相比，RCNN 和更快的 RCNN 的检测速度都很低， 因为 yolov2 的每秒帧数（FPS）更高。yolov2 单独使用 TITAN X GPU 的检测速度为 45 FPS， 而快速 YOLO 使用相同类型的 GPU 可以达到 155 FPS 的速度，因此训练 yolov2 网络的时 间减少了 50%。
       宠物猫狗识别如下图：

2.2宠物追踪

       本作品识别到宠物后，用 BestFit（最佳适应算法）实现宠物自动追踪，并使用 mjpg-streamer 将实时监控到的视频推流到 PC 端，实现人机交互，从而用户可以实时观 测到宠物的健康状况以及所处位置等。

2.3识物投食

       本作品通过 3D 打印设计出喂食装置，在识别宠物后，通过电机推动旋钮，将狗粮 或猫粮投放到饭盘里，实现识别物种后定量喂食。识物投食如下图：

2.4清理毛发

       本作品通过强力吸风机，吸到储发盒上部，储发盒上部贴有粘性贴，可将毛发粘到 上部，从而实现清理宠物毛发的功能。

3. 技术路线

       编程模块采用了较易上手的 Arduino 来最大程度实现各项功能的完成。它构建于开 放原始码 simple I/O 介面版，并且具有使用类似 Java、C 语言的 Processing/Wiring 开发环境。主要包含两个部分：硬件部分是可以用来做电路连接的 Arduino 电路板；另 外一个则是 Arduino IDE，计算机中的程序开发环境。只需要在 IDE 中编写程序代码， 将程序上传到 Arduino 电路板后，程序便会将指令传向 Arduino 电路板，进而完成最终 的操作响应。Arduino 能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其 他的装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过 Arduino 的编程语言来编写程 序，编译成二进制文件，烧录进微控制器。对 Arduino 的编程是通过 Arduino 编程语言 (基于 Wiring)和 Arduino 开发环境(基于 Processing)来实现的。
 

三、程序代码

1. 示例程序

①使用MaixPy板上的摄像头执行对象检测并将结果显示在LCD上。

# generated by maixhub, tested on maixpy3 v0.4.8

# copy files to TF card and plug into board and power on

import sensor, image, lcd, time

import KPU as kpu

import gc, sys

input_size = (224, 224)

labels = ['dog']

anchors = [4.22, 4.12, 3.69, 3.38, 3.62, 4.03, 5.16, 4.72, 1.94, 3.69]

def lcd_show_except(e):

import uio

err_str = uio.StringIO()

sys.print_exception(e, err_str)

err_str = err_str.getvalue()

img = image.Image(size=input_size)

img.draw_string(0, 10, err_str, scale=1, color=(0xff,0x00,0x00))

lcd.display(img)

def main(anchors, labels = None, model_addr="/sd/m.kmodel", sensor_window=input_size,

lcd_rotation=0, sensor_hmirror=False, sensor_vflip=False):

sensor.reset()

sensor.set_pixformat(sensor.RGB565)

sensor.set_framesize(sensor.QVGA)

sensor.set_windowing(sensor_window)

sensor.set_hmirror(sensor_hmirror)

sensor.set_vflip(sensor_vflip)

sensor.run(1)

lcd.init(type=1)

lcd.rotation(lcd_rotation)

lcd.clear(lcd.WHITE)

if not labels:

with open('labels.txt','r') as f:

exec(f.read())

if not labels:

print("no labels.txt")

img = image.Image(size=(320, 240))

img.draw_string(90, 110, "no labels.txt", color=(255, 0, 0), scale=2)

lcd.display(img)

return 1

try:

img = image.Image("startup.jpg")

lcd.display(img)

except Exception:

img = image.Image(size=(320, 240))

img.draw_string(90, 110, "loading model...", color=(255, 255, 255), scale=2)

lcd.display(img)

try:

task = None

task = kpu.load(model_addr)

kpu.init_yolo2(task, 0.5, 0.3, 5, anchors) # threshold:[0,1], nms_value: [0, 1]

while(True):

img = sensor.snapshot()

t = time.ticks_ms()

objects = kpu.run_yolo2(task, img)

t = time.ticks_ms() - t

if objects:

for obj in objects:

pos = obj.rect()

img.draw_rectangle(pos)

img.draw_string(pos[0], pos[1], "%s : %.2f" %(labels[obj.classid()],

obj.value()), scale=2, color=(255, 0, 0))

img.draw_string(0, 200, "t:%dms" %(t), scale=2, color=(255, 0, 0))

lcd.display(img)

except Exception as e:

raise e

finally:

if not task is None:

kpu.deinit(task)

if __name__ == "__main__":

try:

# main(anchors = anchors, labels=labels, model_addr=0x300000, lcd_rotation=0)

main(anchors = anchors, labels=labels, model_addr="/sd/model-20830.kmodel")

except Exception as e:

sys.print_exception(e)

lcd_show_except(e)

finally:

gc.collect()

②用于控制猫粮喂食器，通过MQTT接收指令来拍摄照片或控制步进电机的运动。

#!/usr/bin/python

import sys

import RPi.GPIO as gpio

import time

import signal

import os

import mosquitto

enablePin = 18

dirPin = 23

stepPin = 24

WaitTime = 0.0025

cameraTakeCmd = '/usr/bin/raspistill -t 1 -w 640 -h 480 -vf -hf -o /mnt/feeder/latest.jpg &'

# set up io pins..

gpio.setmode(gpio.BCM)

gpio.setup(dirPin, gpio.OUT)

gpio.setup(stepPin, gpio.OUT)

gpio.setup(enablePin, gpio.OUT)

gpio.output(enablePin, False)

def exitHandler(signum, frame):

print 'We are out of here...'

gpio.output(enablePin, False)

gpio.cleanup()

exit()

#define what happens after connection

def on_connect(rc):

print "Connected"

#On recipt of a message create a pynotification and show it

def on_message(msg):

print "Topic: " + msg.topic

print "Payload: " + msg.payload

topic = msg.topic.split('/',1)

direction = topic[1]

print "Instruction: " + direction + ", Value: " + msg.payload

if direction == 'photo':

if msg.payload == 'take':

print "Photo time!"

os.system(cameraTakeCmd);

motorAction = 0

if direction == 'retract':

gpio.output(dirPin, True)

motorAction = 1

elif direction == 'feed':

gpio.output(dirPin, False)

motorAction = 1

if motorAction:

gpio.output(enablePin, True)

steps = int(msg.payload)

StepCounter = 0

while StepCounter < steps:

gpio.output(stepPin, True)

gpio.output(stepPin, False)

StepCounter += 1

time.sleep(WaitTime)

gpio.output(enablePin, False)

#create a broker

mqttc = mosquitto.Mosquitto("catfeeder")

#define the callbacks

mqttc.on_message = on_message

mqttc.on_connect = on_connect

mqttc.reconnect = on_connect

#connect

mqttc.connect("10.0.0.1", 1883, 60, True)

#subscribe to topic test

mqttc.subscribe("catfeeder/#", 0)

#tidy up nice like...

signal.signal(signal.SIGINT, exitHandler)

#keep connected to broker

while mqttc.loop() == 0:

pass

③用于远程控制小车

#define BLINKER_PRINT Serial

#define BLINKER_BLE

#include <Blinker.h>

#define PWMA 12 //控制电机1的方向A，zuo1

#define PWMB 13 //控制电机1的方向B，zuo2

#define PWMC 14 //控制电机2的方向A，you1

#define PWMD 27 //控制电机2的方向B，you2

int pwm_val = 255;//PWM输出值，改变数值用于调速，最大255，最小0

// 新建组件对象，组件名称见引号

BlinkerButton Button1("go");

BlinkerButton Button2("down");

BlinkerButton Button3("left");

BlinkerButton Button4("right");

BlinkerButton Button5("stop");

//函数声明

/*-------回调函数：软件中按下按键执行对应按键的函数，组件名称 软件中自定 见上 要放到setup之前--

-----------------------------按键1：功能向前，执行向前函数-----------------------------

-----------------------------按键2：功能向后，执行向后函数-----------------------------

-----------------------------按键3：功能向左，执行向左函数-----------------------------

-----------------------------按键4：功能向右，执行向右函数-----------------------------

-----------------------------按键5：功能停止，执行停止函数-----------------------------*/

void button1_callback(const String & state)

{·

    BLINKER_LOG("get button state: ", state);

    forward();

}

void button2_callback(const String & state)

{

    BLINKER_LOG("get button state: ", state);

    backward();

}

void button3_callback(const String & state)

{

    BLINKER_LOG("get button state: ", state);

    turnleft();

}

void button4_callback(const String & state)

{

    BLINKER_LOG("get button state: ", state);

    turnright();

}

void button5_callback(const String & state)

{

    BLINKER_LOG("get button state: ", state);

    stopk();

}

void setup()

{

    Serial.begin(115200);

   

    pinMode(PWMA, OUTPUT);         

    pinMode(PWMB, OUTPUT);         

    pinMode(PWMC, OUTPUT);         

    pinMode(PWMD, OUTPUT);       

   

    ledcsetup(1,12000,8,PWMA);

    ledcsetup(2,12000,8,PWMB);

    ledcsetup(3,12000,8,PWMC);

    ledcsetup(4,12000,8,PWMD);

   

    #if defined(BLINKER_PRINT)

        BLINKER_DEBUG.stream(BLINKER_PRINT);

    #endif

    Blinker.begin();

    Button1.attach(button1_callback);

    Button2.attach(button2_callback);

    Button3.attach(button3_callback);

    Button4.attach(button4_callback);

    Button5.attach(button5_callback);

}

void loop()

{

    Blinker.run();

}

/*-----------PWM生成初始化（LEDC通道初始化）-----------------*/

void ledcsetup(int channel,int freq,int resolution,int pin)

{

  ledcSetup(channel, freq, resolution); // 设置通道

  ledcAttachPin(pin, channel);   // 将通道与对应的引脚连接

}

/*----------------------转向函数--------------------------*/

void forward()

{

   Serial.println("FORWARD"); //输出状态

   ledcWrite(1, pwm_val);

   ledcWrite(2, 0);

   ledcWrite(3,pwm_val);

   ledcWrite(4, 0);

}

void backward()

{

   Serial.println("BACKWARD"); //输出状态

   ledcWrite(1, 0);

   ledcWrite(2, pwm_val);

   ledcWrite(3, 0);

   ledcWrite(4, pwm_val);

}

void turnleft()

{

   Serial.println("TURNLEFT"); //输出状态

   ledcWrite(1, 0);

   ledcWrite(2, 0);

   ledcWrite(3, 0);

   ledcWrite(4,pwm_val);

}

void turnright()

{

   Serial.println("TURNRIGHT"); //输出状态

   ledcWrite(1, 0);

   ledcWrite(2, pwm_val);

   ledcWrite(3, 0);

   ledcWrite(4, 0);

}

void stopk()//stop是Arduino.h函数，因此不能使用其名称新建函数

{

   Serial.println("STOP"); //输出状态

   ledcWrite(1, 0);

   ledcWrite(2, 0);

   ledcWrite(3, 0);

   ledcWrite(4, 0);

}

更多详情请参考 宠物智能机器人​​​​​​​