语音控制型小车

程技术· JournalofWuhanInstituteofTechnoogy 语音控制型小车 熊晓倩，胡 璞 (武汉职业技术学院电子信，E-．．T-程学院，湖北武汉430074) 摘要：本小车是以凌阳16位单片机(SPCE061A)作为检测和控制核心，以语音识别技术和红外 检测技术作辅助实现语音控制、语音播报、自动悬崖避障、实时行程测量、实时行程显示等 多项功能。它是配合61板及凌阳迷你小车设计的，应用SPCE061A的众多资源，设计出的 小车具有类似人的听觉(语音识别)，视觉(自动避障)和应答(语音播报)特色的功能。 关键词：语音控制；单片机；红外传感器；动态扫描 中图分类号：TP27文献标识码：A文章编号：1671—931X(2008)01-0075--04 随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类 越来越多，其中听觉和视觉传感器成为自动行走和驾 驶的重要部件。听觉和视觉的典型应用领域为自主式 智能导航系统。而在不要求清晰图像识别和丰富的语 音识别时。在只需粗略感觉系统中考虑使用接近视觉 和听觉传感器是一种实用有效的方法。 一、原理与硬件电路图 (一)小车车体结构 小车为四轮结构，其中前面两个车轮由前轮电机 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 后轮驱动电动机 ＼ ()--前轮驱动电动采＼ 王1音 、‘臣 (卜 图1车体顶视图图 车提供动力，所以又称前面的轮子为方向轮，后面的两 个轮子为驱动轮，如图l所示。 (二)小车驱动电路 小车驱动电路的主要作用是将来自6l板的控制 信号转化为能够驱动电动机的信号。该电路包括两部 分： 1．动力驱动电路 动力驱动由后轮驱动实现，负责小车的直线方向 运动，包括前进和后退，后轮驱动电路是一个全桥驱动 电路，如图2所示：QI、Q2、Q3、Q4四个三极管组成四 个桥臂，Ql和Q4组成一组，Q2和Q3组成一组，Q5控 制Q2、Q3的导通与关断，Q6控制Ql和Q4的导通与 关断，而Q5、Q6由IOB。和IOB。控制，这样就可以通过 J3 1 2 Q3’ NP8550 CCN2 Q2、 } NPNS050一J-04 Q5、 臀．!Q21 Q8 2 图2后轮电机驱地动电路 收稿日期：2007—10--25 作者简介：熊晓倩(1982一)，女，武汉职业技术学院电子信息工程学院教师，学士，研究方向：传感器与智能控制。 75 武汉职业技术学院学报二O 0八年第七卷第一期一总第三十一期一 葛Q嘲P 万方数据 工程技术 EngineeringTechnology IOB。和IOB，控制四个桥臂的导通与关断控制后轮电 机的运行状态，使之正转反转或者停转，进而控制小车 的前进和后退。 当IOB。为高电平、IOB，为低电平时Ql和Q4导 通，Q2和Q3截止，后轮电机正转，小车前进；反之当 IOB。为低电平、IOB。为高电平时Ql和Q4截止，Q2和 Q3导通，后轮电机反转，小车倒退；而当IOB。、IOB。同 为低电平时Q1、Q2、Q3和Q4都截止，后轮电机停转， 小车停止运动。 注意：IOB。和IOB。不能同时置高电平，这样会造 成后轮驱动全桥短路现象。 2．方向电机控制电路 方向控制由前轮驱动实现，包括左转和右转，前轮 驱动电路也是一个全桥驱动电路，如图3所示：Q7、Q8、 Q9、Q10四个三极管组成四个桥臂，Q7和QIO组成一 组，Q8和09组成一组，Q1l控制Q8、Q9的导通与关 断，Q12控制Q7和QlO的导通与关断，而Q11、Q12由 IOBlo和IOB。。控制，这样就可以通过lOB。。和IOB，，控制 前轮电机的正转和反转，进而控制小车的左转和右转。 当lOBm为高电平、IOB，。为低电平时Q8和Q9导 通，Q7和Q10截止，前轮电机正转，小车前轮朝左偏 转；反之当lOB。。为低电平、IOB。。为高电平时Q8和Q9 截止，Q7和Q10导通，前轮电机反转，小车前轮朝右偏 转；而当IOBm、IOB。，同为低电平时Q8和Q9截止，Q7 和QlO也截止，前轮电机停转，在弹簧作用下前轮被拉 回到中间位置，保持直向。 圈3前轮电机驱动电路 注意：lOBm、IOB。。不能同时为高电平，这样会造成 前轮驱动全桥的桥臂短路。 图5行程测量电路 76 (三)电源电路 JlO是电源输入接口，6l板的内核sPEcE061A电 压要求为3．3v，而I／O端口的电压可以选择3．3v也可 以选择5V，在选择5v时就是用这个电路来提供电源 的。61板是用3节1．5伏干电池来供电的，约5V直流 电通过SPY0029(相当于一般3．3V三端稳压器)稳压 到3．3V。C33、C34、C35和C36为直流去耦滤波电容，二 极管D3、D4起防电源反插保护作用。电路图如图4。 图4电源电路 注意：SPY0029A最大输出电流为50mA，如果要外 接一些模组时要先考虑负载能力。 (四)行程测量电路 电路图如图5，运放构成基本比较器，可调电阻R 为其提供基准电压，运放同相端连红外接收二极管阳 极Q，发射管、接收管相向放置，红外接收管接收到红 外发射二极管D发出的红外光就导通，运放同相端电 位下降而小于反相端的电位，因此运放输出低电平 0V；当车轮转动遮挡住红外光，接收管Q就由导通转 为截止，输出高电平VCC。运放输出端UO与 SPECE061A板IO口相连，通过程序来实现相应的控 制。 (五)行程显示电路 ULN2003是反相驱动芯片，能提升电流驱动数码 管；Q1一Q7是PNP三极管，用来提升数码管的灌电流， 在这里用的是8550型PNP管，三极管的基极与61板 的IO口连接；其中R9一R15为上拉电阻。数码管的 comI—corn4端为位选端，”h端是数码管的字段。电路 图如图6。 (六)障碍识别电路 障碍识别采用红外发射接收对管，没有障碍物接 收管截止，运放同相端电位高于反向端电位而输出高 图6行程显示电路 熊晓倩，胡 璞： 语音控制型小车 武汉职业技术学院学报二0 0八年第七卷第一期一总第三十一期一 万方数据 电平；当有障 碍物时，红外 发射二极管发 出的红外光反 射回来，红外 接收管接收到 红外光而导 通，运放同相 端电位下降， 运放输出低电 图7行程测量电路 平，uo与SPECE061A板IO口相∥1 连，再通过程序进行相应控制。 ： 具体的避障结构图如图7：在 车体的四个角上面各安装一个外传 感器前方的传感器A识别到了悬； 崖障碍时，小车就开始倒车，然后则 右拐前进，如果前进中又遇到障碍，． 小车又以同样的方法来避开障碍，’ 只到小车走开障碍为止。其它的几， 个角避障也是同样的方法。 、 i 二、软件设计及 ： (一)行程显示 ； 行程显示要经过以下几个小的tu 部分：10口初始化(流程图8)、行程⋯ 数据的输入和处理(流程图9)、位 的切换和行程数据的输出(流程图10)。 1．IO口初始化 ’ 图8 要使单片机在运行时能正常的进行输入和输出，在程序的开 始，先得要对的IO口进行初始化。初始化的过程如图8。、 2．行程数据的输入和处理 程序流程图如图9。 图中的uiGe是表示所计数的个位；UiShi是表示所计数的十 位；UiBai表示所计数的百位；UiQian表示所计数的千位；在这里 由硬件把计数脉冲送到外部中断，每来一个中断位uiGe就加一 个数；若个位上数等于十那么就向十位UiShi进一个数；若十位上 的数等于十就向百位UiBai上进一个数；若百位上的数等于十就 向千位UiQian进一个数；若干位上的数等于则认为计数到了最 大值，这时则将所有位的数据复位，而从新开始计数。要是以上的 各种情况中位数不等于十则就往下执行，直到中断返回、而完成 一次数据的和处理。 3．位的切换和行程数据的输出 由于这里我们用的是动态显示电路，所以所有位的数据都是 由一组段码输出的，故而在输出不同段端同时要通过控制不同的 位端的来显示出不同位的数字。流程图如图10。 (二)语音控制 1．语音训练 语音的识别前提是语音训练，所以程序流程的开始部分进行 的是语音训练。在这个开始部分包括训练小车的名字、前进命令、 倒车命令、左拐命令等。在训练语音时如果某条命令小车没有训 练成功时，它会自动的提示请求再次训练，如图11的左边部分。 2．语音识别 77 工程技术 EngineenngTechnology 图9 图1O 熊晓倩。胡 璞： 语音控制型小车 武汉职业技术学院学报二0 0八年第七卷第一期一总第三十一期一 万方数据 工程技术 EngineeringTechnology 图11 当语音训练完成之后接下来将会播出一句训练完 毕的语音提示，这时我们便可以开始进行语音识别了。 所以再后面就是人来喊命令让小车来识别了，一当小 车识别出了所喊的命令，小车便会执行对应动作，在执 行这个动作时，若有新的命令发出时，小车则会停止当 前的这个动作而响应新的命令去执行新的动作。如果 所喊的语音小车没有识别出来时，小车则会认为什么 也没识别到，而什么也不做，具体的流程如图11的右 边部分。 四、总结 1、本小车的语音功能实现了人和机器的直接对 话，这个功能使从手动控制机器到“嘴动”控制机器(有 一个最大的缺点是：它不可以用在高噪声的地方工 作)，是一种高自动化的表现。 2、该小车避障的方法可用于高层建设时工作在高 层的机器之上，对保护工作人员的安全有着重要的意 义。 参考文献： [1]罗亚非．凌阳16&单片机应用基础[M]．北京：北京航空 航天大学出版社，2003． [2]魏汉勇．模拟电子技术基础[M]．武汉：华中科技大学出 版社．2002． [3]姚四改．Protel99SE电子线路设计教程[M]．上海：上海 交通大学出版社，2005． [4]马忠梅．单片机的C语言应用程序设计[M]．北京：北京航 空航天大学出版社，1997． [5]黄洁．数字电子技术基础[M]．武汉：华中科技大学出版 社．2005． ExplorationonVoice-controlledCompactCars 【责任编辑：刘骋】 XIONGXiao—qian，HUPu (SchoolofElectronicsandCommunicationsEngineering，WuhanInstituteofTechnology，Wuhan430074，China) Abstract：Thepaperexaminesavoice-eontroHedcompactcal')whichmainlyrelyon16BitsSingleChip ProcessorSPCE061Atoconducttestandcontr01．Thevoicerecognitionandinfrareddetectiontechnologyarealso appliedinthedesigntofulfillvariousfunctionslikevoicecontrol，voicebroadcast，automaticcliffavoidance，real-time drivedistancemeasurement，real-timedrivedistancedisplay．ThisHewdesignisespeciallysuitableforLingyang61 andminicars．ItintegratesresourcesofSPCE061A，aUowingtheCartopracticallyrecognize’soundslikehumane％ perceiveandavoidbarriersautomaticallylikehumaneyesandresponseinvoice． Keywords：voicecontrol；chipprocessor；infraredsensor；dynamicscanning 78 熊晓衍，胡 璞： 语音控制型小车 武汉职业技术学院学报二O O八年第七卷第一期一总第三十一期一 万方数据 语音控制型小车 作者： 熊晓倩， 胡璞， XIONG Xiao-qian， HU Pu 作者单位： 武汉职业技术学院,电子信息工程学院,湖北,武汉,430074 刊名： 武汉职业技术学院学报 英文刊名： JOURNAL OF WUHAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2008，7(1) 被引用次数： 0次 参考文献(5条) 1.罗亚非 凌阳16位单片机应用基础 2003 2.魏汉勇 模拟电子技术基础 2002 3.姚四改 Protel 99 SE电子线路设计教程 2005 4.马忠梅 单片机的C语言应用程序设计 1997 5.黄洁 数字电子技术基础 2005 相似文献(10条) 1.期刊 陈秀华.赵悦.唐毅谦.Chen Xiuhua.Zhao Yue.Tang Yiqian 基于SPCE061A单片机的语音控制机器人的 设计 -中国水运（学术版）2007,7(8) 利用凌阳16位单片机的特性,根据语音识别的基本原理,设计了一种语音控制机器人,利用C语言和汇编语言进行系统软件编程,最终完成了可以通过对 语音的识别,自动完成向前走、倒退、左转、右转、跳舞、向左瞄准、向右瞄准、发射、连续发射等功能的智能机器人的设计. 2.期刊论文 谢辉程 基于凌阳SPCE061A的语音控制小车设计 -科技经济市场2007,""(12) 语音控制技术是目前广泛应用和研究的重要技术,对人机交互的智能系统具有重要价值,本文介绍一种智能小车控制系统的设计,该方案以 SPCE061A单片机为基础,实现对智能小车的语音控制.经反复试验,结果表明语音识别准确率高,控制效果好. 3.期刊论文 刘冬.朱莉佳.许斌 基于SPCE061A单片机无线语音控制的智能玩具车硬件设计 -中国教育技术装备 2009,""(27) 介绍一种无线语音控制的智能玩具车系统的硬件设计.该系统以SPCE061A单片机为检测和控制核心,对语音信号进行实时检测、处理和识别,井通过无 线语音输入模块实现对玩具车的无线语音控制,通过红外光电传感器实现自动避障.反复试验表明,本系统语音信号识别准确率高,控制效果好,性能稳定. 4.期刊论文 瞿少成.艾宁.赵桥.Qu Shaocheng.Ai Ning.Zhao Qiao 基于SPCE061A单片机的无线语音控制智能小车 的研制 -电子测量技术2008,31(12) 本文介绍了一种无线语音通信控制的智能小车的研制过程,给出了智能小车控制系统的硬件和软件设计.以SPCE061A单片机作为控制核心,使用无线语 音传输方式采集语音信号,实现语音的实时检测与特定人声音的智能识别;通过红外光电传感器GY10-W3-3E1检测障碍物,实现了自动避障.实验结果表明 ,该系统实现了无线语音控制与系统智能避障,且功耗低,性能稳定,具有较强的推广价值. 5.学位论文 刘宇 语音控制激光扫描系统的研究与开发 2005 语音识别技术是随着计算机的出现而逐步发展起来的新兴交叉学科，它的研究和发展使人和机器的交流变得更自然、更方便、更灵活。因此，语音 识别技术已经得到了广泛的应用，具有语音识别功能的产品也越来越多。目前，语音识别技术已经在电话语音识别系统、智能家居语音控制系统、智能 玩具、手机、语音交互教学系统、智能语音机器人、多语言信息查询、语音控制系统及汽车中得到了很好的应用，取得了令人满意的效果，开发前景十 分广阔。 本系统总的设计思想是研究实现一个语音识别的应用实例，本系统将所识别的内容最终由激光扫描出来，也就是将所识别出来的英文字母扫描出来 。为此，就要求当用户用麦克风输入英文字母时，计算机能利用软件进行识别，并将所识别出的字母的ASCII码通过串行通信输送给单片机，而单片机接 到指令后就利用软件来驱动步进电机并带动负载平面镜偏转，从而利用激光器扫描出相应的字母。 SpeechSDK软件开发工具包、单片机及步进电机技术为语音控制激光扫描系统的开发提供了软件和硬件支持。本文通过对语音识别技术的学习研究 ，利用微软的SpeechSDK软件包开发了上位机也就是PC机中语音识别的程序，利用C51单片机开发了下位机中接受PC指令并且激光扫描相应字母的功能。 本系统通过软件和硬件的设计，努力寻求最佳方案，其最大特点就是将声、光、机、电有机地结合起来，结构简单，操作方便，经济实用，在较安 静的环境下可实现较高的识别正确率，扫描出的英文字母轮廓清晰，线条流畅。 以本系统为基础，可以开发出应用范围更广、使用价值更高的产品。 6.期刊论文 冯平.张治中.FENG Ping.ZHANG Zhi-zhong 多功能语音控制小车的设计与实现 -数字通信2009,36(1) 重点讨论其基本功能部分.采用凌阳公司的SPCE061A16位单片机作为语音控制小车的检测和控制核心,配合SPCE061A的语音特色,利用系统的语音播放 和语音识别资源,通过控制b'O接口电路传输控制信息,最终实现多功能语音控制小车的基本功能.经反复试验,结果表明语音识别准确率高,控制效果良好. 7.期刊论文 孙兵.SUN Bing 基于单片机的机械手声控系统设计 -机械工程与自动化2007,""(6) 通过对热处理加工中气动机械手装置结构与功能的分析,提出了一种基于单片机的机械手语音控制方案,介绍了语音控制的工作原理,并详细论述了语 音控制系统的硬件和软件设计方法. 8.期刊论文 闫红庆.梁景洲 基于PIC单片机的电源采样及线路控制系统设计 -中国科技财富2010,""(14) 本文介绍了一种采用PIC18系列单片机控制,带语音提示的电源线路控制系统,阐述了使用PIC18F6720芯片实现电源电压和频率信号采样、电源线路切 换、操作语音提示等功能的具体方法. 9.期刊论文 车爱静.文环明.张艳 基于凌阳SPCE061A单片机的语音控制系统 -电脑开发与应用2006,19(10) 语音控制技术是目前广泛应用和研究的重要技术,对人机交互的智能系统具有重要价值,利用凌阳16位单片机的特性,根据语音识别的基本原理,设计 了一种语音控制系统,经反复试验,证明语音识别准确率高,控制效果好.另有一优点:只有经过训练的特定训练人发出语音命令,系统才响应,因而保密性高 . 10.会议论文 陆延丰.陈周鹏 基于16位单片机M16C的语音控制器开发平台 2001 本文给出了一个嵌入式语音控制器的开发平台,它适用于特定人、孤立词、小词表的语音识别.识别算法在16位单片机M16C上用定点运算实现.此平台 可用于电话声控拔号、语音控制设备和智能玩具等的开发.文中描述了语音控制器平台的软件和硬件构成,说明了针对特定人的语音识别算法,并给出了试 验系统的测试结果. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_whzyjsxyxb200801020.aspx 授权使用：洛阳工学院（河南科技大学）(wflskd)，授权号：8f444339-c6b4-42e8-b90c-9e0c01469fe5 下载时间：2010年10月11日