黃賢

摘 要：設(shè)計一種具有語音識別和自動跟蹤語音功能的玩具機器人，采用凌陽十六位單片機SPCE061A作為主控芯片，外接麥克，通過外圍電路采集聲音信號實現(xiàn)語音識別和語音定位，在語音命令識別成功之后控制玩具機器人做相應(yīng)的動作。該控制系統(tǒng)功能完備，能夠滿足玩具機器人系統(tǒng)的控制要求。

關(guān)鍵詞：玩具機器人 語音識別 語音定位

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1674-098X（2016）09（b）-0082-02

隨著人們物質(zhì)文化生活水平的提高，人們的消費水平越來越高。目前兒童玩具特別是智能玩具擁有一個很大的市場。智能玩具不僅能夠滿足兒童的好奇心、加強孩子和玩具的互動，而且可以激發(fā)兒童的求知欲[1]。智能玩具將計算機、電子、通訊等領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)融合為一體，突破了傳統(tǒng)玩具的局限性，賦予玩具“聽”“說”功能，與人進(jìn)行互動，寓知于樂，可使兒童在愉悅中學(xué)習(xí)、體會生活，真正達(dá)到寓教于樂的目的[2，3]。

1 總體設(shè)計方案

采用凌陽十六位單片機SPCE061A作為主控芯片，外接麥克到SPCE061A的聲音輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，由單片機實現(xiàn)語音識別和聲音定位，再利用SPCE061A的IO端口控制三級管的導(dǎo)通和關(guān)斷，進(jìn)而控制機器人的腿部、頭部和飛碟電機，實現(xiàn)對機器人的動作控制，系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。

語音識別語音信號輸入：語音信號由該模塊進(jìn)入單片機后進(jìn)行語音識別處理。聲音定位信號輸入：聲音定位的語音信號經(jīng)過轉(zhuǎn)化，將模擬的聲音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字的高低電平，由I/O端口輸入到SPCE061A。鍵盤輸入控制：用于選擇語音識別和聲音定位模塊，在語音識別模塊下用于重新訓(xùn)練語音控制命令的按鍵。設(shè)有3個按鍵：KEY1-上電復(fù)位后用于選擇語音識別模塊；KEY2-上電復(fù)位后用于選擇聲音定位模塊；KEY3-運行語音識別模塊中用于選擇重新訓(xùn)練語音控制命令。機器人控制：SPCE061A通過基本I/O口控制機器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和發(fā)射等。語音播放：在語音識別和聲音定位中加入了語音播放，用來提示說話者訓(xùn)練語音控制命令、辨識后的應(yīng)答和定位后的播放音源方位等。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 語音識別

該設(shè)計采用特定人識別方式，即語音樣板由單個人訓(xùn)練，對訓(xùn)練人的語音命令識別準(zhǔn)確率較高，而其他人的語音命令識別準(zhǔn)確率較低或不識別[4]。識別電路如圖2所示，麥克選用駐極體電容話筒，話筒的偏壓由SPCE061A的VMIC管腳提供。

2.2 聲音定位

由3個麥克組成聲音定位的前端信號接收電路，3個麥克擺放成7 cm的等邊三角形接收聲音信號，每路麥克都經(jīng)過相同的放大和整形將模擬的聲音信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字高低電平輸入到SPCE061A，在SPCE061A內(nèi)識別三路麥克輸入信號的相位差值，通過計算獲取音源所在的方位。圖3為單個聲音信號接收及調(diào)理電路，圖中R1、Q1形成一個恒流源，為麥克供應(yīng)電流，U1A、C1、R2、R3形成一個放大電路，其中C1濾掉信號中的低頻部分，R2/R3/U1A構(gòu)成一個負(fù)反饋放大回路；C2、R4、R5、U1B形成一個過零比較電路。

2.3 機器人的電機驅(qū)動及控制電路

當(dāng)單片機成功識別語音指令后，將對機器人的腿部、頭部和飛碟發(fā)射裝置進(jìn)行運動控制，主要是通過IO口的輸出實現(xiàn)對相應(yīng)電機的控制。

2.3.1 腿部電機控制

圖4為機器人的左腿電機M1的驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路采用4個三極管Q1-Q4作為驅(qū)動，提升流過電機的電流，2個三極管Q5-Q6控制電機正反轉(zhuǎn)。電機控制的端口接到了SPCE061A的IOB13和IOB14，只需要給IOB13高電平就可以控制其正轉(zhuǎn)，左腿前進(jìn)；給IOB14高電平就可以控制電機反轉(zhuǎn)，左腿后退。

右腿的電機驅(qū)動和控制電路與左腿的完全相同，其電機控制的端口接到了SPCE061A的IOB11和IOB12，只需要給IOB12高電平就可以控制其正轉(zhuǎn)，右腿前進(jìn)；給IOB11高電平就可以控制電機反轉(zhuǎn)，右腿后退。

2.3.2 頭部電機控制

用于頭部轉(zhuǎn)動的電機驅(qū)動控制電路和左右腿的相同，其電機控制的端口接到了SPCE061A的IOB9和IOB10，只需要給IOB9高電平就可以控制電機正轉(zhuǎn)，頭部轉(zhuǎn)向左方；給IOB10高電平就可以控制電機反轉(zhuǎn)，頭部轉(zhuǎn)向右方。

2.3.3 發(fā)射飛碟電機控制

為增加玩具機器人的趣味性和互動性，設(shè)計中增加了機器人發(fā)射飛碟的功能。采用兩個直流電機進(jìn)行控制，由SPCE061A的IOB8和IOB15控制電機M4和M5，分別控制帶動裝置和加速裝置，其中帶動彈簧裝置彈出飛碟，加速裝置帶動飛碟發(fā)射出來，驅(qū)動控制電路如圖5所示。

3 結(jié)語

基于SPCE061A單片機開發(fā)的玩具機器人控制系統(tǒng)，由3個麥克擺放成邊長為7 cm的等邊三角形，采集聲音信號并進(jìn)行語音識別，根據(jù)識別的語音實現(xiàn)對機器人的動作控制。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方案，既能實現(xiàn)智能控制，又增加了互動性，達(dá)到了玩具機器人寓教于樂的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 渠川鈺，劉修泉.基于STC89C52單片機的斗牛玩具機器人研制[J].機電工程技術(shù)，2011，40（7）：36-38.

[2] 楊宜民，李瑩.智能玩具研發(fā)動態(tài)及思考[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，21（3）：34-39.

[3] 馮勁梅，王慶明.采用單片機的直流電機無線遙控系統(tǒng)[J].機電工程，2010（12）：7-10.

[4] 張培堅.十六位單片微處理器原理及應(yīng)用（凌陽SPCE061A）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.