北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 范馨予 劉 紅 王 坤

基于SPCE061A的智能垃圾桶設(shè)計

北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 范馨予 劉 紅 王 坤

本設(shè)計提出了以SPCE061A單片機為控制核心，由語音識別、避障、聲源定位和自動控制部分構(gòu)成的智能垃圾桶。硬件主要部分由超聲波模塊、拾音器、驅(qū)動芯片和S90舵機構(gòu)成，軟件主要基于語音識別、聲源定位和避障算法完成各功能。本設(shè)計不僅能執(zhí)行基本前后左右的語音命令，還能根據(jù)用戶語音定位并來到用戶周圍，在傳統(tǒng)垃圾桶的便捷性和靈活性上實現(xiàn)了創(chuàng)新。

智能垃圾桶；語音識別；避障；聲源定位

1 引言

為了提高人們生活質(zhì)量，滿足人們對于智能生活的需求，智能家居產(chǎn)品逐漸發(fā)展起來。比如自動開閉的智能窗簾、根據(jù)用戶語音控制播放狀態(tài)的智能音箱和用手機控制的智能冰箱等。這些智能家居產(chǎn)品使人們生活更加便捷，工作更加高效[1]。隨著智能家居產(chǎn)品在日常生活中的滲透，人們對更多生活用品提出了智能化和人性化的要求，以改善其生活品質(zhì)。例如傳統(tǒng)的垃圾桶只能固定放置在一個位置，當(dāng)人們?nèi)永臅r候，需要走到垃圾桶前面。就此，本文提出了一種基于SPCE061A語音控制的智能垃圾桶設(shè)計方案。通過語音命令對垃圾桶進行控制，方便了用戶扔垃圾的行為，還增強了用戶和智能家居的互動。同時桶蓋的自動控制避免了垃圾桶桶內(nèi)垃圾和室內(nèi)空氣的長時間直接接觸，有效地控制垃圾桶內(nèi)細菌的散播，較傳統(tǒng)垃圾桶更具環(huán)保性。

本設(shè)計的創(chuàng)新性在于實現(xiàn)了用戶和垃圾桶之間的“溝通”，使傳統(tǒng)固定死板的垃圾桶變得靈活和人性化。在給用戶日常生活中扔垃圾行為帶來了便利的同時保證垃圾桶的清潔，還減少了室內(nèi)垃圾桶的總數(shù)量，使室內(nèi)更加簡約。

2 功能概述

（1）當(dāng)垃圾桶收到語音信號時先判斷是否是用戶給出的語音命令，接著判斷語音命令的具體內(nèi)容。語音命令共分兩種類型:一種是固定語音命令，例如前、后、左、右、打開和關(guān)閉，此時垃圾桶會根據(jù)匹配成功的特定語音命令做出相應(yīng)動作；另一種是用戶自定義的語音命令--垃圾桶在自定義命令匹配成功后會根據(jù)用戶的聲音進行定位并行進至用戶周圍，這個過程不需要用戶進行移動。

（2）垃圾桶在行進過程中會對前方障礙物進行距離測量。遇到障礙會繞開繼續(xù)行駛且調(diào)整行進方向，使其最終能到達聲源點。

（3）垃圾桶的桶蓋狀態(tài)默認為關(guān)閉狀態(tài)，只在到達用戶周圍后自動打開一段時間或是用戶給出打開語音命令后打開，實現(xiàn)了對垃圾的隔離。

3 設(shè)計方案及原理

本設(shè)計以SPCE061A單片機作為智能垃圾桶系統(tǒng)的控制核心，由語音識別、避障、聲源定位和自動控制四部分構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。語音識別部分由麥克風(fēng)和SPCE061A語音模塊構(gòu)成，避障部分由HC-SR04超聲波模塊構(gòu)成，聲源定位部分則由拾音器陣列構(gòu)成，自動控制部分則分別由SG90舵機、L298N芯片和電機、垃圾桶桶蓋等機械結(jié)構(gòu)組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 SPCE061A單片機

本設(shè)計使用的SPCE061A單片機外圍電路如圖2所示，在OSC0、OSC1端接上晶振及諧振電容，在鎖相環(huán)壓控振蕩器的阻容輸入VCP端接上相應(yīng)的電容電阻后即可工作。其它不用的電源端和地端接上0.1μF的去藕電容提高抗干擾能力。PB2作為EXTI2中斷源和超聲波模塊連接，PB4～PB7坐為普通IO口和L298N驅(qū)動芯片相連，PB9則為TIMERB的PWM輸出IO口給S90舵機輸入脈沖。

圖2 SPCE061A外圍電路

3.2 定位原理

本設(shè)計使用的聲源定位方法是基于拾音器陣列的時延法，該方法利用空間中某一點位置發(fā)出的聲音信號到達拾音器陣列中不同拾音器的時間差實現(xiàn)定位[2]。假設(shè)四個拾音器分別置于圖中A、B、C、O四個點的位置，對應(yīng)的坐標(biāo)分別為(a,0,0)、(0,b,0)、(0,0,c)、(0,0,0)。其中聲波的傳播速度為v，聲源的位置S(x,y,z)，A點接收到聲波和O點接收到聲波的時間差為，B點接收到聲波和O點接收到聲波的時間差為，C點接收到聲波和O點接收到聲波的時間差為。由直角三角形的三邊關(guān)系可得函數(shù)方程組：

可聯(lián)立求解得x,y,z,但求解步驟復(fù)雜。為方便計算，在和的情況下，可以忽略z，轉(zhuǎn)化到的二維平面求解[3]，簡化方程組如下。設(shè)聲源到O點的距離和OB連線夾角為α，S到O的直線距離為l。

進而求得x，y的值。

在實際生活應(yīng)用場景中，聲源的高度決定于用戶發(fā)出語音命令時的高度，且垃圾桶此時一定在用戶輕松投擲垃圾的范圍之外，聲源高度遠小于用戶和垃圾桶的距離。因此，本設(shè)計使用忽略z軸的二維平面定位法進行聲源定位。

3.3 自動控制

自動控制包括垃圾桶行進和垃圾桶桶蓋的自動控制。行進的自動控制主要是SPCE061A在識別語音命令后，對電機直接進行輸出；垃圾桶桶蓋的自動控制通過S90舵機實現(xiàn)。本設(shè)計的智能垃圾桶桶蓋為圓形，桶蓋上有過圓心的軸和SG90舵機軸相連，舵機轉(zhuǎn)動則會帶動桶蓋繞桶軸翻轉(zhuǎn)。

4 軟件設(shè)計

本設(shè)計的軟件主要包括特定語音識別算法，定位算法和避障算法。

系統(tǒng)總流程圖如圖3所示。在接收聲音信號后首先判斷語音指令，根據(jù)指令類別進行相應(yīng)行為的執(zhí)行。不是有效命令當(dāng)沒有接收到指令不作任何動作。

圖3 系統(tǒng)流程圖

4.1 特定語音識別算法

特定的語音識別需經(jīng)過語音預(yù)處理、特征提取、語音模塊庫建立的訓(xùn)練階段后，才能進行正確的識別。識別階段則有特征提取和語音庫匹配檢驗分的步驟。在訓(xùn)練階段，SPCE061A從采集的語音樣本中提取出語音特征信息，建立特征模型。在識別階段，SPCE061A對采集到的語音樣本進行分析處理，將新捕獲的特征模型與已有的特征模型進行對比，如果二者相似，則輸入的語音被識別[4]。

建立用戶特定的語音庫是前期語音訓(xùn)練的結(jié)果，并且無論自定義或非自定義的語音命令都要訓(xùn)練后才能被訓(xùn)練的用戶識別。

4.2 定位算法

因為聲源在垃圾桶的360°范圍內(nèi)都有幾率出現(xiàn)，所以系統(tǒng)采用四個拾音器以矩形方式排列。聲源發(fā)出聲音的時候，四個拾音器都會接收到信號，并先后輸出高電平。采用查詢法查詢和拾音器相連的IO電平，結(jié)合定時器，取倒數(shù)三個輸出高電平的拾音器構(gòu)成xoy坐標(biāo)系，最后輸出的為坐標(biāo)系原點。

由3.2定位原理可以得基于當(dāng)前坐標(biāo)系下的聲源定位結(jié)果x,y，進而求得原點和聲源的直線距離與當(dāng)前坐標(biāo)軸x軸的夾角α。規(guī)定與矩陣某一邊垂直的方向固定為垃圾桶的前進的正方向，根據(jù)坐標(biāo)軸的不同一共有四種情況。如圖4所示，為了盡量以直線最短距離到達聲源定位處，垃圾桶會根據(jù)當(dāng)前原點和夾角α原地旋轉(zhuǎn)θ角度，使垃圾桶前進的正方向正對聲源。

圖4 四種坐標(biāo)軸下小車旋轉(zhuǎn)角θ情況

4.3 避障算法

本設(shè)計在垃圾桶前、左、右放置三個超聲波傳感器，并設(shè)定一個合適的門限值。當(dāng)超聲波測量的距離小于門限值時便判斷為檢測到障礙。根據(jù)文獻[5]提出的避障算法進行改進，在基于定位算法調(diào)整好垃圾桶前進方向后，垃圾桶默認向正前方即聲源處行進。當(dāng)檢測到前方有障礙時，如果左邊沒有障礙，垃圾桶會左拐；如果右邊沒有障礙，垃圾桶會右轉(zhuǎn)(默認向左拐)；如果左右兩側(cè)都有障礙，垃圾桶會先后退，再重新進行判斷。

5 結(jié)論

本設(shè)計針對現(xiàn)有垃圾桶功能單一和缺乏靈活性的問題，提出了根據(jù)特定用戶的語音命令進行識別且定位，在行進過程中能自動避障且能自動控制桶蓋的智能垃圾桶。本設(shè)計在智能垃圾桶與用戶的交互方面實現(xiàn)了創(chuàng)新，同時具備智能家居產(chǎn)品的實用性。下一步可以繼續(xù)優(yōu)化的方向有：垃圾桶的特定語音識別能切換為非特定語音識別[6]，便于多人同時使用垃圾桶；驅(qū)動電機使用步進電機對行進速度進行控制，使行進更加平穩(wěn)；對于遠距離的定位采用藍牙、wifi等設(shè)備進行定位，相當(dāng)把獨立的垃圾桶加入智能家居構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中；添加容量提醒和自動打包功能[7]，讓智能垃圾桶更加人性和環(huán)保；改進現(xiàn)有的避障算法，當(dāng)前算法不能應(yīng)對碰到類似墻角的大面積障礙和障礙物密集的情況，為了應(yīng)對生活中各種情況，避障算法還有很高的提升空間。

[1]朱敏玲,李寧.智能家居發(fā)展現(xiàn)狀及未來淺析[J].電視技術(shù),2015,04: 82-85+96.

[2]崔燕南,劉永康,李開良,朱松盛,王偉.基于聲音傳感器陣列的空間定位系統(tǒng)[J].科技導(dǎo)報,2010,19:46-49.

[3]龔小章.特定聲識別與定位系統(tǒng)[J].電子科技,2011,08:36-38+45.

[4]帥曉勇,陶黃林,呂敬祥.基于SPCE061A單片機的嵌入式語音識別系統(tǒng)設(shè)計[J].井岡山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,02:48-53.

[5]柴鎖柱.基于超聲波測距的自動避障智能車設(shè)計[J].滄州師范學(xué)院學(xué)報,2016,01:56-58.

[6]黃濤,胡賓.基于SPCE061A單片機的非特定人語音識別設(shè)計[J].微計算機信息,2006,08:19-20+226.

[7]邱蘭欄,孫未,許亞能,余德明,蒙海珠.自動封裝垃圾桶的設(shè)計與研制[J].科技資訊,2016,10:44-46+48.