應捷　韓旭

摘要摘要：為了使四旋翼無人機更加智能，控制更加簡便，需設計新的控制方式。語音識別技術(shù)發(fā)展日趨成熟，在信息處理和自動化等領域應用相當廣泛。通過在Android設備上傳入語音命令操控四旋翼無人機，調(diào)整飛行姿態(tài)、速度、方向，解放了人的雙手，實現(xiàn)了語音控制無人機飛行。不同環(huán)境下的測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能良好。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：四旋翼無人機；Android；語音控制；語音識別技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.162849

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）005005403

0引言

無人機是一種機內(nèi)無人駕駛的飛行器，具有動力裝置和傳感器等模塊，在一定范圍內(nèi)靠無線電遙控設備或由內(nèi)置程序自主控制飛行，自出現(xiàn)以來就受到發(fā)燒友的熱烈追捧，相關(guān)研究進展迅速[1]。Android設備在移動終端市場占有率較高，為使無人機控制方式更加簡便、智能化，本文在Android平臺設計了語音控制四旋翼無人機系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設計

通過語音識別控制無人機的設計由硬件設計和軟件設計兩部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)由動力部分、姿態(tài)感知、控制部分、WiFi模塊、氣壓感知裝置5大部分組成[2]；軟件部分基于萬維網(wǎng)聯(lián)盟的語音識別語法規(guī)范1.0標準（簡稱SRGS1.0），采用ABNF格式的文檔完成語音識別，識別結(jié)果經(jīng)軟件處理，匹配生成相應的控制指令，通過手機WiFi功能發(fā)送到無人機端。無人機端通過TICC3200 WiFi模塊接收控制命令，在STM32F3的控制下驅(qū)動電機完成用戶的相應命令?？刂破鞲鶕?jù)控制命令以及由傳感器組感知的無人機實時狀態(tài)數(shù)據(jù)（飛行姿態(tài)、高度、方向等），經(jīng)過姿態(tài)融合算法和控制算法運算后調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)按照人的語音控制命令來控制無人機[36]。圖1為系統(tǒng)設計原理。

2硬件設計

2.1飛控硬件模塊

本設計選用市場上常用的F450四軸機架作無人機機架，選用SP Racing F3 飛控板作無人機控制器，負責檢測無人機姿態(tài)和加速度，控制無人機各項電機的轉(zhuǎn)速，從而控制無人機姿態(tài)和運動方向、控制WiFi模塊（或GSM模塊或藍牙模塊）進行通信工作。SP Racing F3 飛控板以STM32F3處理器為核心，集成氣壓計、陀螺儀、加速度計、地磁計，可加GPS、LED燈帶、聲納等配件，使定高、定點、翻滾等飛行姿態(tài)的開發(fā)工作變得十分簡便[34]。圖2為飛控主控制器系統(tǒng)電路。

2.2無線傳輸模塊

無人機通信模塊可選擇WiFi模塊、GSM模塊和藍牙模塊作為通信模塊，與Android終端通信。GSM模塊通信范圍廣，不管Android設備在哪都能進行遠程控制；如果要異地控制，可選用GSM模塊，但通信速率偏低；藍牙模塊成本低，功耗低，但通信范圍有限，不適合本使用場景；考慮到傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)吞吐量大，且?guī)装倜淄ㄐ欧秶銐蚴褂?，而WiFi模塊通信速率高，所以選用WiFi模塊。本系統(tǒng)采用TI CC3300WiFi模塊，此模塊功耗極低，尺寸超小，高速UART波特率可達到3M bps。

2.3語音識別端

語音識別方案有很多，如LE3320模塊、ISD系列芯片以及PM系列芯片，雖然都具有語音識別功能，但是使用較繁瑣，除此之外PC和手機端的Microsoft系統(tǒng)集成語音識別功能雖然也可應用于本系統(tǒng)，但調(diào)試后發(fā)現(xiàn)效果不佳。相比之下安卓手機作為語音識別硬件，使用更方便，開源資料更豐富，識別效果更好，省去了繁瑣的語音訓練過程，更加符合本系統(tǒng)設計。圖3為硬件設計框架。

3軟件設計

語音控制系統(tǒng)算法如DTW、HMM等都很成熟，主要采用單片機或DSP加上語音識別算法實現(xiàn)語音控制，這種控制方式通過內(nèi)部算法簡化了外部電路，同時語音識別精度也較高。但要求處理器具有較強的運算分析能力，而且需要足夠大的外擴存儲空間。

本系統(tǒng)軟件設計由兩部分組成，分別是STM32處理器程序和Android應用程序。STM32處理器程序是在Keil IDE開發(fā)環(huán)境下用C語言編寫，運行在STM32主控制芯片中。STM32處理器代碼還包括控制器與外設通信的代碼編寫。Android應用程序在eclipse+ADT環(huán)境下用JAVA語言開發(fā)，編譯生成的APK文件運行在安卓手機平臺[56]。

Android手機由WiFi模塊實現(xiàn)和無人機通信并對其控制。首先，Android應用程序向無人機發(fā)送配對請求及配對密碼，STM32通過WiFi收到配對請求并判斷密碼與預設值相同后，STM32對此請求應答，Android應用程序收到應答后停止發(fā)送配對請求，至此配對過程結(jié)束。配對完成后，STM32周期性地將無人機傳感器的實時數(shù)據(jù)發(fā)送給Android應用程序，Android應用程序監(jiān)測WiFi信號并接收實時數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)更新應用程序顯示無人機狀態(tài)。應用程序監(jiān)測WiFi信號的同時監(jiān)測語音信號，若識別出語音控制命令（包括開啟、關(guān)閉、前進、后退、向左飛行、向右飛行、升高、下降），立即將控制命令發(fā)送至無人機。STM32收到控制命令后即根據(jù)控制命令做出相應動作。

3.1SRGS1.0規(guī)范

SRGS1.0規(guī)范等同于某些編程語言的正則表達式，它定義了一個句子的集合。解碼器將根據(jù)文法生成的集合，對語音輸入的句子進行兩個部分的搜索，分別是文檔的頭部和文檔正文，文檔頭部必須出現(xiàn)在開頭部分，指定文檔版本號，與編譯工具對應[7]。一個典型的頭部示例如下：

#ABNF 1.0 UTF-8

Mode SMS；Meta；

#include；Mount “name”；

Root main；

#ABNF HEAD-END

3.2Android端應用程序設計

Android應用程序中監(jiān)聽語音命令方案：編寫基于萬維網(wǎng)聯(lián)盟的語音識別語法規(guī)范1.0標準（簡稱SRGS1.0），采用ABNF格式文檔，經(jīng)編譯工具處理生成匹配網(wǎng)絡。網(wǎng)絡作為匹配引擎輸入，可由匹配引擎對用戶語音輸入進行匹配，啟動手機內(nèi)置WiFi與外部WiFi模塊連接實現(xiàn)通信[8]。下面是安卓端語音轉(zhuǎn)換成指令的部分程序：

ArrayList results = data.getStringArrayListExtra（RecognizerIntent.EXTRA_RESULTS）； for（int i=0；i<1；i++）{

strRet +=results.get（i）；

if（strRet.length（）>0） {

if（strRet.equals（"向前"））{

strRet="1"；

}

3.3STM32處理器端程序設計

無人機端程序一方面將飛控搭載的傳感器模塊數(shù)據(jù)發(fā)送給安卓手機端，另一方面通過TICC3300模塊接收安卓平臺匹配后發(fā)來的飛行控制指令，將指令轉(zhuǎn)化為PWM定時器，生成飛控可識別的控制指令，發(fā)送給飛行器執(zhí)行模塊，執(zhí)行偏轉(zhuǎn)舵面或改變螺旋槳轉(zhuǎn)速或改變槳距，達到預期的飛行狀態(tài)。程序運行中還包括各個模塊的初始化及通信[910]。下面是STM32PWM控制舵機的部分程序：

Void IO_int（VOID）

{

RCC->APB2ENR|=1<<0；

RCC->APB2ENR|=1<<2；

RCC->APB2ENR|=1<<3；

GPIOC->CRL=0X88888888；

GPIO->CRH=0X33333333；

GPIOC->ODR=OXFFFF；

}

4實驗結(jié)果

隨機分配3人在同一天的不同時間點進行室外試飛，對無人機進行語音控制，在不同環(huán)境下測試控制精度，得到數(shù)據(jù)如表1、表2所示（表中0表示起，1表示降，2表示向左，3表示向右，4表示懸停）。

在相對嘈雜建筑物密集的市區(qū)會影響到WiFi信號的傳輸以及語音信號的接收。由于WiFi信號主要采用微波頻段，微波在遇到障礙物時穿透力不強，因此會影響語音信號的傳輸，嘈雜的室外環(huán)境也會影響語音輸入的精度。測試結(jié)果顯示成功率達到84%，圖4為實物。

5結(jié)語

目前，絕大部分無人機采用手動操作遙控方式，購買無人機時還要另購一個航模遙控器（價格幾百元不

等），本文采用基于Android設備的語音控制方式大大簡化了操作，只需用語言傳達操控命令，通過手機端直接與無人機交互，節(jié)省了成本，使得無人機更加智能。

圖4四旋翼無人機

嵌入式語音控制系統(tǒng)主要采用內(nèi)嵌語音芯片方案，即在處理器外圍電路焊接語音芯片，語音芯片采集語音數(shù)據(jù)，經(jīng)處理器讀取和分析后得到相關(guān)信息，開發(fā)難度高、工作繁瑣。本文利用基于Android設備的語音識別技術(shù)去控制系統(tǒng)，大大簡化了開發(fā)過程，省去了嵌入式很多不必要的重復性工作。

參考文獻參考文獻：

[1]潘海珠.四旋翼無人機自適應導航控制[J].計算機仿真，2012，29（5） ：98102.

[2]周建軍，陳趨，崔麥金.無人直升機的發(fā)展及其軍事應用[J].航空科學技術(shù)，2003（1）：3840.

[3]華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4]莫力.Protel電路設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.

[5]Speech recognition grammar specification version 1.0，W3C recommendation 16 March 2004[EB/OL].https：//www.w3.org/TR/speechgrammar/.

[6]張稀，土德銀，張晨.MSP430系列單片機實用C語言程序設計[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[7]D CROCKER ED.Augmented BNF for syntax specifications：ABNF，network working group[EB/OL].http：//www.ietf.org/rfc/rfc2234.txt.pdf.

[8]李剛.瘋狂Android講義[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[9]譚浩強.C程序設計[M].北京：清華大學出版社，1999.

[10]STM32F303xB STM32F303xC datasheet，STMicroelectronics[EB/OL].http：//www.ic37.com/STMICROELECTRONICS/STM32F303VCT6_datasheet_12732065/.

責任編輯（責任編輯：杜能鋼）