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1、机器人学导论课程论文智能家居监控机器人机器人学导论课程论文题目：智能家居监控机器人学 院 专 业 学生姓名 学生学号 指导教师 课程编号课程学分摘要 近年来，随着计算机技术、通信技术、网络技术与人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术逐渐成为现代机器人研究领域的热点。其中，服务机器人开辟了机器人应用的新领域。服务机器人的出现主要有三大原因：一是劳动力成本的上升；二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清洁、家务、照顾病人等；三是人口的老龄化和社会福利制度的完善也为某些服务机器人提供了广泛的市场应用前景。服务机器人区别于工业机器人的一个主要特征就是服务机器人是一种适用于具体的方式、环境及任务过程的机器

2、人系统，其活动空间大，具有在非结构环境下的移动性，因此服务机器人大多数是移动机器人。 随着社会的发展需要，服务机器人已经渗透了我们的生活、工作和经济方面，并且起到了很大的作用。服务机器人的研究和发展对我们的经济发展有很多的影响。这篇文章主要介绍服务机器人中目前较为流行的一种智能家居监控机器人。包括其概述、简要工作机理、关键技术、以及前景展望等。关键词：机器人、家居、智能、传感器目录摘要.2一、绪论 1.1课题的研究背景和意义.4 1.2 家庭智能机器人.4 1.3 研究现状.5 1.3.1国外研究现状.6 1.3.2 国内研究现状.7二、主要技术理论基础.8 2.1 传感器工作原理.8 2.1

3、.1 超声波测距原理.8 2.1.2 红外线测距原理.9 2.2 传感器融合技术.10 2.3 语音识别技术.10 2.3.1 基本概念及发展.10 2.3.2 Microsoft Speech SDK 开发包.11三、智能居家监控机器人的设计与实现.12 3.1 智能居家监控机器人总体设计方案.12 3.2 系统的硬件平台.13 3.3 系统的软件结构设计.14 3.3.1 老人监护模式设计.14 3.3.2 陌生人检测模式.15 3.3.3 陌生人检测中的语音识别.16四、总结.18参考文献.20一、绪论1.1课题的研究背景和意义现代化社会中,监控设备应用广泛,如十字路口的监控枪机、各大型

4、商场、超市的监控摄像头甚至个人家庭的监控设备等。监控技术可以帮助我们抓住嫌犯,破获各种案件,保证生产现场的安全规范操作,实时监护老人小孩等。视频监控技术按照主流设备发展过程,可以分为3个大的阶段,即20世纪70年代开始的模拟视频监控阶段,20世纪90年代开始的数字视频阶段及近几年兴起的智能网络视频监控阶段1。网络视频监控的产生,使得监控技术愈加成熟,同时极大的提高了报警的效率和安防的可靠性。机器人在发明的初期用于工业生产,后来也逐渐应用到危险作业上。近几年来,随着机器人技术的不断的发展和人们需求的增长,面向家庭的机器人出现在我们的视野范围内。而且家庭机器人的功能也越来越广泛,可以代替人们完成各

5、种任务。家庭机器人不仅可以除草,扫地,而现阶段更发展为具有一定智能的智能机器人。智能机器人不仅仅是我们可以控制的工具,更是一个具有计算能力、分析能力、识别能力的智能“生命”。智能家居的建设,不能缺少这样一个好帮手。结合以上所说,由于通信技术的发展与推广,监控技术的网络化,智能机器人的研究突破,我们可以突破以往摄像头固定监控的局限,采用智能机器人为底座,其上搭载带有摄像头的笔记本电脑,利用3G通信技术为手段,这样我们可以得到移动的视野,如果发生异常情况机器人还会报警。机器人更具有一定的智能,可以自动巡航,可以检测识别到各种异常,可以发现老人跌倒以及陌生人闯入,为家庭安全增加了一道防火墙。1.2家

6、庭智能机器人近年来图像处理技术、语音处理技术、自动控制、传感器融合技术及计算机技术和通信技术都在快速发展,机器人已经迈入智能化的时代。家居机器人最主要的特点为:可以进行自主移动、自主避障、自主定位、拥有人脸记忆和识别、皮肤感知、运动检测等能力;拥有语音交互、声音监测与网络通信等能力。一款智能机器人会根据其设计目的拥有以上部分或者全部功能,这些强大的智能化的功能,将使人们和智能机器人的交互变得更加便捷,可以为人类提供更加丰富智能的服务。如果将智能机器人引入到智能家居系统中,机器人可以与智能中心进行数据交互,这就将很好的提高智能家居系统的集中控制能力以及各种交互能力,也可以让人机交互更智能化,提高

7、控制成本叠加。第一个方面，智能家居机器人就像个时刻待命的小管家,主人可以通过各种语音指令,直接命令机器人从而控制智能家居系统的运行。例如如果预先设定的一个关机指令到时了,智能机器人会首先询问主人是否要确认关机,当主人回复了肯定的答复后,机器人才会控制智能家居系统关机。同样,主人刚下班回到家里,不必找到智能系统的遥控器就可以向机器人下达各种命令,从而控制整个系统。另外主人可以预先进行一些必要的设置,这样智能机器人就可以向主人提供新闻、天气信息、股票信息、用户Email信息和各种费用信息等,并可以通过语音能力像说话般读出。如果获取到水、电、天然气的费用不足,还可以提前给用户警示。其次,机器人拥有行

8、走能力。例如,智能机器人可以在家中避障行走,这样用户外出时,机器人就可以作为一个千里眼,用户可以远程得到机器人的视角。这样的移动摄像头可以避免以前固定摄像头的观察死角。如果语音处理技术进一步发展,机器人能够识别更多的语音命令时,人类就可以和机器人聊天,智能交互的愿望也不是梦了。随着智能机器人技术的进一步发展,智能机器人也能够顺利的自主上下楼梯,这样智能机器人在各种家庭环境中也可以很好的使用。家庭智能机器人是一个快速发展的新兴产业,也具有非常广阔的前景,智能家庭机器人己成为国家“十一五”发展规划的重点扶植项目。日本机器人协会表示机器人会逐渐进入我们的生活中,并且预测再过十几年,全球机器人的产业值

9、将会成十倍的增长。就像是计算机的发展历程一样,随着技术的发展,机器人的功能将更加完善和专业,同时价格也会逐渐降低,最后达到普通消费者能够承受的范围。在不远的未来,智能机器人也会像电视电脑一样进入千家万户，使人们的生活发生一系列的变化，到那时,我们就会步入到全新的机器人时代。1.3研究现状机器人是一种可自动工作的机械装置。它既可以运行预先编写好的程序,又可以接受人们的指挥,也可以根据人们制定的原则行动随着科学技术不断发展,机器人的应用范围也越来越广泛,机器人开始被用于工业生产和危险环境的探测,后来出现了各种特种机器人,可以用于军事、农业、娱乐和服务行业等。在国外的一些发达国家中,机器人早己走入了

10、千家万户,机器人走入家庭是与各种高新科技的发展分不开的。在信息时代的今天,人们整天忙碌于各种工作与社交活动中,用来做家务的空闲时间越来越少,人们迫切的希望拥有一个能帮助自己的“保姆”,家庭机器人的研究也正是迎合了这种需求。最先投入使用的家庭机器人是除草机器人和吸尘机器人。这样功能单一的机器人也曾经在国外得到广泛使用。但我们更希望机器人具有一定的智能,并且可以帮我们做更多的事情。1.3.1国外研究现状 早在2003年,日本的研发人员研发了一款家用机器人,如图1.1所示。机器人“番龙”是全球第一个实用性较强的家用机器人,它配备了各种传感器,可以自主步行,由于它有四条腿,还可以上下台阶。“番龙”也具

11、有远程遥控的功能,主人可以通过手机来遥控其行走,在“番龙”身上还装有探测人体的传感器,如果有人接近,“番龙”会给主人手机发出通知2。随后2004年底,泰姆泽库(Tmsuk)又研发了一款名叫ROBORIOR的家庭看护机器人,如图1.2所示,ROBORIOR有如下三种功能3:(1)远距离操作功能:主人可以用手机控制机器人实时地移动。机器人装有摄像头,主人能即时了解自己家里的情况。(2)看家功能:一定范围内有人出现或监听到一定大小的声音时,机器人就会自动地和指定的手机取得联系。这种功能可以用于感知家中陌生人进入等异常现象和感知孩子是否放学回家等。(3)电视电话功能:机器人还可以通过连接电视为主人提供

12、可视通话功能。2008年,德国人研制出了另一款家庭机器人“细心的欧婆3号”。该机器人能够代替人们做各种家务。机器人体内装有大量传感器,它可以自己移动,也拥有立体视觉的彩色摄像机。另外,它有力量传感器和一个高度灵活的手臂和一只三个手指的手,能够拿起酒瓶、杯子等物体。它还能可接受口头指令,识别和回应手势。在它的脑海中,可以保存各种物体的形状,也可以保存房间的布局,同样的,它还会学习新的知识,只需获得不熟悉的物体的三维立体印象即可4。WOWWEE公司最新开发的路威机器人是一款具有Wifi控制功能的移动巡航摄像的小型机器人。它最基本的两项功能是:(l)通过实时视频流及音频流观看其所在环境进行监控,拍照

13、和自动EMAIL;(2)Wifi控制,消费者可利用个人电脑或智能手机等设备对路威进行远程控制。路威还有自动返航充电功能。路威进入中国市场揭开了消费级智能机器人进入中国家庭的序幕。图1.3 “WOWWEE”Fig.1.3 Robot “WOWWEE”图1.2 “ROBORIOR”Fig.1.2 Robot “ROBORIOR”图1.1 “番龙一代”Fig.1.1 Robot “Fan Long 日本厂家最近研发了一款Android智能家居机器人,名叫“MiraiSanzo”。从外观上看,它是一个直径22厘米的圆球,带有触摸屏,触摸感应器,WIFi连接和语音识别功能。更人性化的是,这个小东西能够变

14、幻出7种不同的颜色,表示自己当前的“情感”这款设备的使用非常简单,如果用户想要开启空调,只用对它说出“开启空调”即可。除了空调之外,MiraiSanzo还能控制地热暖气,给浴缸充水。若家中发生如火灾等意外,还会给你的手机自动发送邮件。1.3.2国内研究现状2008年11月,国内第一个网络化的智能机器人“塔米”(Tami)出现在人们的视线内“塔米”118A型网络智能机器人是中国第一款实用化、商品化的家庭服务类智能机器人。“塔米”可以和人类对话,可以听懂一些简单的句子,并且回答;可以识别人类和物体,并且说出他们的名字;可以避障行走、自动充电。而且更人性化的是,“塔米”还能表示开心,伤心等一些自己的

15、心情5。“塔米”具有老人看护功能,可以监测老人的血氧和脉搏变化,支持主人通过手机短信查询.“塔米”也可以自主巡逻,如果检测到有陌生人闯入,它就会发出报警信自,并把陌生人的照片拍下来,用彩信功能传到主人那里。主人也可以在有网络的地方远程和“塔米”联系,遥控其行走,进行实时监控。人们还可以利用“塔米”与家人进行视频通话。“塔米”还具有儿童伴侣和教育功能,塔米机器人的主要目标客户是工作繁忙无闲照顾家人的社会精英人士,其价格较高,一般工薪阶层很难接受,对推广造成了困难。近几年,哈尔滨海尔哈工大机器人技术有限公司推出了一款家庭伙伴机器人。家庭伙伴机器人主要是应用在现代城市家庭中,起到协助家庭管理、儿童教

16、育娱乐、家庭安保等功能。它可以采集各种传感器信息,如家中温度、湿度、烟雾浓度、可燃气体浓度、陌生人闯入等。然后发现“家中着火”、“有人入侵”等就会通过短信实现无线报警,对现场场景即时拍照并通过彩信、邮件传送给主人,利用3G通信实时监控现场环境,还可以利用警铃和强光进行吓阻。机器人可以下载各种教育软件和娱乐软件,作为儿童教育娱乐的伙伴。其主要功能有:自主行走、自动避障和路径规划、安保功能、多途径报警功能、多种的操控和监控功能、互动娱乐功能、自主充电功能。图1.5 家庭伙伴机器人Fig.1.5 Family Company Robot图1.4 “塔米”Fig.1.4 Robot “Tami”二、主

17、要技术理论基础2.1传感器工作原理2.1.1超声波测距原理 超声波是声波的一种,其优点有方向性好、可以定向发射、可控制强度。使用超声波来测量距离,不需要对物体进行直接的接触。超声波测距的原理为:我们测量从发射开始到遇到障碍物返回所需的时间,以及超声波的传播速度,通过这两个值就可以算出前方障碍物距离。设D为所要测量的距离:C是超声波在空气中的传播速度,应该和声速相近(340m/s);T为测量到的传播时间差(从发射超声波到接收超声波)。则超声波测距的计算公式为:（1）D 超声波测距的误差:实际使用超声波测量的时候会有一定的误差,原因其一是空气密度和超声波的传播速度成有关,而温度又对空气密度有很大影

18、响,所以超声波的传输速度和实际环境有关。其二是如果在测量的同时障碍物距离发生改变,测量所得的传播时间差就不准确。（2） 超声波的速度与温度的关系为：其中，r为气体定压热容和定容热容的比值，对空气来说，r=1.4,R是气体的普适常量,M为气体分子量,T为实际温度。表2.1给出了超声波在空气中的传输速度与实时温度的关系。温度-30-20-100表2.1 超声波在空气中的传输速度与温度的关系102030声速m/s313319325332338344350一般来说,超声波传感器测量距离的精度为厘米级别,测量范围也要比红外线传感器高,在本文的实际情况中,可以配合红外线传感器使用消除盲点。超声波传感器的发

19、生器和接收器都利用压电晶体的谐振原理来设计。 超声波测距主要应用于工业、建筑方面的距离测量,如倒车防撞、大型机械等由于声波在空气中衰减很快,所以超声波测距的有效范围不会很长。2.1.2 红外线测距原理 红外线测距原理是利用三角测量原理来判断障碍物距离，通过计算发射光和反射光的夹角从而得出障碍物的距离。采用的是红外线传播时的不扩散原理，发光管发出红外线，CCD检测器收管接收障碍物返回的反射光。如图2.1所示。图2.1红外线测距原理Fig.2.1 Principle of Infrared Range Finder 红外测距的优点是价格便宜,容易制造,使用安全,但是它的测量精度较低,有效范围小,方

20、向感较差。和超声波不同的是,红外线的传播速度是光速,虽然在空气中衰减不严重,但是经过反射后,会得到很大的衰减。红外线是一种不可见光线,波长一般在微米级别。2.2传感器融合技术 数据融合的定义可概括为:对各传感器获得的一些时序观测数据,采用计算机处理技术,通过数据融合中心遵循一定规则加以自动分析、综合,目的是完成所需的决策和任务。使系统拥有比各个组成部分相加更优越的性能,从而进行的信息处理技术。 多传感器融合的想法,和人的各个感官的原理相似。人体的五官各司其职,每个器官都有不同的作用,大脑会通过融合各个感官的信息来综合处理,进行准确的决策。而多传感器融合也是充分利用多传感器资源,通过整合个传感器

21、的观测信息,把多传感器的冗余信息和互补信息进行组合,以获得被测对象的不同方面的描述。 利用多个传感器可以互补的优势,我们可以提高传感器系统的有效性,增加情报信息的可信度,提高了系统的稳健性和抗干扰性,比使用单个或少量传感器有更可靠,更准确。图2.2 传感器融合方式：左为并联融合，右为串联融合Fig.2.2 Two Types of Sensor Fusion: Parallel and Series多个传感器进行融合的方式有两种:一是并联融合方式,二是串联融合方式。人们常用嵌入约束法和证据组合法对传感器信息融合。嵌入约束法最基本的方法:Bayes估计和卡尔曼滤波,JaehongPark等人介绍

22、了一种使用卡尔曼滤波来进行多传感器融合的方法。除了上面两种方法之外,还有学者利用人工神经网络法进行融合。2.3语音识别技术2.3.1基本概念及发展语音识别是人机交互,计算机智能的关键技术,通过把语音翻译成文字,让计算机可以理解人们的话,模拟人们的听觉功能。其原理简单讲就是从语音信号中提取一些有用的声学消息,然后确定这些消息的含义,最后将语音信号转换为对应的文字。最终目标是实现人类和计算机的语音交互。RenC.Luo等人在系统中加入了声音探测技术,用来处理跟踪丢失等异常情况。 语音识别技术一直是各国学者热门的研究方向。随着这项技术的发展,各个难题的突破,现在语音识别技术己经广泛的应用于许多方面,

23、例如语音拨号系统,订票系统,声控智能系统,银行服务等等各个行业。而且,语音识别不只是可以识别英语,更可以识别汉语,日语等许多常用语言。2.3.2 MicrosoftSpeechSDK开发包目前语音识别领域中己有的大型软件开发包有:Cambridge公司的HTK开发包。IBM公司的ViaVoice以及微软公司的Microsoft Speech SDK。ViaVoice和HTK的识别内核都是隐马尔科夫模型(HMM)。虽然SpeechSDK的识别内核由于商业保密没有公开,但我们从它能提供强大的自然语音识别功能,推测它应该也使用了类似HMM的语音模型。下面主要叙述一下Microsoft Speech

24、SDK。Microsoft Speech SDK是微软开发的一套语音开发资源包,它不只是支持英语系统开发,更是完美的支持简体中文语音系统的开发,是国内学者和工作者开发语音软件的一个有力武器。Microsoft Speech SDK目前在WindowsXP下的最高版本是5.1。由于它基于COM标准开发,所以底层协议和应用程序层是完全独立的,这样编写应用程序时,我们就可以屏蔽复杂的底层的语音技术,软件研发人员能直接的利用SDK包,进行语音识别应用层软件的开发。SAPI是SpeechAPI(语音应用程序接口)的简称,它建立在COM(ComponentObjectModel)组件的基础之上,目的是为用

25、户提供丰富的语音接口。通过SAPI进行面向对象的编程,用户可以创建用于各个平台的多种语音应用程序。由于使用COM标准规范,这种SDK可以用于许多编程语言如C/C+!VB、C#以及Java,也能用于Microsoft Speech SDK,这样就有了很好的兼容性。COM的扩展性好,同时也可以二次开发,编程人员使用起来方便快捷,大大的提高了开发效率,节省了系统开发时间。Microsoft Speech SDK的结构框图如图2.3所示,它主要有两个接口,分别为应用程序接口(API)和设备驱动接口(DDI)。API层是应用程序和SAPI的通信接口,DDI层是语音识别!语音听写和SAPI进行交互的通信接

26、口。这样一来,应用程序和SAPI引擎就不会有直接的联系,当语音引擎发生变化的时候,应用程序也不会被影响运行。相反,SAPI引擎也被良好的封装,应用程序没有权限对SAPI进行更改,只可以通过妙I接口来使用SAPI引擎,可以良好的保护版权。图2.3 Speech SDK 结构框图Fig.2.4 Schematic of Speech SDK三、智能家居监控机器人的设计与实现3.1 智能家居监控机器人总体设计方案本文中智能家居监控机器人的设计方案主要是基于两个基本情况:其一:国内人口老龄化正在逐步加快,根据预计,到2050年,中国老年人将达到2亿,占总人口的15%。老龄化现象越来越严重,照顾老人就会变成我们社会一个严重的负担,所以我们需要找到省时省力的方