李偉東 陳小龍 羅 曉 / 上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院

基于Raspberry語音和手勢(shì)的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

李偉東 陳小龍 羅 曉 / 上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院

本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通過基于樹莓派3代B型來實(shí)現(xiàn)對(duì)外界圖像和聲音信息識(shí)別來控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。研究這個(gè)項(xiàng)目的意義在于為CCS提供一個(gè)可以通過聲音和手勢(shì)來調(diào)整汽車的前期成果。巡航控制系統(tǒng)（CCS）是一種利用電子控制技術(shù)保持汽車自動(dòng)等速行駛的系統(tǒng)。由巡航控制組件讀取車速傳感器發(fā)來的脈沖信號(hào)與設(shè)定的速度進(jìn)行比較，CCS的ECU來調(diào)整節(jié)氣門開度的增大或減小，增加或降低車速，達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)車速的目的使車進(jìn)入穩(wěn)態(tài)行駛。汽車的節(jié)氣門開度通常是CCS的ECU通過Raspberry用聲控和手勢(shì)控來控制電機(jī)的速度和運(yùn)動(dòng)方向。

樹莓派3；CCS；語音識(shí)別；手勢(shì)識(shí)別；電機(jī)控制

引言

汽車巡航控制系統(tǒng)發(fā)展至今己有四十多年的歷史，它經(jīng)歷了機(jī)械控制、晶體管控制、模擬式微機(jī)控制和數(shù)字式微機(jī)控制四個(gè)階段。隨著高速公路的迅速發(fā)展，巡航控制系統(tǒng)的裝車率也在不斷提高，根據(jù)次此設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，選電子式巡航控制系統(tǒng)。采用以樹莓派3帶B型為ECU，聲音控制通過Microphone接入Raspberry，手勢(shì)識(shí)別通過CCD或CMOS用圖像傳感器接入Raspberry將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制命令來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向。

1.基本原理及設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)模塊主要部件有USB或LINE IN 普通麥克風(fēng)，CMOS和CCD的圖像傳感器，樹莓派3代B型，直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。整體構(gòu)想Raspberry是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，內(nèi)部使用ARM/Linux操作系統(tǒng)其中可以使用C語言和Python語言進(jìn)行開發(fā)和擴(kuò)展，C語言和Python語言開發(fā)的庫可以使用第三方類似于0pencv庫來處理圖像傳感器和聲音傳感器的信號(hào)。通過麥克風(fēng)得到的聲音信號(hào)通過LINE IN或USB接口連入Raspberry，圖像信息可使用CMOS或CCD的攝像頭通過USB或Raspberry的內(nèi)部攝像頭接口接入。Raspberry控制器分析出聲音和手勢(shì)控制的命令信號(hào),得到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的參數(shù)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來控制伺電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。

2.系統(tǒng)硬件部分準(zhǔn)備

（1）樹莓派系統(tǒng)鏡像可到樹莓派官網(wǎng)：www.raspberrypi.org下載。

（2）USB轉(zhuǎn)TTL模塊用于電腦和樹莓派的連接，通過串口輸入命令及代碼。

（3）Win32DiskImager軟件用于系統(tǒng)鏡像的燒寫。

（4）PuTTY軟件官網(wǎng)：putty.org

電腦與樹莓派通信的輸入輸出串口監(jiān)視軟件，支持快捷鍵操作。

（5）USB無線網(wǎng)卡。

（6）WiringPIWiringPi（官網(wǎng)： wiringpi.com）是應(yīng)用于樹莓派平臺(tái)的GPIO控制庫函數(shù)，WiringPi遵守GUN Lv3。wiringPi使用C或者C++開發(fā)并且可以被其他語言包轉(zhuǎn)。

（7）microSD卡用于燒寫系統(tǒng)鏡像，由于系統(tǒng)較大，盡量使用8GB以上的卡，高速卡更佳。

（8）5V 2A左右的電源，電源線為通用的microUSB線。

3.系統(tǒng)環(huán)境搭建

插入microSD卡至讀卡器連接到電腦上，先用網(wǎng)上下載的打開Win32DiskImager軟件選擇好下載的鏡像文件，點(diǎn)擊（Write）進(jìn)行燒寫。選SD Formatter 4.0 現(xiàn)將SD卡格式化，然后登陸樹莓派官網(wǎng)下載最新2017版的Raspberrybian 的操作系統(tǒng)并且在電腦上解壓。打開下載好點(diǎn)的Win32DiskImager選擇好下載的鏡像文件，點(diǎn)擊Write進(jìn)行燒寫，開機(jī)登陸樹莓派系統(tǒng)插上燒寫好鏡像文件的microSD卡，插上USB無線網(wǎng)卡，連接好串口線，串口通信連接三根線，GND-GND、TX-RX、RX-TX。將USB轉(zhuǎn)TTL串口模塊連接電腦，在電腦設(shè)備管理器中查看串口號(hào)（如:COM3）。打開PuTTY軟件，先選擇22端口（SSH） 〉〉 選擇對(duì)應(yīng)的串口號(hào)（COM15）給樹莓派插上電源供電開機(jī)，串口監(jiān)視串口會(huì)輸出系統(tǒng)開機(jī)信息，輸出顯示（raspberrypi login:），輸入用戶名：LWD，輸入密碼（LWD）：raspberry 回車。顯示輸出如上pi@raspberrypi:～$時(shí) 開機(jī)完成。配置樹莓派連接wifi網(wǎng)絡(luò)使用wpa_cli命令行配置wifi無線網(wǎng)絡(luò)，中途輸出信息可無視，配置完成，輸入Ctrl + c退出wpa_cli命令行。退出后可輸入ifconfig查看網(wǎng)絡(luò)連接。通過網(wǎng)絡(luò)使用GIT工具安裝wiringPi。安裝完GIT工具后可通過GIT獲得wiringPi的源代碼安裝過wiringPi，程序工作環(huán)境安裝完畢。

4.語音模塊系統(tǒng)搭建

首先將樹莓派聲卡連接到一個(gè)USB端口，在操作系統(tǒng)啟動(dòng)的最后我們?cè)诳刂婆_(tái)介入這個(gè)命令以列出所有連接的USB設(shè)備：lsusb 看 到“C-Media Electronics, Inc.Audio Adapter”， 則 USB音頻卡已成功檢測(cè)到。想要USB卡音頻輸出而不是樹莓派，則必須編輯配置文件，控制音響設(shè)備的操作系統(tǒng)。打開文件/etc/modprobe.d/alsa-base.conf，使用sudo nano/etc/modprobe.d/alsa-base.conf 進(jìn)行文本編輯，然后重新啟動(dòng)樹莓派。前面已經(jīng)應(yīng)該能夠使用USB卡作為默認(rèn)的音頻設(shè)備，你可以上傳音頻文件到樹莓和試試看能不能聽到聲音，用命令:aplay/home/pi/test.wav 如果一切順利，你就沒問題地能聽到聲音。安裝免費(fèi)的語音識(shí)別軟件：PocketSphinx，執(zhí)行命令：

安裝后可以運(yùn)行命令：/pocketsphinx_continuous來啟動(dòng)。

打開python需要登陸PocketSphinx官網(wǎng)獲得相應(yīng)的代碼和范例程序進(jìn)行相應(yīng)的更改語音命令組利用官網(wǎng)所給的語音庫來實(shí)現(xiàn)開發(fā)。

5.圖像模塊系統(tǒng)搭建

設(shè)置好樹莓派，升級(jí)相關(guān)軟件安裝好OpenCV的相關(guān)庫，確定攝像頭和樹莓派是兼容的。

調(diào)用一個(gè)攝像頭的例子：

6.電機(jī)模塊系統(tǒng)搭建

安裝Python，連入電機(jī)下面是簡(jiǎn)單的代碼片段基本的開關(guān)引腳的Python代碼片段：

完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

[1]Maik Schmidt,Raspberry Pi A quick Start Guide,Progmatic Bookshelf,August 8,2012.

[2]Matt Richarsxon &&Shawn Wallace jklfd,Start with raspberry pi,O’Reily medio,December7,2012.

[3]Fredrik Lundh,Python standard library,o’reily media,May 2001.

[4]Mendel Copper,Advanced Bash-Scripting Guide，The Linux Document project，Nov 2012.

[5]Robert Sedgewick,Algorithem in C,Addison-Wesley, Sep 1997.

[6]Richard Stallman,Freee in Freedom,o’relly,march 2002.