機(jī)器人聲控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　主要介紹了聲控系統(tǒng)的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方法。和傳統(tǒng)的聲控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有成本低、體積小、耗能低和使用靈活方便等特點(diǎn)。既可以作為機(jī)器人的聲控系統(tǒng)，也可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)供學(xué)生使用。

　　1 引言

　　機(jī)器人聲控系統(tǒng)的研究一直是機(jī)器人研究的主要內(nèi)容之一。傳統(tǒng)的聲音控制系統(tǒng)一般采用PC 機(jī)作為核心平臺(tái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，雖然其具有處理能力強(qiáng)大、語音庫完備、系統(tǒng)更新能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是PC 機(jī)體積大，功耗大，成本高，不適合于中、小型機(jī)器人使用。本文以SPCE061A 為核心，設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人聲控系統(tǒng)，和傳統(tǒng)的PC 機(jī)聲控系統(tǒng)相比較，具有成本低、體積小、耗能低和使用靈活方便等特點(diǎn)。

　　本系統(tǒng)采用的機(jī)器人平臺(tái)是北京博創(chuàng)興盛機(jī)器人技術(shù)有限公司提供的Voyager II 型地面移動(dòng)機(jī)器人， 該機(jī)器人采用了模塊化的設(shè)計(jì)理念，高負(fù)載能力的直流伺服控制，可選配聲納、紅外、視覺、羅盤、GPS 等傳感器和機(jī)械手等執(zhí)行器。完全可以滿足聲控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，下面首先介紹一下系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

　　2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)機(jī)器人平臺(tái)情況， 聲控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由微處理器單元、供電單元、聲音采集單元和串口輸出單元四部分組成，如圖1 所示：

　　2.1 微處理器單元

　　本系統(tǒng)采用凌陽公司的16 位單片機(jī)SPCE061A 作為核心控制芯片，內(nèi)置32K 閃存，其較高的處理速度能使芯片非?？焖俚奶幚韽?fù)雜的數(shù)字信號(hào)， 適用于語音識(shí)別等應(yīng)用領(lǐng)域。

　　SPCF061A 的工作頻率范圍為0.32-49.152MHz.具備8 通道10位ADC 輸入功能， 內(nèi)置了具有自動(dòng)增益控制的麥克風(fēng)輸入功能。雙通道10 位DAC 音頻輸出功能及A、B 兩個(gè)I/ 0 口輸入輸出功能。具有集成度高、性能可靠、價(jià)格低廉、功耗小等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)充分體現(xiàn)了微控制器工業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。目前，凌陽單片機(jī)SPCE061A 的應(yīng)用越來越廣，深受廣大用戶的歡迎。

　　2.2 聲音采集單元

　　聲音采集單元的換能器采用駐極體話筒， 通過話筒將采集到的聲音信號(hào)通過MIC_IN 通道傳送給CPU,MIC_IN 通道專門用于對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣。語音信號(hào)經(jīng)MIC 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由電容將其中的直流成分濾除， 然后輸入到集成在SPCE061A 內(nèi)部的前置放大器中。SPCE061A 的內(nèi)部增益控制電路AGC 能隨時(shí)跟蹤、監(jiān)視前置放大器輸出的音頻信號(hào)的電平，當(dāng)輸入信號(hào)過大時(shí)，自動(dòng)減小放大器增益；當(dāng)輸入信號(hào)減小時(shí)，自動(dòng)增大放大器增益。這樣即可以使A/D 轉(zhuǎn)換器接收到的信號(hào)一直保持在最佳電平，又可以使聲音損失減至最少，從而提高語音識(shí)別的精度。

2.3 外接供電單元

　　外接供電單元是聲控系統(tǒng)的選配單元， 由于聲控系統(tǒng)的能耗很低，可以外接3 個(gè)1.5V 電池，作為外接供電單元給系統(tǒng)供電。在沒有選配外接供電單元時(shí)，也可以直接使用Voyager II 型地面移動(dòng)機(jī)器人的蓄電池為關(guān)濟(jì)實(shí)： 講師工學(xué)碩士聲控系統(tǒng)供電，Voyager II 型機(jī)器人的蓄電池供電電壓為24V, 將24V 電壓先經(jīng)過7805 轉(zhuǎn)換成5V電壓， 然后使用SPY0029 將5V 電壓轉(zhuǎn)換成3.3V 電壓給SPCE061A 供電。

　　2.4 存儲(chǔ)器單元

　　存儲(chǔ)器單元也是聲控系統(tǒng)的選配單元， 當(dāng)需要識(shí)別的語音資源較少時(shí)，則使用單片機(jī)中集成的FLASH 存儲(chǔ)器，就可以滿足要求。當(dāng)語音資源較豐富時(shí)，就需要連接外部存儲(chǔ)器單元，對(duì)語音資源進(jìn)行存儲(chǔ)。為了保證系統(tǒng)的兼容性， 選用凌陽公司的SPR4096 作為外部存儲(chǔ)器， LASHSPR4096 內(nèi)部有512K×8bits F和4K×8bits SRAM 在進(jìn)行FLASH 編程或擦除的時(shí)候，可以并發(fā)執(zhí)行SRAM 的讀寫，SPR4096 內(nèi)置了一個(gè)總線存儲(chǔ)器接口和一個(gè)串行接口，它允許單片機(jī)通過8_bit 并行模式或者1_bit 串行模式訪問FLASH SDRAM 的存儲(chǔ)區(qū)。在本系統(tǒng)中，將SPR4096的SCK 和SDA 與SPCE061A 的IOB0 和IOB1 連接， 構(gòu)成串行數(shù)據(jù)通信。

　　2.5 串口輸出單元

　　由于SPCE061A 單片機(jī)的輸入、輸出電平是TTL 電平，而Voyager II 型機(jī)器人配置的是RS-232 標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者的電氣規(guī)范不一致。因此，要完成SPCE061A 和機(jī)器人之間的串行通信，必須對(duì)SPCE061A 輸出的TTL 電平進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)中使用MAXIM 公司的MAX232 作為電平轉(zhuǎn)換芯片。MAX232 使用單電源供電， 只需外接5 個(gè)0.1uF 的電容， 就可以實(shí)現(xiàn)SPCE061A 和Voyager II 型機(jī)器人之間的電平轉(zhuǎn)換。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)中最重要的部分就是編寫語音識(shí)別程序。語音識(shí)別過程本質(zhì)上是一種多維模式識(shí)別過程。針對(duì)凌陽單片機(jī)編寫語音識(shí)別程序，主要可以分為：訓(xùn)練、辨識(shí)、辨識(shí)結(jié)果輸出三部分。

　　3.1 訓(xùn)練程序

　　當(dāng)程序第一次運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行語音識(shí)別訓(xùn)練。完成識(shí)別訓(xùn)練后，會(huì)在FLASH 存儲(chǔ)器中設(shè)定標(biāo)志位，下次重新啟動(dòng)時(shí)，可以跳過語音訓(xùn)練過程，直接進(jìn)行語音識(shí)別程序。如果用戶需要重新訓(xùn)練，也可以通過按鍵來擦除標(biāo)志位，該部分程序框圖如下：