DIY一款具运动状态追踪功能的遥控玩具，做守护天使

一、项目概述

1.1 项目摘要

遥控玩具是广受欢迎的一种玩具，但是对于刚刚学会走路的小孩子来说操作复杂的遥控器显然不太现实，因此提出设计一种能自动跟随小孩的运动状态的玩具飞机。该玩具采用微惯性加速度计和陀螺仪作为小孩动作信息采集传感器，测量小孩的运动状态，通过无线发射将该信息发送给遥控飞机的无线接收模块，由飞机的中央处理单元判断出小孩儿的运动状态，控制飞机跟随小孩运动。这样实现了飞机对小孩的跟随，并且有信号传输给父母，让父母能够知道孩子所处的地理位置，以及所处温度，是父母看护孩子，与孩子交流的新方式，真正的起到了守护者的角色。另外，还有娱乐功能，遥控飞机在跟随过程中还可以发出各种可爱的声音逗小孩开心。此外，玩具还可以工作在遥控模式，由年龄稍大的孩子遥控玩具，增加玩具的趣味性和安全性。

1.2 项目背景

(1)市场规模

随着中国经济的发展，中国城乡居民的消费支出中，玩具类支出将越来越大。中国16岁以下儿童有3.6亿左右，占人口的比重约20%。目前中国儿童消费已占到家庭总支出的30%左右，全国0-12岁的孩子每月消费总额超过35亿元。但中国14岁以下的儿童和青少年的人均年玩具消费仅20-30元人民币（2.4-3.6美元），远低于亚洲儿童人均年玩具消费13美元和全世界儿童人均年玩具消费34美元的水平。如果中国玩具消费达到亚洲平均水平，市场规模预计将突破300亿元人民币。内地玩具市场未来将以每年40%的速度增长，到2010年销售额将超过1000亿元人民币。

(2)发展趋势

进入21世纪，各种整合了声、光、电功能的高科技玩具开始抢占传统玩具的地位，世界第一玩具消费国——美国在这方面表现得特别典型。近几年来，中国市场也逐渐出现越来越多的智能玩具，如智多熊，它成功地将多种产品整合在一起，通过人工智能技术，让孩子在与智多熊的交流互动中获得快乐、提高智商。

(3)社会条件

由于计划生育政策的贯彻落实和日益增长的生活压力，更多的家庭选择只要一个孩子，同时父母陪伴孩子的时间也越来越少，但是父母对于孩子的关爱并没有减少。越来越多的家长愿意购买玩具来缓解孩子的孤独感，同时玩具本身具有的调节人体智力、体能和情绪的综合能力，也有益于孩子的身心健康。

我们的目的是设计出一种兼具娱乐和监控功能的玩具。既能减少孩子的孤独感，又能让父母了解孩子的所处环境，预防未知事故的发生。

二、需求分析

2.1 功能要求

1. 该玩具飞机能够获取小孩的行走或运动路径，从而在一定距离内实现实时追随，给小孩带来玩耍的乐趣；

2. 感知小孩所处环境（如气温、气压），并将信息及时传递给家长；

3. 两种模式：具有“跟随”模式和“手动”模式的切换功能，“跟随”模式下，玩具飞机追随小孩的运动，在“手动”模式下，通过遥控器控制玩具飞机的运动；

4. 电量检测与自我保护：当电量不足时，玩具飞机则自动安全降落至底面。

5. 将小孩的地理位置、所处环境、温度压强传输给父母：家长可以通过遥控器设定好小孩玩耍的范围，在“跟随”模式下，当玩具飞机距遥控器超出设定的阈值时会以提示家长：小孩离自己过远了，如图1所示。

图1家长监控原理图

6. 在玩具飞机飞行的过程中，可随机地播放儿歌等音乐；

图2 守护天使成品设计图

2.2 性能标准

1. 玩具飞机与小孩在20~30米范围内能实现稳定可靠的无线通讯；

2. “追随”响应的延迟时间控制在5秒之内；

3. 玩具飞机在“追随”模式下的飞行高度为1.5~2米；

4. 系统在环境温度为-20℃~40℃下能稳定工作；

5. 续航能力在1小时以上。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

系统主要包括运动状态采集模块，无线通信模块，飞机硬件模块。

图3 守护天使系统硬件架构图

3.1.1运动状态采集模块

守护天使系统的运动采集模块包括的传感器是陀螺仪以及加速度及，其中通过陀螺测定转动速度并以微加速度计测定运动状态。跟踪目标（儿童）的运动状态信息（加速度，转角）传给无线通信子系统的发射模块。

目标状态测定的准确性直接关系到整个系统的工作性能。

图4 信息采集系统

3.1.2无线通信子系统

该系统包括两组无线发射模块和无线接收模块。

第一组无线发射模块（置于儿童身上）把陀螺仪及加速度计的采集的目标信号发射给飞机上的接收装置，接收装置直接将信号传给存储器。飞机通过无线接收模块接收传感器的信号，并通过MCU发出的命令进行运动，通信的高速性、稳定性和准确性至关重要，它直接影响了整个系统的采样周期。

第二组无线发射模块