何琦　齊利軍　馬云吉

摘要：為了降低災(zāi)害發(fā)生時救援過程中的不必要的人員損傷，利用機(jī)器人的安全可替代性來輔助人工救援，摒棄日常簡單遙控器的控制方案，使用當(dāng)前主流的AI技術(shù)中的語音識別功能實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人的目的，控制程序中大量使用算法以提高運(yùn)算效率。整套系統(tǒng)方案分割成兩部分：控制機(jī)器人運(yùn)動的控制系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)語音采集識別的語音識別系統(tǒng)，通過兩子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無線的信息交互實(shí)現(xiàn)整個控制體系。硬件方案也采用了供電充足穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人運(yùn)行起來更加的流暢穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：雙足機(jī)器人；非特定語音識別；PWM；多層封裝；舵機(jī)

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引言

科技高速發(fā)展的今天任然無法避免自然災(zāi)害的發(fā)生，例如抗震救災(zāi)過程中也存在諸多問題，人工直接參與的難度系數(shù)大。因而需要利用機(jī)器人的可控制低成本的優(yōu)勢，可降低救災(zāi)過程中的危險(xiǎn)性。雙足機(jī)器人用來參加救援活動再適合不過了。雙足機(jī)器人因其不需要大量的數(shù)據(jù)計(jì)算故可采用單片機(jī)等微處理器控制。執(zhí)行命令傳輸方面：大多數(shù)的遙控車、遙控飛機(jī)等都是使用遙控器控制的，但救援的雙足機(jī)器人能執(zhí)行的功能多，如用遙控器方式給其下達(dá)指令，控制就會顯的繁瑣，效率也大打折扣。

一、系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

整個機(jī)器人系統(tǒng)大體分為兩個部分，硬件結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)程序。使用最主流的語音識別技術(shù)來控制機(jī)器人。操作者通過手頭的頭戴語音識別控制設(shè)備來下達(dá)指令，頭戴語音識別控制設(shè)備采集到的音頻信息處理成機(jī)器人能夠識別的命令，并通過2.4G無線芯片發(fā)送給機(jī)器人的核心控制板。當(dāng)機(jī)器人身上的核心控制板接收到遠(yuǎn)端語音解析完后的命令，機(jī)會根據(jù)命令來完成特定的動作。機(jī)器人的供電系統(tǒng)是使用高倍率的航模電池，以確保機(jī)器人能夠穩(wěn)定得工作。

二、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總共包括五個部分：外觀結(jié)構(gòu)、控制電路、動力支持。外觀結(jié)構(gòu)采用的是鎂鋁合金為材料仿人型的設(shè)計(jì)，17顆數(shù)字舵機(jī)作為活動關(guān)節(jié)。控制電路使用Stm32芯片作為主控，通過產(chǎn)生PWM信號來控制機(jī)器人的舵機(jī)，使用STC11來讀取LD3320芯片來實(shí)現(xiàn)語音識別。動力方面使用高倍率的航模電池。

（一）外觀結(jié)構(gòu)

由于機(jī)器人是用來救援的，所以結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性顯得尤為重要。首先的問題就是肢體材料的選擇，這里使用的是鋁合金里硬度較大的鎂鋁合金，鎂鋁合金具有重量輕、硬度高等特點(diǎn)。其次，機(jī)器人應(yīng)具有多個可活動的關(guān)節(jié)，市面上的直線電機(jī)、直流電機(jī)、舵機(jī)等等，都能作為機(jī)器人的關(guān)節(jié)使用。為了控制的穩(wěn)定性和優(yōu)質(zhì)性，采用17個數(shù)字舵機(jī)來充當(dāng)機(jī)器人的17個關(guān)節(jié)。

（二）控制電路

STM32是一類性價(jià)比高且穩(wěn)定的芯片。雙足機(jī)器人核心控制板上使用STM32F103RCT6產(chǎn)生17路PWM來控制17路舵機(jī)，并實(shí)時讀取2.4G無線模塊接收到的信息。頭帶語音識別設(shè)備使用的是STC11L08XE為主控制芯片，使用LD330語音識別芯片來完成音頻的采集、匹配和識別，STC11L08XE讀取到識別結(jié)果后將會交由2.4G無線模塊，發(fā)送給雙足機(jī)器人核心控制板。

（三）動力支持

整個系統(tǒng)供電將影響電路的穩(wěn)定性，而整個系統(tǒng)時候能夠良好的運(yùn)行關(guān)鍵之處就應(yīng)保證電路的穩(wěn)定性。由于機(jī)器人采用的是17個數(shù)字舵機(jī)同時運(yùn)行，需要長時間的大電流供給，而舵機(jī)再工作的時，如果供電不足將容易使系統(tǒng)錯亂，帶來十分嚴(yán)重的后果。由此可見供電尤為重要。這里采用的是高倍率的航模電池作為機(jī)器人的動力。為了隔離舵機(jī)全速運(yùn)行使產(chǎn)生的反饋電流，加入了25A的整流橋。

三、控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要包括兩個部分：17自由度機(jī)器人的核心控制程序和頭戴設(shè)備的控制程序。機(jī)器人核心控制程序一部分產(chǎn)生17路pwm信號，另一部分為無線接收處理程序。頭戴設(shè)備程序包括控制LD3320語音識別和無線芯片發(fā)送數(shù)據(jù)程序。

（一）機(jī)器人控制核心程序

程序中運(yùn)用了一系列的設(shè)計(jì)模式的思想，比如適配器模式，還有大量的分布思想多層封裝來簡化后期程序的調(diào)試。編寫void upData（）函數(shù)將系統(tǒng)中的17路舵機(jī)的pwm變量值更新輸出，為了后續(xù)能夠便捷的調(diào)整動作，專門設(shè)計(jì)了一個特定的數(shù)組格式使用名為doAction（）函數(shù)來調(diào)用執(zhí)行。使用累加算法對動作進(jìn)行減速控制。

（二）頭戴設(shè)備語音識別程序

首先程序的初始化過程LD_Reset（）中將會對LD3320芯片進(jìn)行初始化設(shè)定，例如降噪、增益、識別度等等。接著就啟動一次ASR識別流程，將所需要的識別拼音和對應(yīng)的識別返回號送入芯片的緩沖區(qū)，設(shè)置外部中斷來判斷識別完成與否。識別成功后獲取返回來的識別號，通過比對程序設(shè)計(jì)的識別號得到識別的內(nèi)容。隨后就不斷循環(huán)ASR識別流程。

四、結(jié)束語

以STM32與STC11兩種作為控制核心，使用無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)用現(xiàn)今比較火爆的語音識別方式來對機(jī)器人進(jìn)行控制，語音識別的過程中參考了現(xiàn)有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式添加了識別的喚醒詞，但現(xiàn)有的方案中每次指令都需要重復(fù)喚醒詞，控制效率低下，使用喚醒詞激活的方案來解決問題。通過軟件減速的方案來解決機(jī)器人應(yīng)響應(yīng)速度過快而導(dǎo)致難以平衡的問題。使用穿透力較為強(qiáng)勁的2.4G頻率的無線信號傳輸信息，實(shí)現(xiàn)了超遠(yuǎn)程控制。

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由遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助

項(xiàng)目編號：201710146000139

作者簡介：何琦（1997.02.24），本科，研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧?，?fù)雜大系統(tǒng)研究。齊利軍（1996.07.31），本科，研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧?，馬云吉（1970.10.12），副教授，研究領(lǐng)域?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全。