一、作品簡介

作者：陳瑛、盧文博、劉沈軍、 浦津、葛望東
單位：南京林業(yè)大學(xué)
指導(dǎo)老師：金慧萍、田濤

1. 背景調(diào)研及研究意義
1.1背景調(diào)研
? ?? ? 隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展和城市化的進(jìn)程加速推進(jìn)，居民生活水平有了較 大幅度的提升，隨之而來的寵物業(yè)也得到了較大程度的發(fā)展，然而鑒于城市生活水平的 封閉性、個(gè)性化和人口老齡化等特點(diǎn)，人們生活中的休閑、消費(fèi)和情感寄托方式也呈現(xiàn) 出多樣化的發(fā)展，其中，家庭寵物的飼養(yǎng)已經(jīng)成為了城市居民生活消遣的新方式。

? ?? ? 寵物的喂養(yǎng)和看護(hù)往往是寵物主人最關(guān)心的問題，現(xiàn)階段主要還是依靠人工進(jìn)行喂 食與看護(hù)。由于人們攜帶寵物出行不方便以及上班時(shí)間無法照顧寵物等原因，也帶來了 諸如寵物拆家、寵物自虐、無人喂食及隨地大小便等居家“留守寵物”的系列問題。為 解決“留守寵物”問題目前市面上僅有喂食機(jī)、逗狗機(jī)等少量且功能單一的產(chǎn)品，已然 無法滿足主人喂養(yǎng)及看護(hù)寵物的需求。為了解決飼養(yǎng)寵物的這一系列問題，減少主人的 煩惱，研制寵物用多功能智能機(jī)器人勢在必行。為此，本作品設(shè)計(jì)了一款多功能智能養(yǎng) 寵機(jī)器人，在現(xiàn)有掃地機(jī)器人和陪玩機(jī)器人功能的基礎(chǔ)上，運(yùn)用語音視覺聯(lián)動(dòng)、yolov2 智能識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行了集成創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了較好的人機(jī)交互功能，極大程度上滿足了 愛寵人士的需求。

1.2研究意義
寵物智能機(jī)器人可以應(yīng)對家中無人時(shí)寵物行蹤不定、寵物丟失、喂養(yǎng)困難等問題，使用探索者機(jī)器人創(chuàng)新組件，設(shè)計(jì)了一種具有自動(dòng)追蹤、遠(yuǎn)程監(jiān)控及識(shí)物投食功能的智能寵物機(jī) 器人進(jìn)一步豐富了家居智能化的配置，在提高人們生活品質(zhì)的同時(shí)，也減少了人們的出 行的后顧之憂。

2. 應(yīng)用前景和社會(huì)價(jià)值
2.1應(yīng)用前景
據(jù)《2020 年中國寵物行業(yè)白皮書》（消費(fèi)報(bào)告）數(shù)據(jù)顯示，目前我國寵 物總量已經(jīng)超過 1 億只，從 2010 年至 2016 年，國內(nèi)寵物行業(yè)年復(fù)合增長高達(dá) 49%?！?022 年中國寵物行業(yè)市場前景及投資研究預(yù)測報(bào)告》顯示，目前寵物市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)千億， 71.4%的 00 后網(wǎng)民有養(yǎng)寵物的經(jīng)歷或意愿，且很多人將寵物視為“重要家人”，愿意為 ．8． 其消費(fèi)。隨著人們與寵物親密度的持續(xù)走高，預(yù)計(jì) 2021 年寵物市場規(guī)模還將突破 2000 億元，寵物經(jīng)濟(jì)發(fā)展將持續(xù)高速繁榮。在市場高速發(fā)展中，各種新業(yè)態(tài)也有望借著東風(fēng) 趁勢而起，其中就包括了智能養(yǎng)寵。所謂智能養(yǎng)寵，顧名思義，就是利用各種智能技術(shù) 和智能設(shè)備來養(yǎng)寵，例如，機(jī)器人。

2.2社會(huì)價(jià)值
利用機(jī)器人養(yǎng)寵，能使養(yǎng)寵變得輕松和簡單，寵物生活變得更好，同時(shí) 還能解決“空巢寵物”問題。在用戶因?yàn)樯习嗟雀鞣N原因無暇照顧寵物的情況下，通過 遠(yuǎn)程操控機(jī)器人就能照管寵物，保持人寵之間的親密感和聯(lián)系性，不管對于寵物還是主 人來說，機(jī)器人養(yǎng)寵都極具顯著價(jià)值。

3. 作品創(chuàng)新點(diǎn)及前景展望和應(yīng)用
3.1作品創(chuàng)新點(diǎn)
? ?? ? 首先，本作品在樹莓派上使用 yolov2 算法實(shí)現(xiàn)對貓，狗，豬等家庭動(dòng)物的識(shí)別。 為寵物追蹤，區(qū)分物種定量喂食奠定了技術(shù)支撐。其次，我們用樹莓派識(shí)別到寵物后， 用 BestFit（最佳適應(yīng)算法）實(shí)現(xiàn)了寵物自動(dòng)追蹤。接著通過使用 mjpg-streamer 將實(shí)時(shí) 監(jiān)控到的視頻推流到 PC 端，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而用戶可以實(shí)時(shí)觀測到寵物的健康狀況 以及所處位置等。最后針對不同的家庭動(dòng)物，選擇不同的食物，進(jìn)行寵物投食；根據(jù)寵 物體型，定量投食，避免食物浪費(fèi)。

3.2 作品前景展望及應(yīng)用
應(yīng)用前景：據(jù)《2020 年中國寵物行業(yè)白皮書》（消費(fèi)報(bào)告）數(shù)據(jù)顯示，目前我國寵 物總量已經(jīng)超過 1 億只，從 2010 年至 2016 年，國內(nèi)寵物行業(yè)年復(fù)合增長高達(dá) 49%。《2022 年中國寵物行業(yè)市場前景及投資研究預(yù)測報(bào)告》顯示，目前寵物市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)千億， 71.4%的 00 后網(wǎng)民有養(yǎng)寵物的經(jīng)歷或意愿，且很多人將寵物視為“重要家人”，愿意為 ．8． 其消費(fèi)。隨著人們與寵物親密度的持續(xù)走高，預(yù)計(jì) 2021 年寵物市場規(guī)模還將突破 2000 億元，寵物經(jīng)濟(jì)發(fā)展將持續(xù)高速繁榮。在市場高速發(fā)展中，各種新業(yè)態(tài)也有望借著東風(fēng) 趁勢而起，其中就包括了智能養(yǎng)寵。所謂智能養(yǎng)寵，顧名思義，就是利用各種智能技術(shù) 和智能設(shè)備來養(yǎng)寵，例如，機(jī)器人。 我們的項(xiàng)目在時(shí)代的大勢下定能乘風(fēng)破浪！ 社會(huì)價(jià)值：利用機(jī)器人養(yǎng)寵，能使養(yǎng)寵變得輕松和簡單，寵物生活變得更好，同時(shí) 還能解決“空巢寵物”問題。在用戶因?yàn)樯习嗟雀鞣N原因無暇照顧寵物的情況下，通過 遠(yuǎn)程操控機(jī)器人就能照管寵物，保持人寵之間的親密感和聯(lián)系性，不管對于寵物還是主 人來說，機(jī)器人養(yǎng)寵都極具顯著價(jià)值。

4. 作品存在問題及改進(jìn)方法
4.1作品存在的問題
? ?? ? 技術(shù)功能的實(shí)用性：現(xiàn)階段項(xiàng)目受到市場檢驗(yàn)的機(jī)會(huì)不多，產(chǎn)品的使用效果、穩(wěn)定 性、智能性、續(xù)航性、環(huán)境適應(yīng)性等都還有待市場反饋。 鑒于此，我們一方面要加強(qiáng)機(jī)器人技術(shù)研發(fā)和升級，另一方面也要增加技術(shù)實(shí)際試 用，讓我們的寵物機(jī)器人能更加滿足需求，受到用戶認(rèn)可。

4.2作品改進(jìn)方向
通過不斷的研究和調(diào)試，當(dāng)前機(jī)器人已經(jīng)可以基本完成所有預(yù)想任務(wù)。上位機(jī)能夠 正常播放來自機(jī)器人的視頻數(shù)據(jù)?？刂茢?shù)據(jù)能夠正常傳輸，機(jī)器人對控制終端的控制數(shù) 據(jù)有較好響應(yīng)，控制延時(shí)可忽略不計(jì)，不影響控制體驗(yàn)。在調(diào)試實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人能清楚 的檢測到寵物模型的位置及狀態(tài)并即時(shí)反饋在視頻端。機(jī)器人在接近寵物的運(yùn)動(dòng)過程也 較為順暢，自動(dòng)喂食和毛發(fā)處理功能的完成也充分達(dá)到預(yù)期效果，此機(jī)器人方便操作， 更能適應(yīng)多種復(fù)雜的情況，既保證了使用者可以對寵物進(jìn)行檢測又為寵物獨(dú)自在家提供 了保障。因此研究已經(jīng)得到可行的論證。

二、總體功能設(shè)計(jì)

? ?? ? 針對寵物無人看管的問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以在家中無人看管時(shí)照看寵物的智能寵物 機(jī)器人。具有自主導(dǎo)航、寵物識(shí)別、自主避障、清理寵物毛發(fā)、自動(dòng)喂食等功能。
? ?? ? （1） 智能交互功能：通過指令觸發(fā)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人指定控制功能，與用戶實(shí)現(xiàn)智能交互；
? ?? ? （2）自主喂食功能：利用視覺識(shí)別檢測到寵物的位置和狀態(tài)，并在設(shè)定時(shí)間或者由直 接操作進(jìn)行喂食功能。
? ?? ? （3）清理毛發(fā)功能：通過強(qiáng)力吸風(fēng)機(jī)，將途徑的灰塵和寵物毛發(fā)吸到儲(chǔ)物盒之中，且 儲(chǔ)物盒貼有粘性貼，可將灰塵和毛發(fā)粘到盒中，從而實(shí)現(xiàn)打掃屋內(nèi)及清理寵物毛發(fā)的功 能。
? ?? ? （4）自主定位與導(dǎo)航：機(jī)器人在室內(nèi)移動(dòng)過程中根據(jù)視覺掃描和對自身位置的估計(jì)， 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航；
? ?? ? （5）避障功能：通過與主控板相連接的紅外傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)，指引驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行避障。

1. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)
? ?? ? 寵物機(jī)器人的外觀三維設(shè)計(jì)圖如下圖所示。

? ?? ? 機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)由喂食裝置、探索者、寵物識(shí)別裝置、壓力傳感器步進(jìn)電機(jī)、清 理毛發(fā)裝置組成。其具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

2. 軟件功能實(shí)現(xiàn)
2.1寵物識(shí)別
? ?? ? 本作品在開發(fā)板上使用 yolov2 算法實(shí)現(xiàn)對貓、狗、豬等家庭動(dòng)物的識(shí)別。為寵物 追蹤、區(qū)分物種定量投食奠定了技術(shù)支撐。 本次研究在識(shí)別方面采用了 yolov2 的技術(shù)處理。yolov2 基于 DarkNet19 結(jié)構(gòu)，它 有 19 個(gè)卷積層，有 3×3 的濾波器和 5 個(gè)最大集合層，與之前的層相比，通道的數(shù)量增 加了一倍。這提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過在每個(gè) 3×3 卷積層之后增加一個(gè) 1×1 卷積層， 降低了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的復(fù)雜性。這種復(fù)雜性的降低增加了圖像處理的推理時(shí)間，優(yōu)化了算法 的性能。yolov2 的功能是提高輸入圖像的分辨率，增加檢測像素和檢測信息量，有利于 提高檢測精度。數(shù)據(jù)增強(qiáng)通過擴(kuò)大輸入數(shù)據(jù)集為模型添加特征。這通過隨機(jī)裁剪和旋轉(zhuǎn) 輸入圖像來進(jìn)行，為模型增加維度。正如該算法的作者所說，"YOLO9000 預(yù)測了 9000 多個(gè)不同的物體類別的檢測，而且都是實(shí)時(shí)的。yolov2 在每個(gè)卷積層之后都使用了批量 歸一化（BN）。它將數(shù)據(jù)的分布統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，從而提高檢測的準(zhǔn)確性。 然而必須指出的是使用批量歸一化和數(shù)據(jù)增量提高了準(zhǔn)確性和 mAP，與之前的 yolo 版本相比，它也有定位誤差。與 yolov2 相比，RCNN 和更快的 RCNN 的檢測速度都很低， 因?yàn)? yolov2 的每秒幀數(shù)（FPS）更高。yolov2 單獨(dú)使用 TITAN X GPU 的檢測速度為 45 FPS， 而快速 YOLO 使用相同類型的 GPU 可以達(dá)到 155 FPS 的速度，因此訓(xùn)練 yolov2 網(wǎng)絡(luò)的時(shí) 間減少了 50%。
? ?? ? 寵物貓狗識(shí)別如下圖：

2.2寵物追蹤
? ?? ? 本作品識(shí)別到寵物后，用 BestFit（最佳適應(yīng)算法）實(shí)現(xiàn)寵物自動(dòng)追蹤，并使用 mjpg-streamer 將實(shí)時(shí)監(jiān)控到的視頻推流到 PC 端，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而用戶可以實(shí)時(shí)觀 測到寵物的健康狀況以及所處位置等。

2.3識(shí)物投食
? ?? ? 本作品通過 3D 打印設(shè)計(jì)出喂食裝置，在識(shí)別寵物后，通過電機(jī)推動(dòng)旋鈕，將狗糧 或貓糧投放到飯盤里，實(shí)現(xiàn)識(shí)別物種后定量喂食。識(shí)物投食如下圖：

2.4清理毛發(fā)
? ?? ? 本作品通過強(qiáng)力吸風(fēng)機(jī)，吸到儲(chǔ)發(fā)盒上部，儲(chǔ)發(fā)盒上部貼有粘性貼，可將毛發(fā)粘到 上部，從而實(shí)現(xiàn)清理寵物毛發(fā)的功能。

3. 技術(shù)路線
? ?? ? 編程模塊采用了較易上手的 Arduino 來最大程度實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能的完成。它構(gòu)建于開 放原始碼 simple I/O 介面版，并且具有使用類似 Java、C 語言的 Processing/Wiring 開發(fā)環(huán)境。主要包含兩個(gè)部分：硬件部分是可以用來做電路連接的 Arduino 電路板；另 外一個(gè)則是 Arduino IDE，計(jì)算機(jī)中的程序開發(fā)環(huán)境。只需要在 IDE 中編寫程序代碼， 將程序上傳到 Arduino 電路板后，程序便會(huì)將指令傳向 Arduino 電路板，進(jìn)而完成最終 的操作響應(yīng)。Arduino 能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達(dá)和其 他的裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過 Arduino 的編程語言來編寫程 序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器。對 Arduino 的編程是通過 Arduino 編程語言 (基于 Wiring)和 Arduino 開發(fā)環(huán)境(基于 Processing)來實(shí)現(xiàn)的。

三、程序代碼

1. 示例程序
①使用MaixPy板上的攝像頭執(zhí)行對象檢測并將結(jié)果顯示在LCD上。

②用于控制貓糧喂食器，通過MQTT接收指令來拍攝照片或控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

③用于遠(yuǎn)程控制小車

更多詳情請參考?https://www.robotway.com/h-col-279.html