智能小车的声控、遥控与避障的实现

智能小车的声控、遥控与避障的实现1南京航空航天大学电子信息工程学院第七期科创基金结题论文项目名称：智能小1车的声控、遥控与避障的实现申报人：谷雨040920328孟凡君040920323鞠网扣040920327范翰阳040920420曹伟晨040920329周湧040920330指导老师：施慧彬二〇一一年十二月智能小车的声控、遥控与避障的实现2智能小车的声控、遥控与避障的实现研究内容提要：智能小车采用语音识别技术和,红外遥控技术，对其行驶状态进行控制。利用SPCE061A单片机和智能小车控制电路板，实现下述功能：1.可以通过简单的I/O操作实现小车的前进、后退、左转、右转功能。2.配合SPCE061A的语音特色，利用系统的语音播放和语音识别资源，实现语音控制的功能。3.可以在行走过程中声控改变小车运动状态。4.在超出语音控制范围时能够自动停车。5.添加遥控功能，实现声控+无线遥控的双控功能。6.可以探测到障碍物并自主做出躲避。关键词：语音识别、语音控制、红外遥控、自动避障研究的目的和意义随着计算机和信息技术的发展和应用，包括语音控制和无线遥控等自动控制原理在科学和生活各个方面的运用也更加深入和广泛。本研究主要基于上述原理制作可通过语音和遥控进行双重控制的小车，并且另外安装各种传感器，以实现小车的前后左右运行，躲避障碍物等功能为目的。通过对相关理论技术的研究和小车的制作，对语音控制和无线遥控原理产生初步的认识和理解，并能够将理论知识运用到实际操控当中。对于小车的语音控制，主要采用SPCE061A单片机，该器件可以实现语音的存储和放音。通过研究，可以深入理解该单片机的工作机理，学会对语音信号的分析和处理，将课堂上所学概率统计知识，信号分析知识等与实践操作想结合，探究如何运用该器件对小车进行控制并且根据不同指令实现各项功能，从而实现操控的人性化，便捷化和智能化。对于小车的无线控制，主要采用无线电的遥控通过收发指令实现。此技术与我们所学的信息专业联系更为紧密。通过研究，可以理解无线电的收发原理，学会对不同电波信号实现分辨和处理，培养我们把电信号转化为实际指令的能力。通过具体的制作来巩固所学的模智能小车的声控、遥控与避障的实现3电，数电，信号分析等知识，做到学以致用。同时，还能够了解本专业的应用前景，发展动向和不足之处，体会到信息工程给我们带来的巨大便利。对于小车的避障功能的实现，可以在小车内添加各种传感器，根据传感器传回的数据编写算法和程序，从而实现相应的功能。这是对于所学编程知识的具体应用，既可以巩固课堂上所学的知识，又能开拓我们的思维，充分发挥我们的创造性。另外，通过对小车的组装，还可以学习器件组装，焊接等技术操作能力，锻炼我们的动手能力，实验能力及团队协作能力。总的来说，语音控制和无线遥控等自动控制原理和我们所学的专业息息相关。其应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，成为现代社会生活中不可缺少的一部分。随着时代进步和人们生活水平的提高，在人类探知未来，认识和改造自然，建设高度文明和发达社会的活动中，语音控制和无线遥控必将进一步发挥更加重要的作用。作为信息科学与技术专业的学生，仅仅了解和掌握相关知识并不足够，我们要多思考，多研究，多创新，积极将所学知识与实践相结合，通过团队协作积极创造，切身体会该项技术的带来的人性化便捷操控及智能性。国内外本项目的研究状况语音识别技术的研究开始于二十世纪五十年代。国外，Bell实验室的Davis等人首次研制出能识别十个英语数学的实验装置Audry系统。60年代，提出两大重要研究成果：动态规划和线性预测分析。70年代，线性预测编码技术被Itakura成功应用于使语音识别；Sakoe和Chiba将动态规划的思想应用到语音识别并提出动态时间规整算法；Linda和Markel也首次解决了矢量量化码书生成的方法；统计方法也开始被用来解决语音识别的关键问题。80年代，Meyers和Rabiner研究出多级动态规划语音识别算法；另一个重要的发展是概率统计方法成为语音识别研究方法的主流，其显著特征是HMM模型在语音识别中的成功应用。1988年，美国卡内基－梅隆大学用VQ/HMM方法实现了997词的非特定人连续语音识别系统SPHINX。而国内，清华大学的王作英教授提出了非齐次隐语音识别的“改进隐含马尔可夫模型”，可以说是对语音识别模型算法的一次重大革新。赵力等提出了利用偶数帧段输入隐马尔可夫模型，提高了在噪音环境下汉语语音识别系统鲁棒性。李凡等提出一种基于BP神经网络和HMM的混合声学模型；何振亚等提出了一种HMM和径向基函数神经网络（RBF）相结合的语音识别模型；李晶皎提出的基于HMM和自组织神经网络模型的混合模型。无线电遥控技术发展于本世纪20年代。当时，才刚刚出现无线电遥控的雏形，那时的人们试图将遥控技术应用于无人驾驶飞机和舰船，但由于技术不够完善而未能成功。二次世界大战以后，无线电遥控技术发展迅速，并逐渐在军事、国防、工农业生产以及科学技术等智能小车的声控、遥控与避障的实现4方面得到广泛的应用。70年代后期，模型用的无线电遥控设备也以商品的形式逐渐出现。无线电元件制造技术在短时间内取得了高速发展。高密封的半导体晶片，将数千个晶体管的功能集中在一个几平方厘米的元件板上，标志着当今无线电技术的发展趋势。其应用有：无线遥控自动避扰技术；功能更强大的反馈系统；用于生产计划的管理；无线电控制装置的自动程序化和智能功能。美国发射的外星生命探测器代表国外无线电遥控技术的发展水平，至于国内，嫦娥二号基本上算是顶端技术了。项目的创新点1.配合SPCE061A的语音特色，利用系统的语音播放和语音识别资源，实现语音控制的功能，使对车的遥控更加简洁和人性化2.具有声控+无线遥控的双控制功能，以便当语音控制失效或超出语音控制范围时时仍可以对小车进行控制、回收3.可以探测到障碍物并自主做出躲避，提高小车的智能性和安全性研究内容、研究方案芯片特性简介为了实现该车的语音控制功能，必须应用语音识别技术，对发出的语音控制指令进行识别，识别后发出与指令对应的控制信号，从而使小车做出相应的动作。语音识别主要分为“训练”和“识别”两个阶段。在训练阶段，应用单片机对采集到的语音样本进行分析处理，从中提取出语音特征信息，建立一个特征模型；在识别阶段，使用单片机对采集到的语音样本进行类似的分析处理，提取出语音的特征信息，然后将这个特征信息模型与已有的特征模型进行对比，如果二者达到了一定的匹配度，则输入的语音被识别。该语音识别功能可通过单片机SPCE061A实现。SPCE061A是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机，使用它可以非常方便灵活的实现语音的录放，该芯片拥有8路10位精度的ADC，其中一路为音频转换通道，并且内置有自动增益电路。这为实现语音录入提供了方便的硬件条件。两路10位精度的DAC，只需要外接功放（SPY0030A）即可完成语音的播放。智能小车的声控、遥控与避障的实现5借助于SPCE061A的语音特色，我们可以开发出这款语音控制小车。小车不仅具有前进、后退、左转、右转停车等基本功能；同时配合SPCE061A的语音特色，实现语音控制功能。SPCE061A特性简介SPCE061A是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机，使用它可以非常方便灵活的实现语音的录放，该芯片拥有8路10位精度的ADC，其中一路为音频转换通道，并且内置有自动增益电路。这为实现语音录入提供了方便的硬件条件。两路10位精度的DAC，只需要外接功放（SPY0030A）即可完成语音的播放。另外凌阳十六位单片机具有一套易学易用的指令系统和集成开发环境，在此环境中，它支持标准C语言编程，也支持C语言与汇编语言的互相调用。另外还提供了语音录放的库函数，只要了解库函数的使用，就可以很容易的完成语音的录放、识别等功能，这些都为软件开发提供了方便的条件。SPCE061A特性：16位μ’nSP微处理器；工作电压：内核工作电压VDD为3.0V~3.6V(CPU)，I/O口工作电压VDDH为VDD~5.5V(I/O)；CPU时钟：0.32MHz~49.152MHz；内置2K字SRAM；内置32K闪存ROM；可编程音频处理；晶体振荡器；系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电小于2μA@3.6V；2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数-模转换)输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；低电压复位(LVR)功和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真板(ICE，In-CircuitEmulator)接口。智能小车的声控、遥控与避障的实现6语音识别的原理简介在介绍子程序之前首先介绍一下语音识别的原理。语音识别主要分为“训练”和“识别”两个阶段。在训练阶段，单片机对采集到的语音样本进行分析处理，从中提取出语音特征信息，建立一个特征模型；在识别阶段，单片机对采集到的语音样本也进行类似的分析处理，提取出语音的特征信息，然后将这个特征信息模型与已有的特征模型进行对比，如果二者达到了一定的匹配度，则输入的语音被识别。硬件实现方案系统结构框图如下系统组成主要包括两部分：SPCE061A精简开发板、语音小车控制电路板。图中的语音输入部分MIC_IN、按键输入KEY、声音输出部分的功率放大环节等已经做到了精简开发板——61板上，为我们使用提供了很大的方便。在电机的驱动方面，采用全桥驱动技术，利用四个I/O端口分两组分别实现两个电机的正传、反转和停三态运行。小车的运动控制采用语音控制和中断定时控制相结合，通过语音触发小车动作，小车动KEYMIC滤波SPCE061A功放SPK方向控制器驱动控制器方向电机驱动电机智能小车的声控、遥控与避障的实现7作之后，随时可以通过语音指令改变小车的运动状态。在每一次动作触发的同时启动定时器，如果小车由于某些原因不能正常的接收语音指令，则只要定时时间到，中断服务程序会发出指令让小车停下来。语音控制小车为四轮结构。其中前面两个方向车轮由前轮电机控制，在连杆和支点作用下控制前轮左右摆动，来调节小车的前进方向。在自然状态下，前轮在弹簧作用下保持中间位置。后面两个车轮由后轮电机驱动，为整个小车提供动力。小车的行走及转弯原理：直走：前轮在弹簧作用下保持中间状态，后轮电机正转小车就会前进。倒车：前轮电机仍然保持中间状态，后轮电机反转，小车就会向后运动。左转：前轮电机逆时针旋转（规定为正转），后轮电机正转，小车就会在前后轮共同作用下朝左侧前进。右转：前轮电机反转，后轮电机正转，小车就是会在前后轮共同作用下朝右侧前进。控制板主要包括：接口电路、电源电路和两路电机的驱动电路。接口电路：接口电路负责将61板的I/O接口信号传送给控制电路板，I/O信号主要为控制电机需要的IOB8~IOB11这四路信号，同时为了方便后续的开发和完善，预留了IOB12~IOB15以及IOA8~IOA15接口，可以在这些接口上添加一些传感器。小车的避障原理在小车前段加装传感器，接到SPCE061A预留的接口上。当传感器探测到小车左前方一定范围内出现障碍物时，通过61板将信号传送给控制电路板，使小车进行相应的转向、停止、后退等动作系统软件设计训练子程序当程序检测到训练标志位BS_Flag内容为0xffff，就会要求操作者对它进行训练操作，训练操作的过程如图6-3所示：训练采用两次训练获取结果的方式，以训练名字为例：小车首先会提示：给我取个名字吧，这时你可以告诉它一个名字（比如Jack）；然后它会提示：请再说一遍，这时再次告诉它名字（Jack），如果两次的