王文蓉

（廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，廣東廣州 511442）

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)和語音識(shí)別技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用已經(jīng)深入到了軍事、工業(yè)生產(chǎn)和民用領(lǐng)域，而語音控制的小型輪式機(jī)器人更是因?yàn)榫哂畜w積小、成本低、機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[1-2]。

本論文以LM3S811芯片為核心，設(shè)計(jì)了一款聲控輪式機(jī)器人。語音模塊采用LD3320，經(jīng)特定的麥克風(fēng)處理后，通過AD轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給控制芯片處理，處理后的信號(hào)會(huì)根據(jù)不同的，語音命令轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絃M3S811中，從而改變PWM的占空比[3-4]，不同的占空比對應(yīng)輪式機(jī)器人的不同運(yùn)行動(dòng)作，從而達(dá)到對輪式機(jī)器人的運(yùn)行操作。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用CortexM3系列的LM3S811芯片作為主控芯片，主要由語音識(shí)別模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)和紅外傳感器模塊組成。其工作原理是：麥克風(fēng)接受語音信號(hào)，由語音芯片處理后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，傳送給主控芯片，由主控芯片根據(jù)不同的語音信號(hào)識(shí)別，從而能改變PWM信號(hào)的輸出占 空比，不同的占空比會(huì)輸出不同的信號(hào)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)不同動(dòng)作的操作實(shí)現(xiàn)，由此設(shè)計(jì)完成一款語音控制的輪式機(jī)器人設(shè)計(jì)[5，8]。其硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)硬件框圖，硬件設(shè)計(jì)主要從主控芯片的控制系統(tǒng)、語音識(shí)別模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊進(jìn)行闡述。

2.1 主控芯片的控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)的主控芯片控制系統(tǒng)采用CortexM3系列LM3S811。其最小系統(tǒng)還包含時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。主控芯片主要為系統(tǒng)提供片上的ADC模塊以及PWM模塊。片上的ADC模塊解決語音信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換，語音信號(hào)通過語音模塊采集后，由于系統(tǒng)自帶有16位的ADC，因此，采集后的信號(hào)由ADC處理。而PWM模塊，主要是系統(tǒng)在對語音信號(hào)進(jìn)行處理后，通過系統(tǒng)的主控芯片，會(huì)對系統(tǒng)輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行處理，輸出不同占空比的PWM信號(hào)來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，不同的PWM信號(hào)，經(jīng)由L298N驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)做出不同的運(yùn)動(dòng)，協(xié)調(diào)處理完成輪式機(jī)器人的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該主控芯片的PWM信號(hào)有6路，精度高。

2.2 語音模塊

語音模塊采用LD3320芯片，它是一款基于非特定人語音識(shí)別技術(shù)的語音芯片，具體強(qiáng)大的功能，可以一個(gè)系統(tǒng)支持多種場景，而且識(shí)別句子內(nèi)容時(shí)還可以動(dòng)態(tài)編輯修改，同時(shí)，它不需要外接任何的輔助芯片，即可實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別、人機(jī)對話和聲控等操作。其與系統(tǒng)主控芯片的接法原理圖如圖2所示。

圖2 語音模塊圖

2.3 電機(jī)控制模塊

直流電機(jī)控制模塊由L298N芯片構(gòu)成，主控芯片內(nèi)部PWM模塊生成不同占空比的PWM波驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，控制其調(diào)速和調(diào)整方向。整個(gè)模塊抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)工程中，設(shè)計(jì)了過電壓和過電流保護(hù)功能、主控系統(tǒng)中共有6路PWM輸出，精度高，對速度和方向的控制到位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)整體框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件整體框圖

其中主要包含初始化函數(shù)、中斷模塊、主函數(shù)，通過軟件設(shè)計(jì)框圖，可以看出，其中最重要的部分就是中斷模塊部分。PWM模塊改變小車行動(dòng)、定時(shí)中斷改變PWM的占空比等等都由此部分完成。在LMS3811中，中斷主要由通用計(jì)時(shí)器（TIMER）和GPIO口發(fā)出。執(zhí)行中斷函數(shù)，改變PWM的占空比，從而改變小車的行為。中斷函數(shù)的軟件流程圖如圖4所示。

4 測試

系統(tǒng)的測試主要從通過語音的變化來直接，測試反映在輪式機(jī)器人在前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)以及右運(yùn)動(dòng)的情況，準(zhǔn)確度是否準(zhǔn)確，處理速度是否達(dá)到要求。經(jīng)過測試，各個(gè)模塊運(yùn)轉(zhuǎn)順利，每個(gè)動(dòng)作都能按要求完成。設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，根據(jù)測評(píng)可以得出L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的特性以及運(yùn)用PWM控制其模塊運(yùn)作的特性如表1所示。

圖4 中斷軟件框圖

表1 PWM控制模塊運(yùn)作特性表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求，在檢測語音識(shí)別實(shí)測效果時(shí)，選擇了4個(gè)不同音色，分別兩男兩女的試驗(yàn)對象，在相同的試驗(yàn)環(huán)境下，進(jìn)行了相關(guān)測試，測試的命令次數(shù)為20次，經(jīng)過測試，非特定人的語音命令測試的正確率超過95%。

5 結(jié)論

經(jīng)過硬件和軟件設(shè)計(jì)，完成了一款聲控輪式機(jī)器人的設(shè)計(jì)，經(jīng)過測試，可以得到以下兩個(gè)結(jié)論：

（1）主控芯片輸出的PWM信號(hào)對占空比的控制是非常精確的，對輪式機(jī)器人的運(yùn)行控制是非常精準(zhǔn)的；

（2）經(jīng)本系統(tǒng)的最后測評(píng)，該系統(tǒng)的語音識(shí)別模塊對非特定人的語音識(shí)別效率搞，準(zhǔn)確率均達(dá)到了95%以上，由于測試環(huán)境下的微小嘈雜噪聲，誤差是在容許范圍之內(nèi)的，較好地完成了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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