謝杰騰　顏曉文

摘 要：隨著Android終端的發(fā)展，為了讓機(jī)器人的控制更加方便和人性化，提出以Android終端為研究重點(diǎn)，應(yīng)用藍(lán)牙通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)安卓手機(jī)無(wú)線控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方案。首先，利用Google開(kāi)源的語(yǔ)音識(shí)別平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)器人控制軟件語(yǔ)音識(shí)別部分。其次，機(jī)器人的控制系統(tǒng)是用Ardunio控制板來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的舵機(jī)，為了控制機(jī)器人的多個(gè)關(guān)節(jié)，將Arduino控制板和32路舵機(jī)控制板結(jié)合起來(lái)，這樣能控制更多的舵機(jī)從而達(dá)到對(duì)機(jī)器人的雙臂和雙足的控制。最后，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安卓手機(jī)和Arduino控制板之間的藍(lán)牙配對(duì)連接。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人地實(shí)時(shí)控制。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人控制；Arduino ；Android ；語(yǔ)音識(shí)別 ；藍(lán)牙

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）03-00-02

0 引 言

能夠用語(yǔ)音與機(jī)器進(jìn)行交流，讓機(jī)器明白你說(shuō)什么，這是人們長(zhǎng)期以來(lái)夢(mèng)寐以求的事情。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，這使人類的這個(gè)理想逐漸得以實(shí)現(xiàn)。本文以Android智能機(jī)和Arduino開(kāi)發(fā)板為實(shí)現(xiàn)工具，結(jié)合家用仿人機(jī)器人平臺(tái)，搭建好完整的語(yǔ)音識(shí)別控制系統(tǒng)，用戶利用安卓手機(jī)提供的麥克風(fēng)語(yǔ)音命令，輸入語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)處理、識(shí)別，得出結(jié)果作用于服務(wù)機(jī)器人的行動(dòng)動(dòng)作，從而提供一種高效的、穩(wěn)定的、實(shí)用性強(qiáng)的、高識(shí)別率的語(yǔ)音控制服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文介紹的語(yǔ)音控制機(jī)器人服務(wù)系統(tǒng)包括安卓智能手機(jī)、Arduino主控制板、32路伺服舵機(jī)控制板以及機(jī)械系統(tǒng)四大部分組成。其中安卓手機(jī)不但充當(dāng)采集語(yǔ)音信號(hào)的作用和將采集完的的語(yǔ)音信號(hào)發(fā)送到谷歌語(yǔ)音云平臺(tái)進(jìn)行識(shí)別，并將識(shí)別的語(yǔ)音結(jié)果返回，而且還充當(dāng)發(fā)送控制標(biāo)志位的角色。對(duì)于機(jī)器人的控制界面是運(yùn)行在安卓操作系統(tǒng)上的應(yīng)用程序，該程序是利用eclipse和安卓插件搭建的平臺(tái)而開(kāi)發(fā)出來(lái)的，通過(guò)在安卓操作系統(tǒng)的手機(jī)運(yùn)行調(diào)試應(yīng)用程序，直到達(dá)到滿意的效果?？傮w框架圖如圖1所示。

2 分析及設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件控制部分由Arduino Mega2560和奧松公司的32路伺服電機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器臂的控制。通過(guò)Arduino控制板外接外部傳感器可以檢測(cè)外部的環(huán)境參數(shù)，另外，為了實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙的通信，利用Arduino控制板的串口外接RB Bluetooth Transceive藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊，利用該模塊可以將藍(lán)牙信號(hào)轉(zhuǎn)換成串口信號(hào)。軟件控終端用的是三星手機(jī)GTi8150，該手機(jī)的操作系統(tǒng)是Android 2.3版本。

圖1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)的通信部分涉及到三部分：第一處是安卓手機(jī)通過(guò)GPRS信號(hào)和谷歌云平臺(tái)的通信，該通信遵守GPRS通信的協(xié)議。第二處是安卓手機(jī)和控制板之間的通信，此處利用的是藍(lán)牙模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)二者之間的無(wú)線通信，這里主要是從手機(jī)發(fā)送機(jī)器人的動(dòng)作控制標(biāo)志位給主控制板。第三處則是舵機(jī)控制板和主控板之間通過(guò)串口的通信，其通信遵守串口的通信協(xié)議，這里主要是主控板將機(jī)器人的動(dòng)作指令根據(jù)觸發(fā)的控制標(biāo)志位來(lái)發(fā)送給舵機(jī)控制板指令。

本系統(tǒng)的舵機(jī)控制板主要負(fù)責(zé)給各個(gè)舵機(jī)提供電源和解析發(fā)送過(guò)來(lái)的動(dòng)作指令來(lái)控制舵機(jī)的目的。因?yàn)闄C(jī)器人的動(dòng)作指令是根據(jù)舵機(jī)控制板的軟件生成的，生成指令是通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口將PC和舵機(jī)控制板連接，而舵機(jī)則跟舵機(jī)控制板連接，當(dāng)連接成功后，就可以通過(guò)軟件控制和調(diào)節(jié)各個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。同時(shí)要注意動(dòng)作完成時(shí)間參數(shù)的調(diào)節(jié)，這個(gè)影響到舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。調(diào)節(jié)逐個(gè)舵機(jī)來(lái)對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作步調(diào)來(lái)進(jìn)行規(guī)劃，規(guī)劃完成則保存相應(yīng)的指令，并編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)該arduino主控板的控制。所以這里舵機(jī)控制板能夠根據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)的動(dòng)作指令來(lái)控制機(jī)器人的動(dòng)作。

2.2 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括兩部分，一部分是安卓系統(tǒng)上的控制程序的設(shè)計(jì)，包括語(yǔ)音識(shí)別的控制和手動(dòng)按鍵的控制，另外一部分是Arduino控制板中程序的設(shè)計(jì)。

安卓系統(tǒng)端軟件的設(shè)計(jì)主要是利用手機(jī)的麥克風(fēng)功能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的輸入，并且通過(guò)谷歌的語(yǔ)音引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入語(yǔ)音的識(shí)別，該系統(tǒng)軟件語(yǔ)音識(shí)別部分流程如圖2所示。

當(dāng)換成手動(dòng)輸入時(shí)，直接根據(jù)相應(yīng)的按鍵發(fā)送相應(yīng)的觸發(fā)標(biāo)志到Arduino控制板。本系統(tǒng)的特色主要是實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的控制。

Arduino控制板端的程序主要是根據(jù)手機(jī)端發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)來(lái)發(fā)送相應(yīng)的指令給舵機(jī)控制板來(lái)控制機(jī)器臂，其Arduino控制端程序流程圖如圖3所示。

圖2 語(yǔ)音識(shí)別編程流程圖 圖3 Arduino控制端程序流程圖

手機(jī)端控制系統(tǒng)是基于Android 2.1系統(tǒng)所編寫(xiě)的，所用開(kāi)發(fā)工具為Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，Eclipse是著名的跨平臺(tái)的自由集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）。最初主要用來(lái)Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，但是目前亦有人通過(guò)插件使其作為其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言比如C++、Python和Android的開(kāi)發(fā)工具，在此開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)軟件非常的方便。設(shè)計(jì)本系統(tǒng)手機(jī)端軟件的程序界面，為了盡快實(shí)現(xiàn)程序的功能，本程序沒(méi)有對(duì)軟件界面設(shè)計(jì)做特別美化的設(shè)計(jì)，僅包含我們所用到的幾個(gè)按鈕和圖形顯示，以實(shí)現(xiàn)我們的功能為最大目標(biāo)，設(shè)計(jì)手機(jī)端控制界面如圖4所示。

3 測(cè)試與試驗(yàn)分析

該系統(tǒng)組裝并調(diào)試，測(cè)試該系統(tǒng)，控制的機(jī)器人如圖5所示，通過(guò)安卓手機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)觸擊按鍵或者語(yǔ)音的輸入來(lái)對(duì)每組命令進(jìn)行循環(huán)測(cè)試?？梢暂斎氲恼Z(yǔ)音命令有前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、擁抱、敬禮、叉腰、招手等動(dòng)作。

具體測(cè)試步驟：

連接好線路，打開(kāi)電源，觀察知識(shí)點(diǎn)正常亮起，觸擊控制界面的藍(lán)牙連接按鈕，觀察指示燈，以確保手機(jī)藍(lán)牙和Arduino開(kāi)發(fā)板的配對(duì)連接成功。否則，得檢查系統(tǒng)的連接是否正確。

圖4 手機(jī)端控制界面 圖5 機(jī)器人

藍(lán)牙配對(duì)連接成功后，先測(cè)試手動(dòng)操作是否成功，分別觸擊前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止按鈕，觀測(cè)機(jī)器人是否根據(jù)對(duì)應(yīng)的指令做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。循環(huán)測(cè)試多次，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

測(cè)試完手動(dòng)操作按鈕之后，接下來(lái)測(cè)試語(yǔ)音控制的輸入，觸擊語(yǔ)音輸入控制按鈕，會(huì)出來(lái)一個(gè)虛擬的麥克風(fēng)，對(duì)著手機(jī)話筒說(shuō)出前進(jìn)，后退等控制命令，觀測(cè)機(jī)器人是否能夠根據(jù)你的語(yǔ)音來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。循環(huán)測(cè)試多次，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

最后試驗(yàn)分析，該控制程序能夠穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)都機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制，達(dá)到了預(yù)訂的目標(biāo)和效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)基于Android系統(tǒng)手機(jī)和Arduino控制板的機(jī)器人控制系統(tǒng)，通過(guò)接收人的語(yǔ)音或者按鍵來(lái)操作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用安卓智能手機(jī)來(lái)進(jìn)行語(yǔ)音的處理和谷歌云平臺(tái)對(duì)語(yǔ)音的識(shí)別，利用藍(lán)牙來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信，舵機(jī)控制板軟件規(guī)劃出機(jī)器人的各種動(dòng)作并且生成的動(dòng)作指令，最后由控制板來(lái)實(shí)現(xiàn)完成該相應(yīng)的動(dòng)作。利用了藍(lán)牙無(wú)線通信，擺脫有線困擾，使得系統(tǒng)有廣泛的適用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1] 田澤.嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用教程[M].北京： 北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2] 李全利.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京： 高等教育出版社，2009.

[3]蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（16）：155-157.

[4] 崔才豪，張玉華，楊樹(shù)財(cái). 用Arduino 控制板的光引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)小車設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化儀表，2011（9）：29-32.

[5] 何彪，周開(kāi)班. 基于NFC 技術(shù)的藍(lán)牙對(duì)象交換方法[J]. 微計(jì)算機(jī)信息， 2009（6） ：133-134.